鐵尾礦砂混凝土基本性能研究進展

惠婧，謝群，陳濤，趙鵬

（濟南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，山東 濟南 250022）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，對混凝土的需求量越來越大，河砂的大量無序開采導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，多個城市已明令禁止開采河砂。與此同時，各地礦山開采產(chǎn)生了大量的尾礦，以鐵尾礦為代表的尾礦堆積會造成土地浪費、環(huán)境污染、危及人身安全等問題[1-3]。鐵尾礦是鐵礦提取后產(chǎn)生的砂礫狀固體廢棄物。研究表明[4-5]，鐵尾礦砂（Iron Ore Tailings，IOT）具有顆粒小、形狀不規(guī)則、多棱角、片狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)等特點。鐵尾礦砂與天然砂的形貌對比如圖1所示[6]?？梢钥闯?，天然砂基本為不規(guī)則的圓形結(jié)構(gòu)，而鐵尾礦砂較天然河砂有更多棱角，可增大與粗骨料之間的摩擦力，從而達到提高混凝土強度的效果。

圖1 鐵尾礦砂與河砂的形貌對比

鐵尾礦是一種復(fù)合型礦物原料，主要化學(xué)成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO，另有少量鉀、鈉、硫、鈦、磷等氧化物，主要礦物組成為石英、赤鐵礦、白云石、長石等[7-8]。鐵尾礦由于產(chǎn)地和加工工藝不同，礦物組成有所區(qū)別，不同產(chǎn)地鐵尾礦的化學(xué)成分與天然河砂對比見表1。

表1 不同地區(qū)鐵尾礦的化學(xué)成分 %

由表1可以看出，鐵尾礦中Fe2O3含量較天然河砂高，但其余成分含量與天然河砂相似，說明鐵尾礦砂具備替代天然河砂制備混凝土的先決條件。采用鐵尾礦砂替代河砂作為細(xì)骨料制備混凝土，既可解決天然河砂緊缺的問題，確保基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的使用需求，又能實現(xiàn)鐵尾礦砂回收再利用，起到節(jié)能環(huán)保、資源循環(huán)的效果[4]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對鐵尾礦砂混凝土的基本性能開展了深入研究，研究結(jié)果和工程應(yīng)用均表明，鐵尾礦砂可以替代天然河砂、機制砂制備混凝土，且性能與普通混凝土相近。

1 鐵尾礦砂替代率對混凝土性能的影響

1.1 對混凝土流動性的影響

混凝土的和易性包括流動性、黏聚性和保水性等，當(dāng)鐵尾礦作為混凝土摻合料時，易產(chǎn)生離析、泌水等現(xiàn)象。由于鐵尾礦具有吸水性，當(dāng)其含量過高時，混凝土坍落度會減小。鐵尾礦砂替代率對混凝土坍落度的影響如圖2所示[9-15]。

圖2 鐵尾礦砂替代率對混凝土坍落度的影響

由圖2可見，由于不同地區(qū)的鐵尾礦砂成分、粒徑與內(nèi)部裂縫狀態(tài)均不同，因此隨著鐵尾礦砂替代率的增加，鐵尾礦砂混凝土的坍落度呈現(xiàn)先增大后減小和逐漸減小2種趨勢。

（1）坍落度先增大后減小。Jiang等[9]研究表明，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為30%時，混凝土的坍落度較未摻鐵尾礦砂的混凝土增大了21.9%，而當(dāng)替代率增加至60%時則減小了50.0%。劉文燕等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為40%時，鐵尾礦砂混凝土的坍落度最大，較未摻鐵尾礦砂的混凝土增大了20.6%；當(dāng)鐵尾礦砂替代率達到50%時，坍落度僅增大了17.7%。張玉琢等[11]研究表明，鐵尾礦砂替代率為50%時，混凝土坍落度較未摻鐵尾礦砂的混凝土增大了8.8%；而替代率為100%時，坍落度較替代率為50%時減小了10.8%，較未摻鐵尾礦砂的混凝土減小了2.9%。坍落度隨鐵尾礦砂替代率增加而增大的原因為：由于鐵尾礦砂粒徑小，能夠起到填充空隙、改善級配、降低空隙率、增加密實度的作用，因此需水量減小，釋放出更多的游離水，從而出現(xiàn)坍落度增大的現(xiàn)象。

