摻鐵尾礦蒸壓混凝土的性能

耿真真 ，李宏巖 ，趙飛

（1.重慶化工職業(yè)學(xué)院 重慶 400000；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 新鄭 451150）

目前建筑行業(yè)估計每年約有幾十億噸水泥材料用于制備商品混凝土，會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-2]。為此國家提出了綠色、可持續(xù)發(fā)展的方針，要求商品混凝土不僅具有高強度和耐久性，還要滿足可持續(xù)、綠色發(fā)展的基本要求，故研究出高效綠色環(huán)保的高性能混凝土是建筑材料發(fā)展的方向之一；該綠色建筑材料主要是指在建筑材料的生產(chǎn)、使用和廢棄整個過程中，都要最大限度地減少對資源和能源的消耗，同時盡量避免污染自然環(huán)境[3-4]。

在近些年研究綠色建筑材料的研究成果中，開始利用礦山尾礦作為混凝土的集料，控制天然砂石料的開采，且盡可能對廢棄混凝土材料進行再回收循環(huán)利用[5]。因此，在制備高性能綠色混凝土的同時，也解決了尾礦綜合利用問題。國內(nèi)學(xué)者在制備綠色建筑材料方面取得以下成果：宋少民等[6]通過在水泥熟料中摻加鐵尾礦微粉制備低熟料膠凝材料，得到了在鐵尾礦微粉摻量為20%時材料的各項性能達(dá)到較佳。石磊等[7]為了研究尾礦細(xì)度和摻量對蒸壓混凝土性能的影響，從宏觀和微觀分析了不同細(xì)度和摻量釩鈦磁鐵礦尾礦是如何影響混凝土試樣的耐久性。黃澤軒等[8]通過正交實驗得到了較優(yōu)鐵尾礦砂摻量、減水劑摻量和水灰比的鐵尾礦混凝土配合比，進而結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)實驗得到混凝土在抗凍融和抗硫酸鹽侵蝕性實驗中微觀結(jié)構(gòu)的破壞機理。程云虹等[9]研究高硅型鐵尾礦混凝土力學(xué)性能時，發(fā)現(xiàn)了鐵尾礦的摻加雖然可以有效提升混凝土的強度，隨著摻量不斷增大混凝土的抗碳化性能卻不斷下降，但是仍可以滿足建筑使用要求。本文將采用鐵尾礦來制備鐵尾礦蒸壓混凝土，分析混凝土蒸壓制備和養(yǎng)護階段的水化機理，進而分析蒸壓混凝土的力學(xué)性能與耐久性，為拓寬鐵尾礦的綜合利用途徑提供依據(jù)。

1 原材料

1.1 鐵尾礦

所選用的尾礦砂取自北京首鋼密云尾礦砂尾礦區(qū)。該尾礦X-射線熒光分析表明，其化學(xué)成分為58.87% SiO2、17.46% Al2O3、7.49% Fe2O3、9.72%MgO、5.21% CaO、0.35% SO3、0.48% Na2O 和0.42%K2O。

1.2 其他混凝土摻料

所用普通硅酸鹽水泥型號為P.O 42.5，其基本性質(zhì)為初凝時間為2.36 h，終凝時間為3.42 h，安定性合格，燒失量為2.50%、細(xì)度為3.32%。所用石灰性能為消化溫度為99.12 ℃，消化時間為4.72 min，游離CaO 含量為88.97%。減水劑為聚羧酸鹽高效減水劑，其固含量為25%。粉煤灰取自當(dāng)?shù)氐幕鹆﹄姀S，含水量為0.29%，燒失量為3.52%，細(xì)度為90.58%。

