改良鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)和耐腐蝕性能研究

程和平，陸璐

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

作為鐵礦石開采的附屬產(chǎn)物鐵尾礦砂，通常會被擱置在開采礦區(qū)周圍或者被運至人跡稀少的地方集中堆放，這些廢棄物不僅對周圍環(huán)境造成了嚴重的污染，也占據(jù)了大量的土地資源，且鐵尾礦砂一般含有放射性或者有毒性物質(zhì)，長期存放會使得這些物質(zhì)經(jīng)過滲透侵入地下水資源以及周圍耕地資源，對周圍居民的生命安全帶來嚴重威脅，甚至?xí)雇恋剡^度硬化，導(dǎo)致該區(qū)域的土地無法進行耕種或者用于建設(shè)[1-2]。如何有效科學(xué)地處理尾礦砂是一個棘手的問題，在國內(nèi)對于尾礦廢棄物的處理主要有以下幾種方法[3-5]：（1）通過壓碎、粉碎和分選；（2）焚燒處理、熱解處理、焙燒處理；（3）將尾礦中有毒有害物質(zhì)進行穩(wěn)定化處理以及將有毒物質(zhì)進行化學(xué)浸出處理。通過以上各種方法提煉出尾礦中有用物質(zhì)，或者將尾礦與混凝土進行摻和制備免燒磚，以及可以通過鐵尾礦和耐火材料的混合制備防火材料等。

本文將采用鐵尾礦砂制備新型混凝土，一方面降低普通混凝土中河砂、石子等天然骨料的使用，避免過度開采石料和砂料造成的水土流失等問題；另一方面也將尾礦廢棄物進行循環(huán)利用，避免尾礦砂大量堆積帶來的污染環(huán)境問題。根本上，響應(yīng)了國家綠色發(fā)展以及建設(shè)綠色生態(tài)的政策，進而完善了綠色建筑的概念以及提升了尾礦廢棄物的價值。同時，通過研究鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)性能和應(yīng)用性能，為后續(xù)鐵尾礦砂混凝土作為建筑材料的使用提供實驗基礎(chǔ)。

1 鐵尾礦砂的基本性質(zhì)

1.1 鐵尾礦砂的成分分析

本次實驗所選用的鐵尾礦砂取自河北唐山灤縣鐵礦，主要含有以下礦物：磁鐵礦、赤鐵礦和假象赤鐵礦，石英和綠泥石等。采用XRF實驗設(shè)備對該尾礦的化學(xué)成分進行分析，得到尾礦砂的化學(xué)組成為SiO2（70.21%）、Fe2O3（18.46%）、Al2O3（7.08%）、CaO（3.34%）、MgO（0.31%）、Na2O（0.39%）和TiO2（0.21%），即該尾礦砂主要成分是二氧化硅和三氧化二鐵，并伴有其他少量的氧化物，故可以將該尾礦砂定義為高硅型鐵尾礦。

1.2 鐵尾礦砂的放射性和有毒性分析

一般尾礦廢棄物中都含有大量有毒、有放射性的物質(zhì)，當將尾礦廢棄物作為建筑材料應(yīng)用于建筑物中時，需要對其放射性進行檢測，保證尾礦放射性滿足國家建筑標準且不會對人體健康造成傷害。根據(jù)《建筑材料用工業(yè)廢渣放射性物質(zhì)限制標準》GB 6763-86[6]以及唐山灤縣鐵礦提供的尾礦放射性檢測結(jié)果（226Ra濃度為0.509 Pci/g、232Th濃度為0.171 Pci/g和40K濃度為9.982 Pci/g）可知，該鐵尾礦砂的放射性物質(zhì)含量符合規(guī)范要求。而該尾礦內(nèi)部的有毒物質(zhì)經(jīng)過檢測后，得到汞、鉛、鎘、銅、砷、硫化物、氟化物以及氰化物等物質(zhì)的含量均小于《危險廢物鑒別標準及浸出毒性鑒別標準》GB 5085.3-1996[7]中的要求，故可以認為該尾礦砂浸出液中各有毒物質(zhì)濃度滿足要求，可放心運用于建筑材料中。