（2）坍落度逐漸減小。Tian等[12]研究表明，鐵尾礦砂替代率為45%時，坍落度較未摻鐵尾礦砂的混凝土減小了14.35%，但均大于150 mm。姚雷等[13]研究發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦砂替代率為60%時,坍落度較未摻鐵尾礦砂的混凝土減小了12.5%。王雪等[14]研究表明，當(dāng)鐵尾礦砂替代率達到100%時，坍落度較未摻鐵尾礦砂的混凝土減小了16.9%。Shettima等[15]研究表明，鐵尾礦砂替代率達到100%時，坍落度較未摻鐵尾礦砂的混凝土減小了38%。坍落度隨著鐵尾礦砂替代率增加而減小可歸因于：①由于鐵尾礦砂粒徑較小，當(dāng)替代率較大時，混合砂的粒徑過小，比表面積增大，需水量增加，游離水減少，增大了骨料間摩擦力，從而導(dǎo)致坍落度減小；②鐵尾礦砂表面粗糙、多棱角，使得顆粒之間有機械鎖結(jié)作用，當(dāng)替代率過大時，摩阻力也較大，造成坍落度減??；③由于機械破碎造成鐵尾礦砂的內(nèi)部產(chǎn)生很多微裂縫，微裂縫會吸收部分水分，游離水減少，導(dǎo)致坍落度減小。

1.2 對混凝土強度的影響

1.2.1 對抗壓強度的影響

抗壓強度是混凝土最重要的性能指標(biāo)之一，學(xué)者們在鐵尾礦砂替代率對混凝土抗壓強度的影響方面進行了大量的研究[9-10，12，15-23]，如圖3所示，鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度隨鐵尾礦砂替代率的增加大致呈現(xiàn)降低-提高-降低趨勢。在當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，進一步整理出鐵尾礦砂混凝土抗壓強度較普通混凝土的提高率（按平均值計算得出）與鐵尾礦砂替代率的關(guān)系如圖4所示。

圖3 鐵尾礦砂替代率對混凝土抗壓強度的影響

圖4 鐵尾礦砂替代率與抗壓強度提高率的關(guān)系

由圖4可見，抗壓強度總體變化過程可分為3個階段：（1）替代率為0～10%時，抗壓強度提高率呈減小趨勢，當(dāng)替代率為10%時，抗壓強度較普通混凝土降低3.87%；（2）替代率為10%～30%時，抗壓強度提高率呈增大趨勢，當(dāng)替代率為30%時，抗壓強度較普通混凝土提高5.25%；（3）替代率為30%～100%時，抗壓強度提高率呈減小趨勢，當(dāng)替代率為100%時，抗壓強度較普通混凝土降低13.25%。研究結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，鐵尾礦砂的最佳替代率為20%～40%，最佳替代率下，抗壓強度較普通混凝土平均提高9.18%；而當(dāng)替代率最大時，抗壓強度較普通混凝土平均降低7.99%，較最大值平均下降17.17%。

表2 不同鐵尾礦砂替代率下的抗壓強度變化

分析鐵尾礦砂混凝土抗壓強度隨鐵尾礦砂替代率的增加而提高原因有以下幾點：（1）鐵尾礦砂中高濃度鐵的存在會對抗壓強度產(chǎn)生積極影響[23]；（2）替代率較小時，小粒徑的鐵尾礦砂可以填充細(xì)骨料間空隙，且鐵尾礦砂水化程度較大，一定程度上提高混凝土的致密性、增大水泥石的密實度，使混凝土抗壓強度有所提高[9，15，18]；（3）鐵尾礦砂粗糙多棱角的表面提高了砂粒間摩擦力，并改善與骨料之間的粘結(jié)，導(dǎo)致抗壓強度提高[6，24]。

