鐵尾礦砂取代天然砂對混凝土滲透性的影響

白潤山 王秋燕卜娜蕊張煜

（1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口075132；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075132）

0 引言

鐵尾礦是我國主要堆存的大宗固廢，其利用率僅僅只有7%。為提高尾礦利用率，國家制定了《關(guān)于加快推動工業(yè)資源綜合利用的實施方案》，力爭大宗工業(yè)固廢綜合利用率達(dá)到57%，加快推進(jìn)尾礦（共伴生礦）綜合利用水平有效提高[1]。目前，鐵尾礦砂在建筑材料中的應(yīng)用研究較多，但主要都集中在其參與制備的混凝土力學(xué)性能方面，關(guān)于抗?jié)B性能方面的研究較少。因此，本文將通過試驗探討鐵尾礦砂摻量等因素對混凝土抗?jié)B性能的影響。

1 鐵尾礦砂在建筑材料中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

為實現(xiàn)大宗工業(yè)固廢綜合利用率目標(biāo)，業(yè)內(nèi)開展了諸多研究，Karthikeyan.B等[2]將鐵尾礦粉末代替水泥，顆粒中部分中等粒徑代替砂子制備混凝土，得出結(jié)論為當(dāng)鐵尾礦的取代率為30%時，混凝土的拉伸彎曲性能最佳。T.I.Ugama等[3]用鐵尾礦替換細(xì)骨料制備35級的混凝土，經(jīng)研究得知當(dāng)鐵尾礦砂替換達(dá)到20%時，混凝土28d的力學(xué)性能指標(biāo)與普通混凝土相似，抗壓強度為43.67MPa、抗拉強度為2.69MPa。田耀剛等[4]用鐵尾礦砂代替石英砂，標(biāo)養(yǎng)后，鐵尾礦砂RPC混凝土28d抗壓強度和抗拉強度分別為117.5MPa和24.2MPa。徐永澤等[5]將鐵尾礦砂取代部分混凝土細(xì)骨料，在水灰比為0.41、水泥為320kg/m3、砂率為35%、粉煤灰摻量為20%以及鐵尾礦砂摻量為60%~70%的配合比下，得到該混凝土的抗壓強度可達(dá)普通混凝土的95%，彈性模量可達(dá)普通混凝土的74%。李壯等[6]以鐵尾礦砂直接作細(xì)骨料，常溫狀態(tài)下，較河砂混凝土而言，相同用水量鐵尾礦砂混凝土強度升高延性降低。姚雷等[7]用級配優(yōu)化后的混合砂制備混凝土，研究得出此混凝土的和易性較普通混凝土有所下降，C30級的混合砂混凝土立方體抗壓強度略高于普通混凝土。劉文燕等[8]利用鐵尾礦砂替換天然砂，當(dāng)鐵尾礦砂取代率為40%的混合砂制備混凝土，其工作性能和力學(xué)性能最優(yōu)，且抗?jié)B性能和普通混凝土基本一致。Gayana Bangalore Chinnappa等[9]以礦渣代替水泥和鐵尾礦代替細(xì)骨料制備混凝土，制備水灰比為0.35，鐵尾礦砂摻量為40%的混凝土抗壓強度可達(dá)到70MPa。李玥等[10]也按照Gayana Bangalore Chinnappa的鐵尾礦代替細(xì)骨料方法制備鐵尾礦砂泡沫混凝土，研究得知當(dāng)取代率為40%質(zhì)量損失較??；摻入的鐵尾礦砂越多，鐵尾礦砂泡沫混凝土的力學(xué)性能損失越小。從上述研究中得出，鐵尾礦中石英具有較強的硬度，鐵尾礦的化學(xué)組成與天然砂成分相似，且粒徑大小接近于天然砂和機制砂，將鐵尾礦砂和天然砂混合后的混合砂性能優(yōu)于河砂。因此，將鐵尾礦產(chǎn)品用于建筑材料中不僅達(dá)到大量消耗鐵尾礦的目的，且具有改善混凝土性能的作用。

從上述研究中可以了解到，鐵尾礦砂取代細(xì)骨料制備混凝土的研究大都集中在力學(xué)性能方面，關(guān)于抗?jié)B性能方面的研究較少，極大地限制了該類混凝土的應(yīng)用。因此，本文通過鐵尾礦砂先逐級篩分再按級混合后，取代天然砂制備混凝土，采用逐級加壓法的試驗方法，根據(jù)試驗結(jié)果探討鐵尾礦砂摻量等因素對混凝土抗?jié)B性能的影響。

2 鐵尾礦砂混凝土抗?jié)B性能試驗

2.1 試驗材料

（1）水泥。水泥選用的是河北省張家口市金隅水泥廠的普通硅酸鹽水泥，等級為P·O42.5，出廠符合《通用硅酸鹽水泥》[11]（GB 175-2007）標(biāo)準(zhǔn)要求，物理性能見表1。

