某鐵尾礦砂石對混凝土力學(xué)性能的影響研究*

何 芮

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

我國礦山企業(yè)鐵尾礦存量高，需要尾礦庫堆放，繼而產(chǎn)生了占據(jù)大面積土地資源、污染生態(tài)環(huán)境及潰壩安全等問題。建筑工程中常用到的天然骨料，需要經(jīng)過開采才能利用，開采過程中不僅會破壞生態(tài)環(huán)境，污染水源，并且會嚴(yán)重影響河道行洪度汛及堤防安全。同時，因天然骨料產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、含泥量過高、級配不合理等原因，給工程建筑埋下諸多安全隱患。隨著天然骨料開采的深入，逐漸出現(xiàn)了資源枯竭現(xiàn)象，市場上早已處于供不應(yīng)求的狀態(tài)；而鐵尾礦具有材料豐富、成本低廉和綠色環(huán)保等優(yōu)勢，可極大地促進(jìn)固體廢棄物的綜合利用，對鐵尾礦的轉(zhuǎn)化利用具有重要意義。

礦山企業(yè)的廢棄鐵尾礦可取代部分建筑材料，例如破碎后的鐵尾礦石可代替混凝土粗骨料，細(xì)粒鐵尾礦砂可以代替混凝土細(xì)骨料［1］，具有廢物二次利用、節(jié)能環(huán)保等多重效果。陳杏婕等［2］在制備高強(qiáng)度混凝土?xí)r用鐵尾礦石作為粗骨料，研究結(jié)果表明，鐵尾礦石符合Ⅰ級碎石標(biāo)準(zhǔn)，完全可以替代天然砂石粗骨料。黃正均等［3］用鐵尾礦砂作為細(xì)骨料加入混凝土中，得出鐵尾礦砂替代細(xì)骨料的比例為20%時，混凝土的凝結(jié)時間、和易性最優(yōu)，塊體密度最大，耐久性最好。

鐵尾礦砂石是通過專業(yè)設(shè)備制出的符合工業(yè)要求的人造砂石［4］，隨著天然砂石資源的日漸枯竭，工程建設(shè)中對鐵尾礦砂石的需求量將會越來越大。不同地區(qū)的鐵尾礦成分及制成的混凝土性能差異較大。龍巖某礦山企業(yè)為了研究鐵尾礦砂石代替天然骨料后對建筑物的影響，采用5～15 mm 粒級鐵尾礦石代替混凝土粗骨料，采用1～5 mm粒級鐵尾礦砂按0%，25%，50%，75%，100%的比例代替混凝土細(xì)骨料，通過試驗(yàn)研究了鐵尾礦石和不同鐵尾礦砂含量對混凝土抗拉強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和坍落度等指標(biāo)的影響。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括水泥、砂子、鐵尾礦砂、鐵尾礦石及減水劑等，其中水泥選用華潤牌42.5 級普通硅酸鹽水泥（表1），試驗(yàn)用鐵尾礦砂和鐵尾礦石均來源于龍巖某礦山企業(yè)的鐵尾礦，鐵尾礦砂粒徑為1～5 mm，細(xì)度模數(shù)為1.72，各項(xiàng)指標(biāo)見表2，鐵尾礦石粒徑為5～15 mm，各項(xiàng)指標(biāo)見表3。

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鐵尾礦砂石混凝土的物理力學(xué)性能主要受混凝土養(yǎng)護(hù)時間、初始抗壓強(qiáng)度、用水量、水泥消耗量、鐵尾礦砂石摻量等因素的影響，且其性能隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長而增強(qiáng)。由于混凝土的基本性能和質(zhì)量會受多種因素的影響，故此為了保證混凝土的基本性能，需在攪拌混凝土期間加入適量的減水劑，以達(dá)到降低用水量的目的，以此加快混凝土的成型速度。常見混凝土減水劑包括高性能、高效化和普通減水劑，若以組成材料為依據(jù)，減水劑又可分為多環(huán)芳香族鹽類、木質(zhì)素磺酸鹽類和聚羧酸鹽系高效減水劑類等。該試驗(yàn)選擇含氣量3.0%、泌水率比20%、含固量39%、減水率22%的聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

