尾礦砂高性能混凝土力學(xué)性能的研究

段國(guó)偉， 林雙艮， 張亮

（1.河北建研工程技術(shù)有限公司，石家莊 050227；2.河北省固廢建材化利用科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050227；3.北京華夏建龍礦業(yè)科技有限公司，北京 100070）

0 引言

我國(guó)鐵礦資源豐富，多年開(kāi)采積累了大量鐵尾礦。截止2016年，全國(guó)鐵尾礦總堆存量超過(guò)100億噸，其中當(dāng)年總產(chǎn)生量7.98億噸，而河北省就占到了41%，位居第一[1]。

目前國(guó)內(nèi)外能大宗消納鐵尾礦砂，處理工藝成熟又不產(chǎn)生二次污染最佳途徑就是將其應(yīng)用在預(yù)拌混凝土中作細(xì)集料[2-5]。如果把鐵尾礦砂利用與大規(guī)模的預(yù)拌混凝土生產(chǎn)結(jié)合起來(lái)，既解決了鐵尾礦砂的綜合利用問(wèn)題，又緩解了混凝土行業(yè)天然砂資源的匱乏壓力，存在很大的研究利用價(jià)值。雖然國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始力推鐵尾礦砂資源的循環(huán)再利用，但因不同地區(qū)不同類(lèi)型礦床產(chǎn)生的尾礦成分、粒形、石粉含量等差異較大，限制了鐵尾礦砂在混凝土中的應(yīng)用[6-9]。因此有必要針對(duì)區(qū)域內(nèi)的鐵尾礦砂資源開(kāi)展性能調(diào)查及其在混凝土中的應(yīng)用研究，推動(dòng)區(qū)域內(nèi)鐵尾礦資源的應(yīng)用，解決環(huán)境污染問(wèn)題，促使企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)室自來(lái)水；石家莊曲寨水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥；金泰成公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉比表面積429kg/m2活性指數(shù)101%；凝灰?guī)r；石灰?guī)r；標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 試驗(yàn)方法

（1） 用自制條形孔篩把機(jī)制砂中的片狀顆粒篩出，再與無(wú)片狀顆粒的機(jī)制砂混合，使片狀顆粒含量分別為0%、10%、20%、30%用于膠砂試驗(yàn)，分析片狀顆粒含量對(duì)膠砂和混凝土流動(dòng)性與強(qiáng)度的影響。

（2） 設(shè)計(jì)不同摻量石粉配合比及膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果，研究不同石粉摻量對(duì)膠砂抗折抗壓強(qiáng)度影響。

（3） C30基準(zhǔn)混凝土配合比：水泥286kg、粉煤灰123kg、機(jī)制砂773kg、石粉含量4%、碎石984kg、水185kg、減水劑4.09kg；C35基準(zhǔn)混凝土配合比：水泥328kg、粉煤灰82kg、機(jī)制砂731kg、石粉含量8%、碎石1053kg、水 168kg、減水劑 4.1kg。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 機(jī)制砂片狀顆粒含量對(duì)膠砂和混凝土流動(dòng)性與強(qiáng)度的影響

文中用自制條形孔篩把機(jī)制砂中的片狀顆粒篩出，再與無(wú)片狀顆粒的機(jī)制砂混合，使片狀顆粒含量分別為0%、10%、20%、30%用于膠砂試驗(yàn)，配合比如表1，在W/B=0.5、W/B=0.45時(shí)，采用凝灰?guī)r和石灰?guī)r機(jī)制砂做膠砂流動(dòng)度和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，其流動(dòng)度如表2所示。

表1 膠砂配合基準(zhǔn)比

表2 片狀顆粒含量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響

表2為砂漿在0.5、0.45兩種水膠比條件下不同片狀顆粒含量對(duì)凝灰?guī)r、石灰?guī)r流動(dòng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著片狀顆粒的增加，兩種砂漿流動(dòng)度均減小，并且凝灰?guī)r減少幅度高于石灰?guī)r砂漿減小幅度；兩種砂漿，水膠比越小流動(dòng)性減少幅度越大；由于顆粒容易聚集到一起，降低了砂漿的均勻性，砂漿流動(dòng)性變差，隨著片狀顆粒增加，流動(dòng)性減小越明顯；由于石灰?guī)r顆粒表面光滑，凝灰?guī)r顆粒由于靜電作用，顆粒表面吸附更多細(xì)顆粒，導(dǎo)致石灰?guī)r砂漿流動(dòng)性高于凝灰?guī)r砂漿流動(dòng)性。