表1 水泥的物理性能

（2）硅灰—微硅粉。硅灰采用河南省鉑潤鑄造材料有限公司微硅粉，SiO2含量為98.4%，灼燒減量為1.48%，比表面積21m2/kg，Cl-含量為0.01%，需水量比112%，28d活性指數(shù)為105%，經(jīng)檢測含量均在合格要求范圍內(nèi)。

（3）砂子。砂子選用張家口市天然河砂，松散堆積密度為1450kg/m3,表觀密度為2580kg/m3,級配Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)為2.5，泥塊含量1.7%，含泥量3%，吸水率7.2%。

（4）鐵尾礦砂。鐵尾礦砂選用張家口市宣化區(qū)紅草溝礦場修復(fù)的鐵尾礦砂，松散堆積密度為1520kg/m3,表觀密度為2730kg/m3,細(xì)度模數(shù)為2.4，級配Ⅱ區(qū)，含泥量3.9%，泥塊含量0.5%，吸水率9.1%。

（5）普通碎石。采購自張家口市某碎石廠。

（6）奈系減水劑。奈系減水劑取用河南省某公司生產(chǎn)。

（7）聚丙烯纖維。聚丙烯纖維采用山東鈞瑜建筑材料有限公司，均勻分散，無并絲，無團(tuán)結(jié)，安全無毒。物理性能見表2。

表2 聚丙烯纖維物理性能

（8）水。水取用張家口市飲用水。

2.2 試件制作與試驗方法

2.2.1 試件制作

如今，經(jīng)明宏親手推出的家政項目，完全可以形成一個家政服務(wù)矩陣，業(yè)務(wù)范圍涉及成都、德陽、綿陽、重慶等川渝20余個城市。在18年的摸索中，家道家政經(jīng)歷了兩個重要的轉(zhuǎn)變。

將鐵尾礦中砂取代部分天然河砂制作強度為C30的鐵尾礦砂復(fù)合骨料混凝土，對低等級混凝土的耐久性影響更為顯著[12]。查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料后，確定水膠比分別為0.45，鐵尾礦砂取代率分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%，砂率分別為35%、38%、40%。試件制作步驟：

（1）將各組試驗所需干料按照配合比計算出重量稱重；

（2）加入全部干料干拌30s，注意聚丙烯纖維要放在這些集料中間；

（3）加入70%的水?dāng)嚢?min；

（4）加入剩余的拌合水，攪拌2~3min至混凝土混合均勻；

（5）先在塑料試模內(nèi)壁涂一層機油，將試模牢牢地固定在振動臺上，啟動振動臺，待混凝土表面出現(xiàn)乳漿為止。在振動臺上的振動時間盡可能不超過90s，振動結(jié)束后用刮刀刮去多余混凝土，待收漿后用鏝刀抹平，使得未成型混凝土上表面略低于塑料試模上邊緣1~2mm最佳，做好試件組別標(biāo)注；

（6）用鋼絲刷刷去兩端面水泥漿膜，將裝有混凝土的模具放到養(yǎng)護(hù)室，24h后拆模，做好試件標(biāo)注；

（7）將成型的試件放到標(biāo)養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)28d。

試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50082-2009）[13]中規(guī)定的逐級加壓法進(jìn)行，計算每組試件的抗?jié)B等級。試件是一個圓臺體，其尺寸上表面直徑為175mm、下表面直徑為185mm、高度為150mm，試驗儀器為HP-4.0自動加壓混凝土滲透儀?；炷恋目?jié)B等級應(yīng)以每組6個試件中有4個試件未出現(xiàn)滲水時的最大水壓力乘以10來確定。混凝土的抗?jié)B等級應(yīng)按下式計算：

式中：P——混凝土抗?jié)B等級；

H——6個試件中有3個試件滲水時的水壓力，MPa。

2.3 試驗配合比設(shè)計

鐵尾礦砂取代率水平為6，砂率水平為3，各因素水平不一致，用allpairs混合正交表設(shè)計試驗方法。試驗配合比見表3。

表3 混凝土配合比（單位：kg/m3）

3 抗?jié)B性能試驗結(jié)果與分析

3.1 鐵尾礦砂摻量對混凝土抗?jié)B性能的影響

圖1是混凝土抗?jié)B性能隨鐵尾礦砂摻量的變化圖。由圖1可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土抗?jié)B等級總體呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。當(dāng)鐵尾礦砂摻量由20%增加到30%時，混凝土的抗?jié)B等級隨取代率的增加逐漸上升；當(dāng)取代率由30%逐漸增加到40%時，混凝土抗?jié)B等級幾乎沒有變化；當(dāng)取代率由40%上升到50%時，抗?jié)B等級增幅變大。當(dāng)摻量為50%時，混凝土抗?jié)B等級達(dá)到最大值，從抗?jié)B等級角度而言，此時的混凝土抗?jié)B性能最佳。當(dāng)鐵尾礦砂摻量由50%逐漸增到60%時，混凝土抗?jié)B等級下降，與30%摻量時相等；當(dāng)鐵尾礦砂摻量由60%繼續(xù)增加到70%時，混凝土抗?jié)B等級急劇下降。