1.3 鐵尾礦砂的燒失量分析

為了對所選用鐵尾礦砂材料的純度和耐火性能進行分析，一般采用燒失量來進行判斷，即

式中：M為燒失量，%；m為烘干后材料質(zhì)量，kg；m1為容器質(zhì)量，kg；m2為容器和灼燒材料質(zhì)量，kg。不同溫度下該鐵尾礦砂的燒失量變化規(guī)律見圖1。

圖1 鐵尾礦砂的燒失量變化規(guī)律Fig. 1 Variation of ignition loss of iron tailings

2 鐵尾礦砂混凝土抗壓強度實驗

2.1 實驗步驟

根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》GB/T 17671-1999[8]可知，抗壓強度實驗所用鐵尾礦砂混凝土的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。混凝土抗壓實驗主要采用WDW-300E型微機控制電子萬能實驗機，在立方體混凝土試樣上端面施加荷載直至試樣破壞為止，得到混凝土試樣的抗壓強度。

2.2 實驗結(jié)果分析

本文設(shè)置了五種不同水灰比（0.35、0.40、0.45、0.50和0.55）以及五種不同鐵尾礦砂摻量（0、10%、20%、30%和40%）。繪制出不同條件下鐵尾礦砂混凝土抗壓強度變化曲線見圖2。

圖2 鐵尾礦砂混凝土抗壓強度變化曲線Fig. 2 Curves of the compressive strength of iron tailings concrete

由圖2可知，隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強度變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在水灰比為0.45時混凝土的抗壓強度達到了最大值，這是由于水灰比的增大使得混凝土砂漿的和易性和拌合性更好，且水灰比越大混凝土內(nèi)部礦物成分發(fā)生的水化反應(yīng)越徹底，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物充填在混凝土孔隙內(nèi)，使得混凝土的結(jié)構(gòu)性更加完整；但是隨著水灰比的持續(xù)增大，混凝土砂漿的保氣性下降，且水分的增多使得砂漿更加稀釋，進而導(dǎo)致混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了下降趨勢[9]。而隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的抗壓強度變化規(guī)律也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦砂摻量為20%時混凝土的抗壓強度達到了最大值，這是由于在鐵尾礦砂摻量小于20%時，隨著鐵尾礦砂摻量的增大，鐵尾礦混凝土中含有的氧化硅和三氧化二鐵等氧化物質(zhì)會與混凝土內(nèi)部其他材料進行反應(yīng)，產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物充填在混凝土內(nèi)部的孔隙中，可以有效地提升鐵尾礦混凝土整體抗壓強度，但是當鐵尾礦砂摻量大于20%時，氧化物質(zhì)雖然與混凝土內(nèi)部其他材料進行反應(yīng)，但是鐵尾礦砂中過量的氧化物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的速度要小于水泥熟料的化學(xué)反應(yīng)速度，使得產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物減少，無法很好地充填在混凝土固體骨架之間，故鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度開始下降[10]。

3 鐵尾礦砂混凝土耐腐蝕性實驗

3.1 實驗步驟

當鐵尾礦砂混凝土用于建筑材料時，混凝土?xí)幱谒嵝曰蛘邏A性環(huán)境中，這會嚴重影響混凝土的力學(xué)性質(zhì)，故需要對混凝土的耐腐蝕性進行研究，保證混凝土的力學(xué)性能和耐久性滿足建筑使用要求。配制不同濃度的硫酸鈉溶液和氫氧化鈉溶液，鐵尾礦砂混凝土的尺寸依然為150 mm×150 mm×150 mm；當混凝土試樣養(yǎng)護28 d之后，對混凝土試樣進行稱重，再將混凝土試樣浸泡在上述兩種溶液中，以每30 d為一個周期，浸泡30 d后取出試樣在自然環(huán)境中放置10 d，以此循環(huán)反復(fù)至4個周期后將混凝土試樣放在室溫條件下自然風干后進行抗壓強度測試，得出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的抗壓強度的變化規(guī)律，此時混凝土的鐵尾礦摻量設(shè)定為20%，水灰比設(shè)定為0.45。在測定完抗壓強度指標之后，將混凝土試樣進行烘干后稱重，計算出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的質(zhì)量損失率。

