鐵尾礦砂配制混凝土的應(yīng)用探析

王艷艷，陳瑛，廖琳，代印印，黃小明，王亞俊

（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 引言

鐵尾礦資源是一種復(fù)合型礦物原料，是鐵礦石經(jīng)過一系列選礦過程剩下的廢棄物，大量鐵尾礦的堆放，不僅占用大量土地，而且破壞地表植被，還會(huì)造成重金屬離子超標(biāo)、揚(yáng)塵等問題，嚴(yán)重影響自然環(huán)境[1-2]。天然砂是一種有限的自然資源，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，天然砂資源越來越少。各地為了保護(hù)環(huán)境開始頒布禁止開采天然砂，這使得天然砂越來越昂貴，且其供應(yīng)不能滿足工程建設(shè)的要求[3]。用鐵尾礦砂作為細(xì)骨料制備混凝土，可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的二次利用，既可以提高鐵尾礦砂的利用率，也可以節(jié)約有限的自然資源[4]。

鐵尾礦的主要化學(xué)成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO，化學(xué)成分會(huì)因地區(qū)差異略有不同，主要礦物組成為石英、赤鐵礦、白云石、長石等，總體上鐵尾礦的化學(xué)成分和礦物成分相似[2,5]。對(duì)于鐵尾礦砂的研究，張玉琢等人[6]將不同比例的鐵尾礦砂與天然砂混合制備鐵尾礦砂混凝土當(dāng)鐵尾礦砂的取代率為50%時(shí)，混凝土拌合物的工作性良好，達(dá)到了預(yù)拌混凝土大流動(dòng)性的施工要求；王玉雅等人[7]將鐵尾礦作為細(xì)集料取代天然砂，隨鐵尾礦砂取代率的增加，C50混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸降低，當(dāng)鐵尾礦砂取代率為20%時(shí)，C50混凝土的28 d、60 d、90d強(qiáng)度與未摻鐵尾礦砂的基準(zhǔn)組相比降幅均較?。毁谙热薣8]對(duì)不同摻量鐵尾礦砂和再生骨料再生混凝土性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在鐵尾礦砂取代率為30%時(shí)，水化程度最大，鐵尾礦砂對(duì)于硬化體系堆積填充作用最為明顯，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。本文以鐵尾礦砂為混凝土細(xì)骨料，配制C40混凝土，以實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的有效利用。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

2.1.1 鐵尾礦砂

本研究中使用的鐵尾礦砂，來源于安徽省馬鞍山市，其外觀如圖1所示，顏色呈灰黑色，通過篩分析試驗(yàn)測得鐵尾礦砂的細(xì)度模數(shù)為1.4。按照《鐵尾礦砂》（GB/T31288-2014）[9]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法測試了鐵尾礦砂的有害物質(zhì)含量、堅(jiān)固性等指標(biāo)，結(jié)果表明這些指標(biāo)符合GB/T31288-2014[9]的要求。對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行理化性質(zhì)分析，測得其化學(xué)成分和相關(guān)物理指標(biāo)如表1所示，其放射性指標(biāo)見表2。鐵尾礦砂的放射性指標(biāo)符合《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）[10]的要求。

圖1 鐵尾礦砂

鐵尾礦砂的化學(xué)成分和物理性能 表1

鐵尾礦砂的放射性指標(biāo)檢測數(shù)據(jù) 表2

圖2是鐵尾礦砂的XRD圖譜分析，可以確定該鐵尾礦砂的礦物組成，從XRD的各個(gè)峰來看，本實(shí)驗(yàn)中所使用的鐵尾礦砂成分較復(fù)雜，多個(gè)物質(zhì)晶相中都有SiO2，推測該鐵尾礦砂樣品中SiO2成分含量較多，并且含有CaO，Al2O3，F(xiàn)e2O3，Na2O，P2O5，MgO，K2O，SO3，MnO等雜質(zhì)。該樣品中含有CaO，沒有C元素，推測沒有石灰?guī)r成分，CaO·Al2O3·2SiO2推測可能為長石混合物，Ca2SiO3，Na2O·Al2O3·6SiO2推測可能為粘土和石英砂混合物，MgO·MnO·2SiO2推測可能均為含有雜質(zhì)的石英砂混合物，K2O·MgO·CaO·4SO3推測可能為含有硫化物成分的雜質(zhì)，F(xiàn)e5(PO4)3(OH)5推測可能為少量的磁鐵礦及磷化物的混合雜質(zhì)。

圖2 鐵尾礦砂的XRD衍射圖

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高性能混凝土用骨料》（JG/T568-2019）[11]中的有關(guān)人工砂需水量比試驗(yàn)和石粉流動(dòng)度比試驗(yàn)的規(guī)定，按照標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)配合比對(duì)鐵尾礦砂做了需水量比和石粉流動(dòng)度比的試驗(yàn)，用以判定尾礦砂的級(jí)配、粒形、吸水率和石粉吸附性能等指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

鐵尾礦砂需水量比試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表3

鐵尾礦砂石粉流動(dòng)度比試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表4

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，鐵尾礦砂的需水量比為162%，說明鐵尾礦砂的吸水率較大。鐵尾礦砂的石粉流動(dòng)度比為88%，說明鐵尾礦砂中的石粉對(duì)所用減水劑有一定的吸附作用。

