鐵尾礦和添加劑對混凝土性能的影響

陳傳明，劉玉亭，張成杰，沈夢琦，李 剛，金俊成

(1.安徽省高迪循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園股份有限公司，安徽 六安 237000；2.皖西學(xué)院 材料與化工學(xué)院，安徽 六安 237012)

鐵尾礦是選礦后的廢棄物，是工業(yè)固體廢棄物的重要組成部分[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年排出的尾礦及廢石在100億噸以上。我國現(xiàn)有8000多個(gè)國營礦山和11萬多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體礦山，堆存的尾礦量近50億噸，年排出尾礦量高達(dá)5億噸以上，其中黑色冶金礦山年排放尾礦量達(dá)1.5億噸。目前，我國的尾礦綜合利用率只有7%，堆存的鐵尾礦量高達(dá)十幾億噸，占全部尾礦堆存總量的近1/3。因此，鐵尾礦的綜合回收利用問題已受到全社會的廣泛關(guān)注[2]。

研究發(fā)現(xiàn)鐵尾礦經(jīng)過改性處理后具有一定的膠凝活性，可開發(fā)為混凝土的摻合料?；炷林袚饺脒m量的活化鐵尾礦粉，可使混凝土具有良好的和易性、力學(xué)性能以及耐久性能，利用這一途徑，可以充分有效地利用鐵尾礦資源。樸春愛等研究了鐵尾礦粉對混凝土耐久性的影響，研究發(fā)現(xiàn)摻加了活化鐵尾礦粉的混凝土的抗碳化能力要低于空白樣，但高于粉煤灰混凝土，并且機(jī)械活化鐵尾礦粉混凝土的抗碳化性能要略優(yōu)于化學(xué)-機(jī)械活化鐵尾礦粉混凝土[3]。商東波等在研究鐵尾礦粉摻量對混凝土強(qiáng)度的影響中，指出不同水膠比下，當(dāng)鐵尾礦粉與粉煤灰比例為2∶8時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，隨著鐵尾礦粉含量的進(jìn)一步提高，強(qiáng)度逐漸降低，因此當(dāng)摻合料中的鐵尾礦粉摻量高于粉煤灰時(shí)，會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度[4]。王安嶺等研究了鐵尾礦粉用作混凝土摻和料的活性，研究指出把鐵尾礦磨成不同的細(xì)度后，分別在50%和30%摻量下考察了細(xì)度對活性的影響。結(jié)果表明，隨著鐵尾礦粉比表面積的提高，不同齡期的膠砂活性指數(shù)有所提高，但提高幅度不明顯，總體活性偏低[5]。

本文研究了鐵尾礦作為粉煤灰替代物制備混凝土，探究鐵尾礦的加入對混凝土的抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響，從而得到最佳的替代率。另外研究了石英和玻璃纖維作為添加劑對混凝土的結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

本文使用的是普通硅酸鹽水泥P.O 52.5，中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。粉煤灰和鐵尾礦取自安徽省高迪環(huán)?？萍加邢薰?。圖1為粉煤灰的電鏡圖和XRD譜圖，結(jié)果表明粉煤灰主要物相為莫來石和玻璃體的小顆粒[6]，其中粉煤灰的主要性能指標(biāo)如表1所示。由表2可知，粉煤灰的化學(xué)成分主要以二氧化硅和三氧化二鋁為主。圖2為鐵尾礦的XRD譜圖，可知鐵尾礦的主要礦物組成為石英、角閃石、鈣長石和綠泥石等[7]。由表3可知，鐵尾礦的化學(xué)成分主要以二氧化硅為主。

圖1 粉煤灰的電鏡圖和XRD譜圖

表1 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

表2 粉煤灰主要化學(xué)組成

圖2 鐵尾礦的XRD譜圖

表3 鐵尾礦主要化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T17671—1999制備混凝土測試樣品，樣品分別在齡期為3 d，7 d，28 d時(shí)，浸泡在酒精中，終止水化。采用X射線衍射儀(Bruker D8 Advance)測量物質(zhì)的XRD譜圖。采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)(三思縱橫WAW600)測試混凝土的抗壓強(qiáng)度。采用掃描電鏡(SU8010)觀察其微觀結(jié)構(gòu)。混凝土配比如表4所示。

表4 混凝土配比

2 結(jié)果和討論

2.1 粉煤灰與鐵尾礦比例對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3是不同粉煤灰與鐵尾礦比例的混凝土抗壓強(qiáng)度。其中315 g水泥、1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂、225 g水，鐵尾礦分別以0%、25%、50%、75%、100%的替代率替粉煤灰(即粉煤灰/鐵尾礦質(zhì)量比分別為1∶0，3∶1，1∶1，1∶3，0∶1)。隨著鐵尾礦替代率的增加，試樣抗壓強(qiáng)度先增大后降低，當(dāng)鐵尾礦替代率為25%(即粉煤灰/鐵尾礦質(zhì)量比為3∶1)時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度最大，3天、7天、28天混凝土試樣抗壓強(qiáng)度分別為25.1 MPa、35.7 MPa、40.5 MPa。當(dāng)鐵尾礦替代率超過25%，試樣抗壓強(qiáng)度又逐漸降低。圖4是不同粉煤灰與鐵尾礦比例的混凝土電鏡圖，從圖中可見，粉煤灰中的球狀顆粒，直徑大約2～10微米左右，均勻分散在混凝土試樣中，并且隨著鐵尾礦含量的增加及粉煤灰含量降低，球狀顆粒逐漸消失，而混凝土結(jié)構(gòu)更加致密。一方面鐵尾礦的化學(xué)成分主要以二氧化硅為主，多以玻璃體形式存在[7]，通過機(jī)械研磨增加了其表面的晶格畸變程度，從而具有一定的反應(yīng)活性，其中的玻璃體能夠與水泥緩慢發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成水化硅酸鈣；另一方面，機(jī)械研磨的鐵尾礦具有較小的顆粒結(jié)構(gòu)和較好的流動性，能夠填充混凝土中的微小孔隙，使得混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，從而在一定程度上提高混凝土強(qiáng)度，因此加入少量鐵尾礦時(shí)(替代率為0～25%)能夠加強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度；但當(dāng)鐵尾礦加入量過多時(shí)(替代率超過25%)，由于鐵尾礦中的玻璃體的反應(yīng)活性較低且緩慢，因此造成抗壓強(qiáng)度的逐漸降低。