表3為不同片狀顆粒含量對(duì)石灰?guī)r與凝灰?guī)r機(jī)制砂C30與C35混凝土坍落度影響，從同強(qiáng)度混凝土坍落度來(lái)看，隨著片狀顆粒含量的增加，兩種混凝土的坍落度均減小，C35混凝土坍落度降低幅度小于C30混凝土坍落度幅度。圖1為在不同片狀顆粒對(duì)相同流動(dòng)度下用水量擬合曲線，片狀顆粒與用水量之間明顯為線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9956，表明相關(guān)程度較高。由試驗(yàn)可得，保持相同流動(dòng)性，每增加10%的片狀顆粒，增加的用水量基本在0.45g左右。

表3 不同片狀顆粒含量對(duì)機(jī)制砂C30、C35混凝土坍落度影響

圖1 不同含量片狀顆粒對(duì)不同機(jī)制砂C30、C35混凝土坍落度影響擬合曲線

表4、表5為W/B=0.5時(shí)不同摻量片狀顆粒，石灰?guī)r與凝灰?guī)r砂漿3、28d砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于兩種巖型的機(jī)制砂來(lái)說(shuō)，隨著片狀顆粒的增加，砂漿的抗折與抗壓強(qiáng)度不斷下降趨勢(shì)，在片狀顆粒摻量為0%時(shí)，石灰?guī)r砂漿的強(qiáng)度略高于凝灰?guī)r砂漿，但是隨著片狀顆粒摻量的增加，凝灰?guī)r強(qiáng)度略高于石灰?guī)r。由于凝灰?guī)r片狀顆粒表面比石灰?guī)r比表面顆粒粗糙，導(dǎo)致凝灰?guī)r砂漿抗折與抗壓強(qiáng)度略高于石灰?guī)r砂漿強(qiáng)度。因此混凝土用機(jī)制砂一定要控制其片狀顆粒含量，否則會(huì)影響混凝土力學(xué)性能，針對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂中片狀顆粒宜在10%以下。

表4 凝灰?guī)r片狀顆粒摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度影響（水膠比為0.5）

表5 石灰?guī)r片狀顆粒摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度影響（水膠比為0.5）

表6為W/B=0.45時(shí)不同含量片狀顆粒，石灰?guī)r與凝灰?guī)r砂漿3、28d砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度，不同片狀顆粒對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果。由表4～表6可得水膠比為0.45的砂漿強(qiáng)度高于水膠比為0.5砂漿的強(qiáng)度。主要原因是水膠比降低，增加了砂漿中空隙含量，提高了砂漿強(qiáng)度。

表6 片狀顆粒含量對(duì)凝灰?guī)r漿強(qiáng)度影響（水膠比為0.45）

表7、表8為不同片狀顆粒對(duì)石灰?guī)r與凝灰?guī)rC30、C35混凝土3、28d抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著片狀顆粒的增加，兩種混凝土的3、28d強(qiáng)度不斷降低，另外凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度略高于石灰?guī)r混凝土強(qiáng)度。是由于片狀顆粒的機(jī)制砂強(qiáng)度比規(guī)則的機(jī)制砂強(qiáng)度低，而且與片狀顆粒的定向排列也有關(guān)系，隨著片狀顆粒的增加，片狀顆粒在漿體中定向排列，使得砂漿中空隙增加，導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度增加。