當(dāng)混凝土中鐵尾礦砂替代天然砂比例過小或過大時，抗壓強度隨鐵尾礦砂替代率增加而下降的原因為：（1）鐵尾礦砂替代率的增加導(dǎo)致有害孔隙的增多[12]；（2）鐵尾礦砂顆粒粗糙、多棱角、內(nèi)摩擦力較大，鐵尾礦砂替代率較低時起主要作用的細(xì)骨料是普通砂，鐵尾礦砂與普通砂之間的摩擦力較差；鐵尾礦砂替代率較高時，容易導(dǎo)致骨料與漿體分離產(chǎn)生離析現(xiàn)象，此時強度損失大于填充效應(yīng)帶來的增強效應(yīng)，導(dǎo)致抗壓強度降低[22]；（3）鐵尾礦砂替代率較多時，鐵尾礦砂占據(jù)了細(xì)骨料的大部分，此時粒徑介于普通細(xì)骨料與磨細(xì)的鐵尾礦砂之間，使細(xì)骨料的總表面積變大，需水量增加，但鐵尾礦砂活性尚未被完全激發(fā)，需要較多的漿體填充和包裹，在鐵尾礦砂逐漸增多后水化產(chǎn)物減少，導(dǎo)致強度降低；（4）鐵尾礦剛度與硬度較天然砂小，因此會降低強度[17]。

1.2.2 對劈裂抗拉強度的影響

混凝土軸心抗拉強度通常采用直接拉伸試驗方法測得，但直接拉伸試驗存在不易對中、試驗復(fù)雜、離散性大等問題，而劈裂抗拉強度試驗簡單且易于操作，因此學(xué)者們大多開展鐵尾礦砂混凝土的劈裂抗拉強度試驗[9，11，15-16，21-22]，結(jié)果如圖5所示。

圖5 鐵尾礦砂替代率對混凝土劈裂抗拉強度的影響

由圖5可見，劈裂抗拉強度隨著鐵尾礦砂替代率的增加呈現(xiàn)先提高后降低與逐漸降低2種趨勢。

（1）劈裂抗拉強度先提高后降低。鐵尾礦砂替代率為20%～30%時，劈裂抗拉強度的增幅較大，較普通混凝土平均提高29.76%；當(dāng)鐵尾礦砂替代率繼續(xù)增加，劈裂抗拉強度開始降低，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為50%～60%時，劈裂抗拉強度與普通混凝土相當(dāng)。

（2）劈裂抗拉強度逐漸降低。當(dāng)鐵尾礦砂替代率達到最大時，劈裂抗拉強度較普通混凝土平均降低15.72%。研究結(jié)果如表3所示。

表3 不同鐵尾礦砂替代率下的劈裂抗拉強度提高率

由表3可見，鐵尾礦砂最佳替代率為20%～30%，劈裂抗拉強度較普通混凝土平均提高29.76%，而當(dāng)替代率達到最大時，劈裂抗拉強度較普通混凝土平均降低0.91%，較最佳替代率下降30.67%。

分析混凝土劈裂抗拉強度提高的原因為：鐵尾礦砂粒徑較小，較小的尾礦顆粒充當(dāng)水泥，增強了骨料和水泥基體之間的粘結(jié)[25-26]。但隨著鐵尾礦砂替代率的增加，混凝土的劈拉強度逐漸降低是因為：（1）混凝土內(nèi)部出現(xiàn)大量的針狀晶體，骨料之間的粘結(jié)度下降；（2）鐵尾礦砂的替代率超過了最優(yōu)顆粒級配，使混凝土又產(chǎn)生了一些微孔隙、內(nèi)部密實度有所降低，從而使強度降低；（3）鐵尾礦砂剛度與硬度較天然砂低，且在制作過程中機械破損使壓碎指標(biāo)大于天然砂[11，17，27]。鐵尾礦砂混凝土比普通混凝土脆，因此在工程使用中要多加注意。