圖3 不同粉煤灰與鐵尾礦比例的混凝土抗壓強(qiáng)度

(A1是1∶0，A2是3∶1，A3是1∶1，A4是1∶3，A5是0∶1)圖4 不同粉煤灰與鐵尾礦比例的混凝土電鏡圖

2.2 石英添加劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

石英的主要成分是二氧化硅，理論上能夠與水泥發(fā)生水化反應(yīng)，形成水化硅酸鈣，加強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度[8]。圖5是不同目數(shù)的石英添加劑的混凝土抗壓強(qiáng)度。其中315 g水泥、1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂、225 g水，鐵尾礦替代率為25%(即粉煤灰/鐵尾礦質(zhì)量比為3∶1)，1.35 g石英。當(dāng)加入200目的石英時(shí)，混凝土試樣抗壓強(qiáng)度3天、7天、28天分別為19.9 MPa、25.2 MPa、32.5 MPa，當(dāng)加入400目的石英時(shí)，混凝土試樣抗壓強(qiáng)度3天、7天、28天分別為20.0 MPa、23.3 MPa、35.5 MPa?；炷猎嚇?8天的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示石英顆粒的加入會降低混凝土抗壓強(qiáng)度，并且目數(shù)越小，顆粒直徑越大，降低的程度越大。如圖6所示，石英為球狀結(jié)構(gòu)，由于表面光滑，并且顆粒直徑較大，與周圍的混凝土結(jié)構(gòu)連接不強(qiáng)，從而造成抗壓強(qiáng)度的降低,并且研究表明石英中的主要成分是惰性的二氧化硅，其在常溫下不能夠與水泥中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，需要通過研磨提高反應(yīng)活性或者在高溫養(yǎng)護(hù)條件下石英才能與水泥發(fā)生反應(yīng)，因此石英顆粒的添加會在一定程度上降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖5 不同目數(shù)的石英添加劑的混凝土抗壓強(qiáng)度

(B6是200目石英，B7是400目石英)圖6 不同目數(shù)的石英添加劑的混凝土電鏡圖

2.3 玻璃纖維添加劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

玻璃纖維價(jià)格低，質(zhì)量輕，且抗拉強(qiáng)度和彈性模量高。并且其主要組成為二氧化硅，因此可以做為混凝土的添加劑，強(qiáng)化水泥的力學(xué)性能及工作性能[9]。圖7是不同長度玻璃纖維添加劑的混凝土抗壓強(qiáng)度。其中315 g水泥、1350 g標(biāo)準(zhǔn)砂、225 g水，鐵尾礦替代率為25%(即粉煤灰/鐵尾礦質(zhì)量比為3∶1)，1.35 g玻璃纖維。當(dāng)加入3 mm玻璃纖維時(shí)，3天、7天、28天的抗壓強(qiáng)度分別提高至28.3 MPa、36.7 MPa、43.8 MPa；而當(dāng)加入6 mm玻璃纖維時(shí)，水泥試樣抗壓強(qiáng)度3天、7天、28天分別為16.6 MPa、17.9 MPa、22.5 MPa，此時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度較低?？梢娀炷林刑砑佣糖械牟ＡЮw維可以在一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)玻璃纖維較長時(shí)，容易發(fā)生成團(tuán)聚、成束等現(xiàn)象[10]，加入混凝土中具有分散不均勻的情況，造成混凝土結(jié)構(gòu)中存在較大量的空隙結(jié)構(gòu)(如圖8中C9所示)，從而造成混凝土強(qiáng)度的急劇下降。

圖7 不同長度玻璃纖維添加劑的混凝土抗壓強(qiáng)度

(C8是3 mm玻璃纖維，C9是6 mm玻璃纖維。左側(cè)為2K倍，右側(cè)為5K倍)圖8 不同長度玻璃纖維添加劑的混凝土電鏡圖

3 結(jié)論

使用鐵尾礦替代粉煤灰制備混凝土，當(dāng)粉煤灰/鐵尾礦質(zhì)量比例為3∶1時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，當(dāng)粉煤灰/鐵尾礦質(zhì)量比例為1∶1時(shí)，混凝土的強(qiáng)度次之，當(dāng)粉煤灰/鐵尾礦質(zhì)量比例為0∶1時(shí)，混凝土的強(qiáng)度最低，因此摻合料中的鐵尾礦的最佳替代率為25%，含量過高反而會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。

當(dāng)加入少量石英顆粒添加劑時(shí)，由于石英表面光滑，并且顆粒直徑較大，與周圍的混凝土結(jié)構(gòu)連接不強(qiáng)，從而造成混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。而加入少量玻璃纖維添加劑時(shí)，3 mm的短玻璃纖維可以在一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，而6 mm的長玻璃纖維由于團(tuán)聚作用在混凝土結(jié)構(gòu)中形成較多的空隙結(jié)構(gòu)，從而造成水泥強(qiáng)度的急劇下降。