鐵尾礦砂混凝土的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

牟志財 呂南 張雙成

摘要：對鐵尾礦砂混凝土的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行研究前，先稱重再生粗骨料和附加水的質(zhì)量，再將其按照比例依此添加到混凝土中仔細(xì)混合，最后加入含有水還原劑的水，并攪拌180s，然后記錄不同鐵尾礦砂添加下的混凝土抗壓性能以及抗折性能。實驗結(jié)果表明：通過增加鐵尾礦砂摻量的總含量，混凝土抗壓及抗折強度均呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢。鐵尾礦砂摻量的總含量為620g/cm3時，混凝土的抗壓強度達(dá)到38.34MPa的最大值，同時抗折強度達(dá)到34.92MPa的最大值。鐵尾礦砂替代天然砂比例不宜過大，以620g/cm3為最佳。

關(guān)鍵詞：鐵尾礦砂；混凝土；結(jié)構(gòu)力學(xué)；性能研究

0? ?引言

城市建筑的迅速更新與發(fā)展，導(dǎo)致了老建筑遭到破壞，大型建筑垃圾就此產(chǎn)生并堆積，這將成為改善城市環(huán)境的一大問題。礦產(chǎn)資源是人類發(fā)展所必需的，但在中國尾礦的有效利用率很低，由此導(dǎo)致大量尾礦堆積。尾礦的過度堆積可能會導(dǎo)致安全風(fēng)險，如環(huán)境污染等[1]。一些研究者對這一問題進(jìn)行研究和分析，為廢物的再利用提出新的想法[2]。胡建林等[3]對加工混凝土砂進(jìn)行軸壓試驗，分析了加工粗骨粒炭、海砂氯離子置換率，對試樣破壞特性和力學(xué)變形指標(biāo)的總體影響。有人將鐵尾礦砂用于替換一些天然砂，以鐵尾礦砂為細(xì)集料，通過混凝土試驗和立方體抗壓強度試驗，研究了鐵礦砂置換速度對混凝土力學(xué)性能的影響。

合理應(yīng)用整體尾礦，可以減少尾礦沉積和生產(chǎn)帶來的各種問題，符合中國近年來支持的可持續(xù)發(fā)展，也可以減少建筑材料的使用[4]。為確保改良鐵尾砂混凝土的力學(xué)性能和路用性能符合相關(guān)規(guī)范的要求，有必要改變鐵尾礦砂的非有機(jī)結(jié)合材料，以確保鐵尾礦砂具有良好的流動性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、內(nèi)部顆粒附著和壓縮性。本文將鐵尾礦砂作為主要成分，添加水泥和添加劑作為不同強度等級的尾礦混凝土，探索不同強度水平下的不同基本力學(xué)特性和特定可持續(xù)性。

1? ?材料與方法

1.1? ?實驗準(zhǔn)備

1.1.1? ?分析材料主要參數(shù)

本實驗所需的鐵尾礦砂是在遷安唐山地區(qū)生產(chǎn)的。鐵尾礦砂表面為棱角較多且深白色，鐵尾礦砂的含水率為4.04%，密度為28803kg/m3。鐵尾礦砂礦物組成和氧化物含量如表1所示[5]。從表1中可以看出，遷安地區(qū)鐵尾礦砂中SiO2的含量高達(dá)71.8%。

鐵尾礦砂礦物組成如表2所示，鐵尾礦砂的粒度分布如表3所示。本研究水泥采用秦嶺牌P·O42.5R級水泥，水泥性能如表4所示。

1.1.2? ?材料選取

本試驗中使用的礦物粉末，為唐山韓城工業(yè)園區(qū)金石鉆探有限公司提供的一種有活性的甜粉末，它通過濕干、冷凍等技術(shù)獲得。除了特定的礦物粉末外，還需要準(zhǔn)備骨料。骨料具有以下性能：一是可節(jié)省約20%的水泥劑量，顯著降低綜合成本。二是提高混凝土的最新受力。三是有效提高比暴露量，降低水化熱。四是 提高混凝土的耐腐蝕性。

1.1.3? ?試驗主要設(shè)備準(zhǔn)備

浙江省上虞市的一家快速生產(chǎn)廠提供了新的標(biāo)準(zhǔn)平方根砂石墻。壁管的邊長分別為4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15mm，振動儀器的具體參數(shù)如表5所示。

1.2? ?鐵尾砂混凝土配合比設(shè)計

為了更加直觀的對比鐵尾砂混合量對混凝土性能的影響，現(xiàn)設(shè)置6組不同鐵尾砂含量的鐵尾砂混凝土配比。為后續(xù)的對比實驗提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具體如表6所示。