1.2.3 對抗彎強度的影響

目前關(guān)于鐵尾礦砂混凝土抗彎強度的研究不多，鐵尾礦砂混凝土抗彎強度隨鐵尾礦砂替代率的變化如圖6所示[9，16，19，21]，研究結(jié)果如表4所示。

圖6 鐵尾礦砂替代率對混凝土抗彎強度的影響

由圖6可見，抗彎強度隨鐵尾礦砂替代率呈先提高后降低的趨勢，最佳替代率為30%，此時的抗彎強度較普通混凝土平均提高32.02%；隨替代率的繼續(xù)增加，抗彎強度逐漸降低。鐵尾礦砂替代率的增加會增加混凝土的脆性。

由表4可見，除曲立輝[19]的研究結(jié)果外（由于摻加鋼纖維，改變了鐵尾礦砂混凝土最佳替代率），其余研究表明，鐵尾礦砂的最佳替代率為25%～30%，較普通混凝土抗彎強度平均提高41.92%，而當(dāng)鐵尾礦砂替代率達到最大時，劈裂抗拉強度較普通混凝土平均降低10%，較最佳替代率下降31.93%。

表4 不同鐵尾礦砂替代率下的抗彎強度提高率

徐永澤[28]研究表明：隨鐵尾礦砂替代率的增加，混凝土的剛度降低、抵抗彈性變形能力減弱、脆性增強、混凝土更易被破壞。寧寶寬等[29]研究表明，摻入少量鐵尾礦砂的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積與普通混凝土相近，但隨著鐵尾礦砂替代率的增加，曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積逐漸減小，表明混凝土剛度下降，抵抗彈性變形能力減弱，脆性增強。

1.3 對混凝土耐久性的影響

1.3.1 對抗?jié)B性的影響

混凝土的抗?jié)B性是耐久性中最重要的指標(biāo)之一。當(dāng)環(huán)境中的氯離子向混凝土內(nèi)部擴散達到一定濃度時，會引起鋼筋銹蝕，并與混凝土中的水化產(chǎn)物反應(yīng)，造成氯鹽侵蝕[30-31]。目前學(xué)者研究表明，鐵尾礦砂混凝土的抗?jié)B性隨著鐵尾礦砂替代率的增加呈先提高后降低的趨勢。封孝信等[32]的研究表明，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為25%時，相對滲透系數(shù)最小，抗?jié)B性最好。王雪等[14]的研究表明，鐵尾礦砂替代率為20%時抗?jié)B性最好。程和平和陸璐[33]的研究表明，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為20%時混凝土的抗?jié)B性最佳。王寧[34]的研究表明，鐵尾礦砂替代率為60%時抗?jié)B性最佳。Zhao等[17]的研究表明，鐵尾礦砂替代率較小時混凝土的抗?jié)B性有所提高。Tian等[12]的研究表明，鐵尾礦砂替代率為35%的混凝土抗?jié)B性與普通混凝土類似。

抗?jié)B性隨著鐵尾礦砂替代率增加而提高是因為：（1）隨著鐵尾礦砂替代率的增加，混凝土內(nèi)部孔隙被填充，孔徑細(xì)化[32]；（2）鐵尾礦砂與水化產(chǎn)物進行二次化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣可以較好地進入混凝土內(nèi)部的裂隙中，使得混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進一步得到細(xì)化，形成了更加緊密穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并且使得過水通道堵塞，最終提高混凝土的抗?jié)B性。當(dāng)鐵尾礦砂替代率繼續(xù)增加時，抗?jié)B性出現(xiàn)下降的原因為：隨著鐵尾礦砂替代率的進一步增加，此時混凝土內(nèi)部存在大量的未進行化學(xué)反應(yīng)的鐵尾礦砂，導(dǎo)致混凝土骨料級配不均勻，使混凝土中水泥石變得疏松，孔隙結(jié)構(gòu)的整體性下降[14，32]。