圖1 鐵尾礦砂摻量對混凝土抗?jié)B等級的影響

當(dāng)混凝土抗?jié)B等級處于上升階段時，此時的鐵尾礦砂摻量較低，鐵尾礦的細(xì)粉末提供活性成分，起到膠凝材料的作用。水泥中的鋁酸三鈣（C3A）和鐵尾礦細(xì)粉水化后生成鈣礬石（AFt），釋放大量的熱，促進(jìn)硅酸二鈣（C2S）和鐵鋁酸四鈣（C4AF）以及整個材料體系水化。隨著水化時間增加，水化產(chǎn)物增多，鈣礬石晶體變大，各種水化產(chǎn)物相互交織、搭配形成致密性高的混凝土結(jié)構(gòu)體系。鐵尾礦砂與水化產(chǎn)物二次反應(yīng)生成諸多CAH10和C-S-H凝膠，進(jìn)入混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸填充其空隙或界面裂縫，堵塞住滲水通道，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部密實性增強，抗?jié)B等級逐漸增強。當(dāng)鐵尾礦砂摻量達(dá)到50%時，剛好達(dá)到最優(yōu)顆粒級配，鐵尾礦砂顆粒正好填充骨料之間空隙、骨料與膠凝材料之間的孔隙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系致密性達(dá)到最佳，因此，抗?jié)B等級最好。隨著鐵尾礦砂摻量的增加，未發(fā)生反應(yīng)的鐵尾礦砂也逐步增多，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)水泥石變得不緊密，結(jié)構(gòu)致密性下降，形成一定量的過水通道，導(dǎo)致混凝土抗?jié)B等級下降。因此，就抗?jié)B等級而言，50%鐵尾礦砂摻量的混凝土抗?jié)B等級最好。

3.2 砂率對混凝土抗?jié)B性能的影響

由圖1可知，混凝土抗?jié)B等級在鐵尾礦砂摻量小于50%時處于上升階段，在大于50%摻量后處于下降階段，可以初步判斷鐵尾礦摻量的大小對混凝土抗?jié)B性能變化趨勢影響大。因此，在研究砂率對混凝土抗?jié)B性能影響時將鐵尾礦分為兩類，一類是IOT1低鐵尾礦砂摻量，摻量小于50%；一類是IOT2高鐵尾礦砂摻量，摻量大于50%。

圖2是混凝土抗?jié)B性能隨砂率增加的變化圖，由圖2可知，隨著砂率的增加，IOT1的抗?jié)B等級緩慢上升，IOT2的抗?jié)B等級迅速下降。IOT1在砂率為38%～40%時，抗?jié)B等級最佳；IOT2砂率為35%時抗?jié)B等級最好，說明不論是IOT1還是IOT2，此時的砂率形成的混合砂顆粒級配最優(yōu)，混合砂可以充分填充空隙。對于IOT1，砂率較大時抗?jié)B等級最好，原因在于當(dāng)鐵尾礦砂摻量較低，天然砂組分較多，為了有足夠量的鐵尾礦砂與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，需要適當(dāng)增大鐵尾礦砂總量，因此，在較高砂率時表現(xiàn)出良好抗?jié)B性能。對于IOT2，砂率較小時抗?jié)B最好，是因為IOT2的鐵尾礦砂摻量本身就較高，已經(jīng)有足夠量的鐵尾礦砂與水泥形成水化產(chǎn)物填充微裂紋，隨著砂率的增加，混合砂總量增加，未反應(yīng)的鐵尾礦砂增加，導(dǎo)致體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)骨架不夠致密，孔隙增大，形成滲水通道，抗?jié)B等級下降。因此，砂率為35%時高鐵尾礦砂摻量的混凝土抗?jié)B等級最佳，砂率為38%~40%時低鐵尾礦摻量的混凝土抗?jié)B等級最好。

圖2 砂率對混凝土抗?jié)B等級的影響

4 結(jié)束語

（1）混凝土抗?jié)B等級隨鐵尾礦砂摻量增加先增加后下降，在摻量為50%時達(dá)到最佳抗?jié)B等級。

（2）混凝土抗?jié)B等級在低鐵尾礦砂摻量時隨砂率增加而增加，在高鐵尾礦砂摻量時隨砂率增加而下降，IOT1在38%~40%砂率達(dá)到最佳抗?jié)B等級，IOT2在35%砂率抗?jié)B等級最好。

（3）綜合考慮鐵尾礦利用率，建議鐵尾礦砂摻量取50%，砂率取35%時的混凝土抗?jié)B等級最佳。