表7 針片狀顆粒含量對(duì)石灰?guī)rC30、C35混凝土強(qiáng)度影響

表8 針片狀顆粒含量對(duì)凝灰?guī)rC30、C35混凝土強(qiáng)度影響

2.2 不同含量石粉對(duì)砂漿流動(dòng)性、混凝土強(qiáng)度影響

表9是不同摻量凝灰?guī)r石粉配合比設(shè)計(jì)及膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果，隨著石粉摻量的增加，膠砂流動(dòng)度從168mm降低到150mm。表10是不同石粉摻量對(duì)膠砂抗折抗壓強(qiáng)度影響結(jié)果，隨著摻量增加，砂漿的7、28d強(qiáng)度逐漸降低，在石粉摻量為10%以?xún)?nèi)，摻加了凝灰?guī)r石粉的膠砂比不摻加石粉的強(qiáng)度降低幅度很小，為了保證機(jī)制砂有較好的級(jí)配，必須含有一定量的石粉，減少混凝土的泌水、提高混凝土的和易性。并且，機(jī)制砂在制備過(guò)程中，石粉不可能100%去除，在盡量降低石粉量對(duì)砂漿流動(dòng)性與強(qiáng)度影響前提下，機(jī)制砂中保留10%以?xún)?nèi)的石粉，還能優(yōu)化機(jī)制砂去除粉體工藝，降低機(jī)制砂制備成本。表11是不同石粉含量對(duì)C30、C35混凝土流動(dòng)性影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著石粉摻量增加，混凝土坍落度與擴(kuò)展度不斷降低，但是石粉摻量為4%、8%時(shí)候，坍落度與擴(kuò)展度降低幅度很小，大于8%時(shí)候，混凝土的坍落度與擴(kuò)展度降低幅度增高。另外，同條件下相比，C35坍落度與擴(kuò)展度降低幅度大于C30混凝土坍落度與擴(kuò)展度值。由于凝灰?guī)r石粉的需水量比大于石灰石粉與粉煤灰，使得漿體在相同用水量的情況下，需要的水量更多；其次隨著凝灰?guī)r石粉加入，砂漿與混凝土的漿體粘度增加，初始流動(dòng)度、擴(kuò)展度減小。

表9 膠砂配合比與膠砂流動(dòng)度

表10 不同石粉摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

表11 不同石粉含量對(duì)混凝土流動(dòng)性影響

表12、表13是不同石粉摻量凝灰?guī)r混凝土對(duì)3、7、28d強(qiáng)度的影響，隨著石粉摻量的增加，混凝土強(qiáng)度值增加，再降低，在石粉摻量為10%與12%時(shí)，兩種混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大，其中C30混凝土強(qiáng)度最大值：3d為 20.2MPa、7d 為 46.6MPa、28d 為 55.2MPa，與石粉摻量為10%時(shí)差值很小，C35混凝土強(qiáng)度值最大值，3d為 20.1MPa、7d 為 46.9MPa、28d 為 54.1MPa。由于凝灰?guī)r石粉在砂漿與混凝土中主要起到摻合料作用，由于凝灰?guī)r石粉的活性較低，在水泥水化早期，石粉主要為惰性摻合料，起到微集料填充效應(yīng)，在C30與C35高水膠比的情況下，對(duì)后期砂漿與混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)較??；另外由于石粉需水量比大，石粉在漿體不能有效地分散均勻，導(dǎo)致砂漿與混凝土強(qiáng)度降低。

表12 不同石粉摻量對(duì)C30混凝土強(qiáng)度影響

表13 不同石粉摻量對(duì)C35混凝土強(qiáng)度影響

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 機(jī)制砂的片狀顆粒含量會(huì)使拌合物粘滯力增大，流變性能變差，導(dǎo)致混凝土和易性差，坍落度降低。

（2） 隨著片狀顆粒的增加，砂漿的抗折與抗壓強(qiáng)度不斷下降；在石粉摻量為0%時(shí)，石灰?guī)r砂漿的強(qiáng)度略高于凝灰?guī)r砂漿，但是隨著石粉摻量的增加，凝灰?guī)r強(qiáng)度略高于石灰?guī)r；水膠比為0.45的砂漿強(qiáng)度明顯高于水膠比為0.5強(qiáng)度。

（3） 凝灰?guī)r石粉摻量為10%與12%時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大。