鐵尾礦砂石混凝土的攪拌過程中，利用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢梃F尾礦砂、鐵尾礦石、砂子和水泥等，并運(yùn)用篩分試驗(yàn)儀器和烘箱設(shè)備，進(jìn)行鐵尾礦砂和鐵尾礦石的表觀密度、吸水率、含泥量試驗(yàn)。制作混凝土試件過程中，利用專業(yè)化的工具將拌和物放置于非標(biāo)準(zhǔn)試模內(nèi)，再通過振搗臺振搗密實(shí)，24 h 即可拆除試模，并按照要求對試塊標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)［5］。然后，測定養(yǎng)護(hù)28 d的5組混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度值和彈性模量等。

2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以普通混凝土配合比設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，水灰比統(tǒng)一取0.4，制作5 組混凝土試塊，每組試塊12個。選用鐵尾礦石替代天然粗骨料，鐵尾礦砂等量替代天然細(xì)骨料，摻量分別為0%，25%，50%，75%，100%，試塊分組標(biāo)記為RC-0、RC-25、RC-50、RC-75、RC-100。

配合比設(shè)計(jì)過程中，滿足建筑物耐久性要求、施工和易性要求、強(qiáng)度等級要求，所涉及的參數(shù)為水灰比、減水率及砂率等。具體設(shè)計(jì)流程中確定混凝土配制強(qiáng)度參考公式

式中，fcu，0為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu，k為混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取30 MPa；σ為混凝土骨料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，查《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，取5.0 MPa。

選取水灰比為0.52，結(jié)合使用的鐵尾礦砂骨料特點(diǎn)，摻加1.7%的聚羧酸高性能減水劑，減水率22%，確定用水量以及水泥用量；參考砂石狀態(tài)參數(shù)以及拌和物的和易性能，確定砂率40%；選擇體積法計(jì)算粗、細(xì)骨料的需求量。根據(jù)現(xiàn)有資源科學(xué)化調(diào)整配合比［6］，物料配合比見表4。

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3 鐵尾礦砂石混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 混凝土抗拉性能試驗(yàn)

當(dāng)試塊從中間劈裂后，試塊裂紋形成于外表皮砂漿面，通過不斷增加壓力，裂紋向砂漿、鐵尾礦砂石骨料方向延伸，二者間的黏結(jié)度下降，最終徹底分開，但整個試驗(yàn)期間骨料仍處于完整狀態(tài)?？估阅茉囼?yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1 可見，隨著鐵尾礦砂取代率的不斷提高，試塊劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢［7］；當(dāng)鐵尾礦砂取代率為25%時，劈裂抗拉強(qiáng)度為最大值3.51 MPa；當(dāng)鐵尾礦砂取代率超過25%時，劈裂抗拉強(qiáng)度隨之降低，但均大于普通混凝土的強(qiáng)度，表明鐵尾礦砂石混凝土的抗拉強(qiáng)度符合建筑工程的施工要求。

3.2 混凝土抗壓性能試驗(yàn)

抗壓性能試驗(yàn)主要對5 組試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，觀察立方體和棱柱體的抗壓破壞形態(tài)［8］，抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。