1.3.2 對抗凍性的影響

凍融循環(huán)試驗主要是對飽水狀態(tài)下的混凝土在凍融循環(huán)的環(huán)境下來測試混凝土的抗凍性。學(xué)者們對鐵尾礦砂混凝土的抗凍性進行了一定的研究，不同鐵尾礦砂替代率下混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖7所示[14]。

圖7 不同鐵尾礦砂替代率下混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

由圖7可見，鐵尾礦砂替代率對混凝土的抗凍性有一定影響，混凝土的質(zhì)量損失率隨著鐵尾礦砂摻量的增加而增大。凍融循環(huán)次數(shù)相同條件下，鐵尾礦砂替代率為20%、40%、60%、80%、100%時質(zhì)量損失率較普通混凝土分別提高17.16%、39.25%、57.57%、82.03%、98.78%，但質(zhì)量損失率均低于2.5%。

張信龍等[35]通過凍融-酸雨試驗表明，鐵尾礦砂混凝土質(zhì)量損失、動彈性模量、抗壓強度隨鐵尾礦砂替代率的增加而增大。王寧[34]的研究表明，鐵尾礦砂混凝土在10%Na2SO4溶液中，20 d時試件表面出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象，40 d時角部及邊緣掉落，60 d時出現(xiàn)碎石外露、損傷加重、表面裂紋加深現(xiàn)象，80 d時試塊邊緣已完全脫落。腐蝕后試件表面情況如圖8所示。

圖8 鐵尾礦砂混凝土腐蝕后的外觀損傷[34]

2 纖維增強鐵尾礦砂混凝土

以上研究表明，適宜替代率時鐵尾礦砂對混凝土的強度與耐久性均有提升作用，但當(dāng)鐵尾礦砂替代率過高時，會對混凝土產(chǎn)生不利影響，尤其是韌性顯著下降。而纖維可以大幅增強混凝土的力學(xué)性能與耐久性，近年來已有學(xué)者嘗試通過摻入鋼纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、纖維素纖維改善鐵尾礦砂混凝土性能，取得了一定的成果。

魏濤等[16]研究表明，鐵尾礦砂再生混凝土中摻入0.1%PVA纖維后，其抗拉、抗壓、抗折強度均高于C30普通混凝土。Tang等[36]研究表明，摻入聚丙烯纖維能減少鐵尾礦砂混凝土的裂縫。Zhao等[37]研究表明，在50%鐵尾礦砂替代率混凝土中，增大聚丙烯纖維的長徑比可顯著提高劈裂抗拉強度、等效彎曲抗拉強度、殘余彎曲抗拉強度和斷裂能。不同纖維對鐵尾礦砂混凝土力學(xué)性能的影響如表5所示。

由表5可見，不同纖維對鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)性能都有一定程度的提高作用，鋼纖維能使抗彎強度最大提高59.33%、鋼纖維/玄武巖混摻纖維能使抗壓強度最大提高93.09%、彈性模量提高81.78%。

表5 不同纖維對鐵尾礦砂混凝土力學(xué)性能影響

分析纖維提高鐵尾礦砂混凝土力學(xué)性能的原因為：（1）纖維能有效抑制裂縫的發(fā)展并承受部分拉應(yīng)力，從而增強混凝土抗變形能力[38]；（2）混凝土在受力時，纖維能起到橋接膠凝材料和骨料的作用，力會通過纖維單絲傳遞到纖維周圍的基體上，有效地抑制混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴展，裂縫的減少提高了混凝土的強度和耗能能力[38]；（3）纖維分散在混凝土內(nèi)部，由于與水泥漿體之間具有界面摩擦力、機械咬合力，能夠增加混凝土抵抗開裂能力[41]。

