鐵尾礦砂對(duì)C50混凝土力學(xué)性能的影響

王玉雅 ，韓守杰 ，韓欣 ，莊園 ，張衡

（1.商丘工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 商丘 476000；2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

尾礦屬于選礦后的廢棄物，是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)累計(jì)堆存尾礦600億t以上，年產(chǎn)出量達(dá)到了16億t，而尾礦綜合利用率僅為18.9%，絕大多數(shù)尾礦尚未被綜合利用[1]。如此大量廢棄物會(huì)對(duì)庫存周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，并使得一些山區(qū)荒漠化嚴(yán)重[2]。多年來，礦山固體廢物堆存導(dǎo)致次生地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，也給社會(huì)帶來了極大的損失[3]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外尾礦的處理方式主要是堆棄、作為道路路基填料或制磚[4-9]。近年來，將尾礦砂作為細(xì)集料制備混凝土已受到學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注[10-11]，但該研究尚處于探索階段，尤其是尾礦砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律仍值得進(jìn)一步探討。為提高尾礦綜合利用率和附加值，本文將鐵尾礦篩分，然后將其摻入混凝土中取代部分天然砂，以研究鐵尾礦在混凝土應(yīng)用中的可行性，并探討鐵尾礦砂取代率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：南京中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥。

細(xì)集料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.3，屬中砂。

粗集料：六合產(chǎn)玄武巖碎石，最大粒徑31.5 mm，公稱最大粒徑26.5 mm。

水：自來水。

減水劑：鎮(zhèn)江特密斯混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，減水率35%。

鐵尾礦砂：選用南京江寧區(qū)吉山鐵尾礦庫，干密度2767 kg/m3，吸水率3.07%，比表面積415 m2/kg，鐵尾礦砂的顆粒級(jí)配見表1，主要化學(xué)成分見表2。

表1 鐵尾礦的顆粒級(jí)配

表2 鐵尾礦砂的主要化學(xué)成分 %

由表1、表2可知，鐵尾礦砂顆粒較細(xì)，顆粒粒徑主要集中在0.075～0.6 mm，級(jí)配較差，細(xì)度模數(shù)為0.94，屬特細(xì)砂；鐵尾礦砂中氧化物主要是 SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO，屬于堿性集料。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)及測(cè)試方法

將鐵尾礦砂按不同比例取代天然砂，研究鐵尾礦砂取代率對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量的影響，C50混凝土配合比如表3所示。

表3 不同鐵尾礦砂取代率的C50混凝土配合比

按JTGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》成型、制備混凝土試樣，測(cè)試抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵尾礦砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見表4）

表4 鐵尾礦砂取代率對(duì)C50混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可見，不同鐵尾礦砂取代率的混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而提高，其規(guī)律與未摻鐵尾礦砂的基準(zhǔn)組相似。隨著鐵尾礦砂取代率的增加，C50混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低；當(dāng)鐵尾礦砂取代率為20%時(shí)，C50混凝土的7、28、60、90 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相差不大，較基準(zhǔn)組僅分別降低了6.9%、0.3%、2.1%和0.5%；當(dāng)鐵尾礦砂取代率增大至40%時(shí)，各齡期抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了17.4%、5.1%、8.0%和8.0%；而當(dāng)鐵尾礦砂取代率繼續(xù)增大至60%時(shí)，各齡期抗壓強(qiáng)度則較基準(zhǔn)組分別降低了20.1%、9.3%、9.3%和10.4%。

這是因?yàn)椋阂环矫?，鐵尾礦砂的顆粒粒徑比天然河砂小，其微集料填充效應(yīng)較為顯著，可在一定程度上提高混凝土的致密性和強(qiáng)度；另一方面，由于鐵尾礦砂中含泥量較高，且其顆粒較不規(guī)則，當(dāng)摻量較多時(shí)，容易導(dǎo)致骨料與漿體分離而產(chǎn)生離析現(xiàn)象，從而降低鐵尾礦砂混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)鐵尾礦砂取代率為20%時(shí)，由于鐵尾礦砂微集料填充效應(yīng)所帶來的增強(qiáng)效果與其含泥量增加造成的抗壓強(qiáng)度損失基本相當(dāng)，使得其抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相差不大；而當(dāng)鐵尾礦砂取代率繼續(xù)增大至40%和60%時(shí)，含泥量增加造成的強(qiáng)度損失高于微集料填充效應(yīng)所帶來的增強(qiáng)效應(yīng)，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度顯著降低。