2.1.2 水泥

水泥是來自安徽銅陵海螺水泥有限公司。其物理性能見表5。

P·O42.5級(jí)水泥物理性質(zhì) 表5

2.1.3 其他原材料

采用F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，廠家：皖能合肥發(fā)電有限公司粉煤灰分公司。S95礦粉，廠家：安徽長江精細(xì)硅粉有限責(zé)任公司。外加劑為減水劑：聚羧酸高性能減水劑，江蘇某公司生產(chǎn)。拌和水符合《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）[12]混凝土拌和要求。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 C40鐵尾礦砂混凝土制備

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）[12]，河砂中摻加鐵尾礦砂做細(xì)骨料配制C40混凝土配合比見表6，T0～T3采用相同的水灰比去配制C40混凝土，T1～T3鐵尾礦砂的摻量分別為10%、20%、30%。研究鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土性能的影響。

C40鐵尾礦砂混凝土設(shè)計(jì)配合比（kg/m3） 表6

2.2.2 拌合物的工作性能

混凝土的工作性，是混凝土拌合物易于施工操作，并獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的混凝土的性能。在混凝土拌合過程中，觀察拌合物的和易性，測定拌合物的坍落度和擴(kuò)展度，以及1h坍落度和1h擴(kuò)展度。混凝土拌合物的坍落度試驗(yàn)、擴(kuò)展度試驗(yàn)、坍落度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)，按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）[13]進(jìn)行。

2.2.3 試件的抗壓強(qiáng)度

試樣壓力強(qiáng)度測試儀器采用上海三思縱橫機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的YAW-2000微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011）[12]，制作 100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）[14]測定混凝土試塊7d、28 d的抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)果與討論

3.1 拌合物的工作性能

混凝土的拌合狀態(tài)、初始坍落度、擴(kuò)展度，以及1h坍落度和1h擴(kuò)展度見表7。初始坍落度狀態(tài)如圖3所示。

混凝土的工作狀態(tài) 表7

圖3 混凝土的初始坍落度狀態(tài)圖片

鐵尾礦砂摻量達(dá)到20%及以上，混凝土拌合物在初始狀態(tài)的拌合性能變差，坍落度和擴(kuò)展度已不滿足泵送條件，經(jīng)過60 min后測量發(fā)現(xiàn)，坍落度和擴(kuò)展度的經(jīng)時(shí)損失很大，究其原因，一方面，鐵尾礦砂的形狀不規(guī)則，棱角多，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，細(xì)集料之間以及細(xì)集料與水泥漿體之間的嚙合力增加，致使?jié){體流動(dòng)性變差[6]；另一方面，鐵尾礦砂的粒徑在0.30mm以下的顆粒較天然砂多，所以隨著鐵尾礦砂摻比的增加，混凝土細(xì)骨料的比表面積增大，需水量增加。這一點(diǎn)也符合鐵尾礦砂的需水量比較大的特點(diǎn)。摻比30%的時(shí)候，拌合物達(dá)到幾乎無法拌合的程度。另外，鐵尾礦砂中的石粉對(duì)減水劑有一定的吸附性，也會(huì)導(dǎo)致拌合物的坍落度的經(jīng)時(shí)損失較大。

3.2 混凝土試件的抗壓強(qiáng)度

C40混凝土試件抗壓強(qiáng)度值 表8

摻有鐵尾礦砂的混凝土的7d抗壓強(qiáng)度均大于天然砂混凝土。隨著鐵尾礦砂摻量的增加，鐵尾礦砂摻量10%的時(shí)候，混凝土的7 d強(qiáng)度稍微增加；鐵尾礦砂摻量20%時(shí)，混凝土7 d強(qiáng)度增加明顯，達(dá)到15%以上；鐵尾礦砂摻量30%時(shí)，混凝土7 d強(qiáng)度增加20%以上。說明鐵尾礦砂的加入會(huì)促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度的增長；但是隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的28 d強(qiáng)度呈略微降低趨勢，但是總體變化不大，原因是鐵尾礦砂的制備過程中的機(jī)械破損使其壓碎指標(biāo)大于天然砂。

4 結(jié)論

本文采用鐵尾礦砂部分取代河砂作為混凝土細(xì)骨料配制C40混凝土，研究了鐵尾礦砂對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)論如下：

①隨著鐵尾礦砂摻比的增加，混凝土拌合物的坍落度和流動(dòng)性逐漸變差，這與鐵尾礦砂較大的需水量比有關(guān)，針對(duì)鐵尾礦砂的需水量比較大的特點(diǎn)，可以進(jìn)一步開展工作；

②鐵尾礦砂的加入會(huì)促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度的增長，鐵尾礦砂摻量30%時(shí)，混凝土7d強(qiáng)度增加20%以上，隨著鐵尾礦砂摻比的增加，28d強(qiáng)度呈略微降低趨勢，但是總體變化不大；

③利用鐵尾礦砂用作混凝土細(xì)骨料生產(chǎn)混凝土，可以降低混凝土的成本，同時(shí)有利于促進(jìn)固體廢棄物的資源化，提升其利用價(jià)值。