2 鐵尾礦蒸壓混凝土特性實驗

2.1 水泥摻量對混凝土強度和坍落度的影響

在研究水泥摻量對鐵尾礦混凝土性能影響的實驗中，固定以下條件：混凝土的水灰比為0.40，減水劑用量為0.25%（相對于水泥質(zhì)量的百分比），河砂用量為487 kg/m3，石子用量為1 385 kg/m3，鐵尾礦砂替代河砂摻量為20%，粉煤灰用量為225 kg/m3。水泥用量分別取為391、442、506、551 和594 kg/m3。實驗結(jié)果見圖1。

圖1 水泥摻量對混凝土抗壓強度和坍落度的影響Fig.1 Effect of cement content on strength and slump of autoclaved concrete

由圖1（a）可知，隨著水泥摻量的增多混凝土的坍落度變化規(guī)律呈現(xiàn)出先快速增大后穩(wěn)定增大的趨勢，這是由于當(dāng)混凝土的水灰比確定后，當(dāng)混凝土中水泥摻量的不斷增大會導(dǎo)致用水量的增大和骨料摻量的減少，進而使得混凝土的流動性能更好。由圖1（b）可知，隨著水泥摻量的增多混凝土的28 d 抗壓強度變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這是由于較低水泥摻量混凝土在攪拌和成型過程中漿液的流動性較差，導(dǎo)致成型后混凝土內(nèi)部不密實；當(dāng)水泥的摻量過多時，水灰比不變則用水量也增大，而過量水在蒸發(fā)過程中混凝土內(nèi)部帶來了大量的孔隙，最終導(dǎo)致混凝土的強度下降。綜合經(jīng)濟性和試樣強度選擇水泥用量為551 kg/m3。

2.2 粉煤灰摻量對混凝土強度和坍落度的影響

在研究粉煤灰摻量對鐵尾礦混凝土性能影響的實驗中，固定以下條件：混凝土的水灰比為0.40，減水劑用量為0.25%（相對于水泥質(zhì)量的百分比），河砂用量為487 kg/m3，石子用量為1 385 kg/m3，水泥用量取為551 kg/m3，鐵尾礦砂替代河砂摻量為20%。粉煤灰用量分別取為201、210、225、249 和272 kg/m3。實驗結(jié)果見圖2。

圖2 粉煤灰摻量對鐵尾礦混凝土抗壓強度和坍落度的影響Fig.2 Effect of fly ash dosage on strength and slump of autoclaved concrete

由圖2（a）可知，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，混凝土坍落度先快速增大后趨于平穩(wěn)變化的趨勢，這是由于在粉煤灰中存在的活性物質(zhì)玻璃態(tài)微珠，在混凝土攪拌過程中起到了“潤滑”作用，使得混凝土內(nèi)部顆粒之間的摩擦力減小，進而使得混凝土的流動性變好。由圖2（b）可知，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，混凝土抗壓強度先減小后增大的趨勢，這是由于粉煤灰中存在的活性物質(zhì)相對于其他摻料較小，抑制了混凝土水化反應(yīng)的速度與產(chǎn)生水化產(chǎn)物的量，進而使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)作用不強，最終導(dǎo)致混凝土的抗壓強度開始下降；但是隨著粉煤灰摻量持續(xù)增大，混凝土發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物也越多，這些水化產(chǎn)物充填在混凝土內(nèi)部，改變了混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，進而使得混凝土的強度有所提升。綜合經(jīng)濟性和試樣強度選擇粉煤灰用量為225 kg/m3。

2.3 鐵尾礦摻量對混凝土強度和坍落度的影響

在鐵尾礦摻量對鐵尾礦混凝土性能影響的實驗中，固定以下條件：混凝土的水灰比為0.40，減水劑用量為0.25%（相對于水泥質(zhì)量的百分比），河砂用量為487 kg/m3，石子用量為1 385 kg/m3，水泥用量取為551 kg/m3，粉煤灰用量為225 kg/m3。鐵尾礦砂替代河砂摻量分別為0、10%、20%、30%和40%。實驗結(jié)果見圖3。