1.3? ?試驗方法

在測試混凝土壓力之前，首先將再生粗骨料和附加水仔細(xì)混合并稱量。之后，將其加入到混合器中，最后，加入含有水還原劑的水，干燥并攪拌60s。攪拌后，插入100mm×100mm×100mm的混合物模具，48h后開始降解，并攪拌180s分開。

拆除樣品后，必須立即在溫度（20±2）℃、相對濕度超過90%的28天標(biāo)準(zhǔn)空間內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本研究通用試驗機(jī)（WDW-100V）將壓力和柔性試驗分配到混凝土中[6]。混凝土的力學(xué)特性，應(yīng)按照《混凝土性質(zhì)物理力學(xué)特性試驗方法》（GBT50088—2019）的規(guī)定，進(jìn)行測量。本實驗中進(jìn)行的試樣為標(biāo)準(zhǔn)試樣，使用3個樣本計算每個試樣組的平均值。

2? ?實驗結(jié)果分析

2.1? ?鐵尾礦砂對混凝土的抗壓強度分析

鐵尾礦砂對混凝土抗壓強度的影響如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，鐵尾礦砂中混凝土抗壓強度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。加工粗骨粒的總含量為620g/cm3時，混凝土抗壓強度達(dá)到最大值38.34MPa。分析認(rèn)為，這主要是因為在整體缺乏加工水情況下，仍有少量自由水，相當(dāng)于混凝土的“內(nèi)部水平效應(yīng)”，強度的損失可能與加工后的總廢料斷裂過程有關(guān)。置換系數(shù)在620g/cm3到630g/cm3之間時，混凝土內(nèi)部的骨架較為致密。

2.2? ?鐵尾礦砂對混凝土抗折強度的影響分析

鐵尾礦砂對混凝土的抗壓強度影響如圖2所示。

從圖2可以看出，鐵尾礦砂作為一種細(xì)骨料，隨著其摻量的提高，混凝土抗折強度增加有所改變，先是出現(xiàn)升高現(xiàn)象然后逐漸降低，之后隨著鐵尾礦砂摻量的增加，其抗折強度逐漸降低。鐵尾礦砂摻量為620g/cm3時，立方體抗折強度高達(dá)34.92MPa。鐵尾礦砂和再生石子的結(jié)合增加了混凝土的抗折強度，從而增加了混凝土后期抗折強度。

3? ?實驗結(jié)果討論

隨著鐵尾礦砂摻量的增加，鐵尾礦砂中混凝土抗壓強度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。加工鐵尾礦砂的總含量為620g/cm3時，混凝土抗壓強度達(dá)到最大值38.34MPa。隨著鐵尾礦砂摻量的提高，混凝土抗折強度先是出現(xiàn)升高現(xiàn)象然后逐漸降低，之后隨著鐵尾礦砂摻量的增加，其抗折強度逐漸降低。鐵尾礦砂為620g/cm3時，立方體抗折強度高達(dá)34.92MPa。

4? ?結(jié)束語

合理應(yīng)用鐵尾礦砂，可以減少鐵尾礦砂沉積和生產(chǎn)帶來的各種問題，符合中國近年來支持的可持續(xù)發(fā)展，也可以減少建筑材料的使用本文分析了鐵礦砂的化學(xué)成分、礦物成分及其性能，并在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整不同原材料的比例，獲得了不同水平的鐵尾礦砂和混凝土強度。分析鐵尾礦砂對混凝土的抗壓強度影響、抗折強度影響，對提高尾礦的整體利用率是非常有益的。

參考文獻(xiàn)

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[2] 胡建林，高鵬飛，張玉龍.凍融循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥? ? ? ??土強度及變形特性研究[J].森林工程，2022，38（5）：121-127+136.

[3] 胡建林，高鵬飛，崔宏環(huán)，等.鐵尾礦砂水泥土強度特性及固化機(jī)理研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，54（3）：338-344.

[4] 曹港豪，蹇守衛(wèi)，魏博，等.鐵尾礦砂基環(huán)氧樹脂透水材料力學(xué)性能及界面特性研究[J].硅酸鹽通報，2022，41（7）：2384-2392.

[5] 王民，閻爽，李亞威.細(xì)鐵尾礦砂和養(yǎng)護(hù)條件對高強堿激發(fā)砂漿力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].硅酸鹽通報，2022，41（6）：2082-2089+2116.

[6] 張立群，周輝，張學(xué)峰等.基于星點設(shè)計-響應(yīng)面法的摻RAP和鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石配比優(yōu)化[J].三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，44（1）：67-73.