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)
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。
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。
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。
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。
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。
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%。
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。
(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。