圖3 鐵尾礦摻量對鐵尾礦混凝土抗壓強度和坍落度的影響Fig.3 Effect of iron tailings dosage on strength and slump of autoclaved concrete

由圖3（a）可知，隨著鐵尾礦砂摻量不斷增大，混凝土坍落度的變化規(guī)律整體呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，這是由于在水泥砂漿和水灰比一定的情況下，隨著鐵尾礦砂用量的增大水泥砂漿無法全部將骨料顆粒包裹，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部顆粒之間的摩擦力增大，進而拌合混凝土的流動性也不斷下降。由圖3（b）可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增多混凝土的28 d 抗壓強度變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這是由于鐵尾礦砂的粒徑較小，可以很好地填充在混凝土內(nèi)部孔隙中，不但改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)性，也很好地改變了混凝土漿液的流動性，進而隨著尾礦砂摻量的增大混凝土的強度逐漸提升，但是隨著鐵尾礦摻量的不斷增大，使得混凝土在水泥用量固定條件下，水泥無法包裹大量的鐵尾礦砂，導(dǎo)致了混凝土顆粒之間的粘結(jié)性下降，進而混凝土的強度出現(xiàn)了下降。綜合經(jīng)濟性和試樣強度選擇鐵尾礦砂摻量為20%。

2.4 減水劑摻量對混凝土強度和坍落度的影響

在減水劑摻量對鐵尾礦混凝土性能影響的實驗中[10-12]，固定以下條件：混凝土的水灰比為0.40，河砂用量為487 kg/m3，石子用量為1385 kg/m3，水泥用量取為551 kg/m3，粉煤灰用量為225 kg/m3，鐵尾礦砂替代河砂摻量為20%。減水劑用量為0.15%、0.20%、0.25%和0.40%（相對于水泥質(zhì)量的百分比）。實驗結(jié)果見圖4。

圖4 減水劑摻量對混凝土的抗壓強度和坍落度的影響Fig.4 Effect of water-reducing agent dosage on strength and slump of autoclaved concrete

由圖4（a）可知，隨著減水劑摻量不斷增大，混凝土坍落度整體呈現(xiàn)出增大的趨勢，這是由于減水劑的增多使得混凝土漿液更加分散，以及加速破壞了水化漿液的結(jié)構(gòu)性和凝聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在混凝土內(nèi)部游離水水分增多，進而提升了混凝土的流動性能。由圖4（b）可知，隨著減水劑摻量不斷增大，混凝土抗壓強度呈現(xiàn)出先小幅度增大后減小的趨勢，這是由于當(dāng)減水劑摻量較小時，隨著減水劑摻量的摻加在增大混凝土流動性的同時，也縮短了混凝土內(nèi)部顆粒之間接觸，使得混凝土材料更容易發(fā)生水化反應(yīng)，進而在減水劑摻量較小時隨著摻量的增大，混凝土的強度出現(xiàn)了較小幅度的提升，但是當(dāng)減水劑摻量較大時，隨著減水劑摻量不斷增大它加速破壞了水化漿液的結(jié)構(gòu)性和凝聚結(jié)構(gòu)，同時液態(tài)水的增多在后期混凝土硬化過程中蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的孔隙，進而在減水劑摻量較大時隨著摻量的增大，混凝土的強度出現(xiàn)了下降的變化規(guī)律。綜合經(jīng)濟性和試樣強度選擇減水劑摻量為0.20%。

2.5 蒸壓時間和蒸壓壓力對混凝土強度的影響

在蒸壓時間和壓力影響混凝土強度的實驗中，固定以下條件：混凝土的水灰比為0.40，河砂用量為487 kg/m3，石子用量為1385 kg/m3，水泥用量取為551 kg/m3，粉煤灰用量為225 kg/m3，鐵尾礦砂替代河砂摻量為20%，減水劑用量為0.20%（相對于水泥質(zhì)量的百分比）。實驗結(jié)果見圖5。