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由表5可知，鐵尾礦砂石混凝土在鐵尾礦石完全取代粗骨料、鐵尾礦砂取代率不同的情況下，鐵尾礦砂石混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度差異化明顯；隨著鐵尾礦砂取代率的增加，抗壓性能呈現(xiàn)先上升后下降的特點(diǎn)；當(dāng)鐵尾礦砂摻量為25%時，立方體試塊處于最大抗壓強(qiáng)度狀態(tài)，為39.89 MPa；當(dāng)取代率分別為0%，50%，75%，100%時，試塊的抗壓強(qiáng)度也大于普通混凝土的強(qiáng)度30 MPa。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為25%時，軸心抗壓強(qiáng)度最高；當(dāng)鐵尾礦砂摻量超過25%時，隨著取代率的增加，軸心抗壓強(qiáng)度隨之降低，但均大于普通混凝土的強(qiáng)度，與立方體抗壓強(qiáng)度變化情況相類似。另外，當(dāng)鐵尾礦砂的摻量較大時，隨著摻量的不斷增加，試塊混凝土強(qiáng)度變化緩慢，主要是由于大量的鐵尾礦砂對砂漿與骨料的黏結(jié)度造成了影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵尾礦砂石混凝土的抗壓強(qiáng)度符合不同建筑工程的施工要求。

3.3 混凝土變形性能試驗(yàn)

參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2016），以棱柱體抗壓強(qiáng)度為依據(jù)，分析試塊彈性模量的變化情況，結(jié)果見表6。

由表6 可知，在不同取代率下，鐵尾礦砂石混凝土試塊的彈性模量變化較為明顯；當(dāng)取代率為75%時，試塊彈性模量的數(shù)值最大，但鐵尾礦砂石混凝土的彈性模量均比普通混凝土的彈性模量小，由此說明鐵尾礦砂石混凝土的變形性能較差，抗震性能較好；如果鐵尾礦砂石混凝土的彈性模量太低，則會不利于混凝土的耐久性，因此需要通過不斷改變水灰比和鐵尾礦砂的取代率，將彈性模量控制在一定范圍內(nèi)，以確保鐵尾礦砂石混凝土的變形性能與普通混凝土相近。

3.4 砂率對混凝土坍落度的影響

試驗(yàn)過程中，應(yīng)考慮泵送混凝土施工的需求以及其他施工因素帶來的影響，提前對鐵尾礦砂進(jìn)行預(yù)濕處理，并加入適量的減水劑，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

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由表7 可知，當(dāng)固定砂率為40%時，混凝土的初始坍落度較大，且隨著時間的延長降低；從輕集料層面分析，砂率的降低需要消耗更多的輕集料，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是水泥水化期間輕集料與水泥漿體形成濕度梯度，加入更多的輕集料則內(nèi)干燥效果顯著；另外，分析鐵尾礦砂石混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量時，需考慮砂率對混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響［9］。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）鐵尾礦石取代混凝土中的粗骨料，當(dāng)摻入不同量的鐵尾礦砂后，試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低，但均大于普通混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)取代率為25%時，劈裂抗拉強(qiáng)度有最大值。

（2）鐵尾礦砂石混凝土相比普通混凝土，立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度都得到了有效改善，其中當(dāng)鐵尾礦砂取代率為25%時，立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度都有最大值。

（3）鐵尾礦砂石混凝土的彈性模量都比普通混凝土的彈性模量更小，說明鐵尾礦砂石混凝土的變形性能較差，抗震性能較好，當(dāng)用于建筑中時，需要通過改變水灰比和鐵尾礦砂的取代率，將彈性模量控制在一定范圍內(nèi)。

（4）分析鐵尾礦砂石混凝土的力學(xué)性能時，砂率的影響不容忽視。

5 結(jié) 語

（1）在天然骨料匱乏且當(dāng)代礦山企業(yè)尾礦庫越來越難受批的背景下，鐵尾礦的回收利用可有效解決資源短缺、尾砂存量高、土地資源占用、生態(tài)環(huán)境污染及潰壩安全等問題。因此，加大對鐵尾礦砂石混凝土的研究力度，對實(shí)現(xiàn)科學(xué)化運(yùn)用鐵尾礦砂石混凝土意義重大。

（2）通過對鐵尾礦砂石混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)可知，相比普通混凝土，鐵尾礦砂石混凝土的抗拉強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度均更高，可滿足不同建筑工程的施工要求；但在使用過程中，需要通過改變水灰比和鐵尾礦砂的取代率，將彈性模量控制在一定范圍內(nèi)，以提高鐵尾礦砂石混凝土的變形性能和耐久性。