2.2 鐵尾礦砂對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響（見表5）

表5 鐵尾礦砂取代率對(duì)C50混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由表5可見，不同鐵尾礦砂取代率的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而提高，其規(guī)律與未摻鐵尾礦砂的基準(zhǔn)組相似。隨著鐵尾礦砂取代率的增加，C50混凝土各齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸降低；當(dāng)鐵尾礦砂取代率為20%時(shí)，C50混凝土的7、28、60、90 d劈裂抗拉強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)組，僅分別降低了0.5%、3.4%、4.0%和4.1%；當(dāng)鐵尾礦砂取代率增大至40%時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了5.2%、9.9%、8.4%和7.3%；而當(dāng)鐵尾礦砂取代率繼續(xù)增大至60%時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了7.1%、11.6%、12.6%和9.7%。與對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相似。

2.3 鐵尾礦砂對(duì)混凝土彈性模量的影響（見表6）

表6 鐵尾礦砂取代率對(duì)C50混凝土彈性模量的影響

由表6可見，不同鐵尾礦砂取代率的混凝土彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而提高，其規(guī)律與未摻鐵尾礦砂的基準(zhǔn)組相似。隨著鐵尾礦砂取代率的增加，C50混凝土各齡期的彈性模量均逐漸降低，但降幅較??；當(dāng)鐵尾礦砂取代率為20%時(shí)，C50混凝土的7、28、60、90 d彈性模量略低于基準(zhǔn)組，僅分別降低了0.3%、0.5%、0.8%和0.5%；當(dāng)鐵尾礦砂取代率增大至40%時(shí)，其彈性模量較基準(zhǔn)組分別降低了3.8%、2.4%、1.9%和1.6%；而當(dāng)鐵尾礦砂取代率繼續(xù)增大至60%時(shí)，其彈性模量較基準(zhǔn)組則分別降低了4.6%、3.7%、4.0%和4.2%。

2.4 鐵尾礦砂對(duì)混凝土拉壓比的影響

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比（拉壓比）是反應(yīng)混凝土脆性指標(biāo)的重要參數(shù)。表7給出了不同鐵尾礦砂取代率下C50混凝土拉壓比隨齡期的變化趨勢(shì)。

表7 不同鐵尾礦砂取代率下C50混凝土拉壓比

由表7可見，對(duì)于基準(zhǔn)組混凝土，其拉壓比隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而緩慢增大，60 d后拉壓比基本保持不變。而20%～60%鐵尾礦砂取代率的C50混凝土拉壓比隨齡期大致呈先減小后增大趨勢(shì)，其7 d拉壓比高于基準(zhǔn)組混凝土，28 d時(shí)拉壓比最低，且低于基準(zhǔn)組混凝土，而后再逐漸增大，28 d后其拉壓比與基準(zhǔn)組混凝土相近。

3 結(jié)論

（1）不同鐵尾礦砂取代率下混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)規(guī)律與基準(zhǔn)組混凝土相似，但隨著鐵尾礦砂取代率的增加，不同養(yǎng)護(hù)齡期下C50混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出一定程度的降低。

（2）當(dāng)鐵尾礦砂取代率為20%時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)齡期下C50混凝土的力學(xué)性能與基準(zhǔn)組相差不大。

（3）基準(zhǔn)組混凝土的拉壓比隨齡期延長(zhǎng)緩慢增大，而20%、40%和60%鐵尾礦砂取代率的C50混凝土拉壓比隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)呈先減小后增大趨勢(shì)，28 d后其拉壓比與基準(zhǔn)組混凝土的相近。