圖5 蒸壓時間和蒸壓壓力對混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Effect of autoclaved time and autoclaved pressure on strength of concrete

由圖5 可知，隨著蒸壓時間的延長，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這是由于蒸壓時間越大更能激發(fā)鐵尾礦砂內(nèi)部礦物成分的活性，使得混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)更徹底，生成的晶體和凝膠的含量也越多，這有效提升了混凝土的強度，但是蒸發(fā)時間繼續(xù)增大后混凝土內(nèi)部的水化產(chǎn)物會轉(zhuǎn)變?yōu)閱螇A水化硅酸鈣，該物質(zhì)的強度和黏結(jié)性能都要弱于水化產(chǎn)物的，故混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了下降。但是隨著蒸壓壓力的增大，混凝土的抗壓強度也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這是由于蒸壓壓力越大可以加快混凝土內(nèi)部礦物成分的水化反應(yīng)，也加速了鈣質(zhì)和硅質(zhì)顆粒的溶解速率，使得產(chǎn)生水化產(chǎn)物的速率更快以及產(chǎn)生水化產(chǎn)物更多，使得混凝土的強度得到大幅度提升，但是隨著蒸壓壓力的持續(xù)增大產(chǎn)生水化產(chǎn)物的強度開始降低，故混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了下降。綜合經(jīng)濟條件和強度因素，選擇混凝土蒸壓壓力為0.8 MPa，蒸壓時間為5 h。

2.6 不同蒸壓時間作用下的混凝土的DSC 曲線

選擇混凝土蒸壓壓力為0.8 MPa，設(shè)定蒸壓時間為1、3、5 和7 h，來分析蒸壓養(yǎng)護階段混凝土的DSC 曲線變化規(guī)律，見圖6。

由圖6 可知，在同一溫度蒸壓下隨著蒸壓時間的延長，混凝土的DSC 曲線卻不斷下降。蒸壓時間為1 h 的DSC 曲線在400～500 ℃區(qū)間出現(xiàn)一個較為明顯的波谷，而其他蒸壓時間作用下的DSC 曲線卻未出現(xiàn)波谷，造成這種現(xiàn)象原因可能是由于在蒸壓1 h 時，混凝土內(nèi)部的大部分氫氧化鈣已經(jīng)通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氧化鈣，還有少量氫氧化鈣殘余在混凝土內(nèi)部，但是隨著蒸壓時間的增長，殘余的氫氧化鈣也通過化學(xué)反應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為氧化鈣，進而蒸壓時間超過1 h 的DCS 曲線均未在400～500 ℃區(qū)間出現(xiàn)波谷。而在溫度為800℃左右時DSC 曲線均出現(xiàn)了放熱峰值，且隨著蒸壓時間的增長峰值越不明顯。

3 結(jié)論

（1）綜合考慮經(jīng)濟性和試樣抗壓強度，選擇水泥用量為551 kg/m3、鐵尾礦砂摻量為20%、粉煤灰用量為225 kg/m3和減水劑摻量為0.20%。在上述綜合指標(biāo)作用下，測定混凝土的抗壓強度為61.13 MPa。

（2）隨著減水劑摻量不斷增大，混凝土坍落度呈現(xiàn)出增大的趨勢，這是由于減水劑的增多使得混凝土漿液更加分散，以及加速破壞了水化漿液的結(jié)構(gòu)性和凝聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在混凝土內(nèi)部游離水水分增多，進而提升了混凝土的流動性能。

（3）蒸壓時間越長更能激發(fā)鐵尾礦砂內(nèi)部礦物成分的活性，使得混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)更徹底，生成的晶體、凝膠的含量也越多，這有效提升了混凝土的強度。

（4）蒸壓時間為1 h 的DCS 曲線在400～500 ℃區(qū)間出現(xiàn)一個較為明顯的波谷，而其他蒸壓時間作用下的DCS 曲線卻未出現(xiàn)波谷。