3 鐵尾礦砂混凝土構(gòu)件

為推進鐵尾礦砂混凝土的工程應(yīng)用，許多學(xué)者采用鐵尾礦砂混凝土制備梁、板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，研究結(jié)果如表6所示。

表6 鐵尾礦砂混凝土構(gòu)件性能

由表6可見：鐵尾礦砂混凝土梁構(gòu)件的抗剪性能與普通混凝土相似，甚至高于普通混凝土；鐵尾礦砂替代率最大時，抗剪性能下降不超過10%；但鐵尾礦砂替代率對抗彎性能影響較大，當(dāng)鐵尾礦砂替代率最大時，開裂荷載與極限彎矩分別降低35.79%、28.49%。板的各項性能隨鐵尾礦砂替代率的增加也有一定程度的下降，當(dāng)鐵尾礦砂替代率最大時，開裂彎矩與極限彎矩分別下降1.26%、1.39%。柱的抗震性能與普通混凝土相差不大。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

（1）鐵尾礦砂混凝土坍落度隨著鐵尾礦砂替代率的增加出現(xiàn)先增加后減小、逐漸減小2種趨勢，最佳鐵尾礦砂替代率不超過50%，當(dāng)鐵尾礦砂替代率超過50%時，均呈現(xiàn)下降趨勢。

（2）鐵尾礦砂替代率對混凝土抗壓強度影響為降低-提高-降低的趨勢。在0～10%鐵尾礦砂替代率時，抗壓強度呈下降趨勢，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為10%時，抗壓強度較普通混凝土下降3.87%；在10%～30%替代率時，抗壓強度隨鐵尾礦砂替代率的增加呈提高趨勢，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為30%時，抗壓強度較普通混凝土提高5.25%；30%～100%鐵尾礦砂替代率時，抗壓強度隨鐵尾礦砂替代率的增加逐漸降低，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為100%時，抗壓強度較普通混凝土下降13.25%。

（3）劈裂抗拉強度隨著鐵尾礦砂替代率的增加呈現(xiàn)先提高后降低與逐漸降低2種趨勢。第1種趨勢時，鐵尾礦砂替代率為20%～30%時劈裂抗拉強度的增幅較大，較普通混凝土平均提高29.76%；第2種趨勢時，當(dāng)鐵尾礦砂替代率達到最大時，劈裂抗拉強度較普通混凝土平均降低15.72%。

（4）抗彎強度隨鐵尾礦砂替代率的增加呈先提高后降低的趨勢，鐵尾礦砂最佳替代率為30%，此時抗彎強度較普通混凝土平均提高32.02%，且鐵尾礦砂的摻入會增加混凝土的脆性。

（5）鐵尾礦砂混凝土的抗凍性隨鐵尾礦砂替代率的增加而降低；抗?jié)B性隨鐵尾礦砂替代率的增加先提高后降低，但鐵尾礦砂的摻入對混凝土的耐久性影響不大。

（6）在鐵尾礦砂混凝土中摻入一定量的纖維，可以大幅度提高混凝土的抗拉、抗彎性能，且可以一定程度改善混凝土的耐久性。

（7）鐵尾礦砂混凝土構(gòu)件破壞模式、承載力與普通混凝土相似，但延性較差。

4.2 展望

針對當(dāng)前研究存在的問題和不足，未來鐵尾礦砂混凝土研究與應(yīng)用還需重點關(guān)注以下方面：

（1）由于產(chǎn)地差異造成鐵尾礦破碎加工方式各不相同，對其混凝土基本性能有較大影響，今后可深入研究鐵尾礦砂破碎工藝，以保證其活性、外觀與粒徑大小。

（2）為解決鐵尾礦砂混凝土抗裂性較差的問題，采用纖維混雜方式可作為提高韌性的有益嘗試。

（3）目前對于鐵尾礦砂混凝土構(gòu)件的研究集中在靜力性能，未來應(yīng)進一步開展抗震、抗火、沖擊、腐蝕等極端服役環(huán)境下結(jié)構(gòu)性能研究。