3.2 實驗結(jié)果分析

繪制出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的抗壓強度的變化規(guī)律見圖3。

圖3 酸堿條件下混凝土的抗壓強度Fig. 3 Concrete compressive strength under acid-base conditions

由圖3可知，隨著浸泡天數(shù)的增大，在堿性溶液浸泡后的混凝土試樣的抗壓強度呈現(xiàn)出下降趨勢，這主要是由于混凝土內(nèi)部原生礦物等物質(zhì)與氫氧根離子會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得水泥土的膠凝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，進而使得鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度急劇下降[11]。而在酸性條件下，隨著浸泡天數(shù)的增大混凝土試樣的抗壓強度也呈現(xiàn)出下降趨勢，酸性離子與混凝土內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的非膠凝產(chǎn)物或者是易溶于水的產(chǎn)物，這使得混凝土表面不斷發(fā)生脫落，造成混凝土試樣由外向內(nèi)的破壞；同時，酸性溶液促使水化硅酸鈣的水解，破壞了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，進而使得混凝土試樣的抗壓強度逐漸降低。但是在酸性溶液浸泡后混凝土的強度要小于堿性溶液浸泡后混凝土的強度，這是由于堿性溶液條件下，混凝土內(nèi)部礦物成分與溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率小于酸性溶液條件下的，且氫氧根離子與水泥中的酸鹽產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鈣，在一定程度上可以提升混凝土的抗壓強度。

繪制出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的質(zhì)量損失率的變化規(guī)律見圖4。

圖4 酸堿條件下混凝土的質(zhì)量損失率Fig .4 Concrete quality loss rate under acid-base conditions

由圖4可知，隨著浸泡天數(shù)的增大，在堿性溶液浸泡后混凝土試樣的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)出下降趨勢，這主要是由于混凝土內(nèi)部原生礦物等物質(zhì)與氫氧根離子會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的沉淀物充填在孔隙中使得微觀結(jié)構(gòu)不斷膨脹，混凝土外部表層出現(xiàn)明顯脫落現(xiàn)象，進而導(dǎo)致混凝土試樣質(zhì)量的損失[12]。而在酸性條件下，隨著浸泡天數(shù)的增大混凝土試樣的質(zhì)量損失率也呈現(xiàn)出下降趨勢，這也是由于酸性離子與混凝土內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的非膠凝產(chǎn)物或者是易溶于水的產(chǎn)物，使得混凝土表面不斷發(fā)生脫落，即隨著浸泡天數(shù)的增大，混凝土的質(zhì)量損失率越來越大。

4 鐵尾礦砂混凝土滲水性能實驗

4.1 實驗方案

根據(jù)達西定律可知[13]，混凝土的滲透系數(shù)K為：

式中：Q為單位時間內(nèi)溢出的水量，cm3/s；A為混凝土的橫截面積，cm2；L為混凝土的厚度，cm；H為水頭差，cm。

4.2 實驗結(jié)果分析

本文設(shè)置了五種不同鐵尾礦砂摻量，來研究不同條件下鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)滲水性能，不同條件下鐵尾礦砂混凝土滲水系數(shù)變化曲線見圖5。

圖5 鐵尾礦砂混凝土滲水系數(shù)變化曲線Fig. 5 Variation law curve of seepage coefficient of iron tailing sand concrete

由圖5可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且當鐵尾礦砂摻入量超過30%時，鐵尾礦砂混凝土的抗?jié)B性能下降，這是由于鐵尾礦顆粒的吸水性能要好于天然砂石材料的吸水性能，當鐵尾礦砂混凝土在初期硬化過程時，混凝土內(nèi)部鐵礦砂中礦物成分與自由水之間的化學(xué)反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物填充在孔隙中，提升了混凝土自身的密實度，進而使得鐵尾礦混凝土的抗?jié)B性能降低[14]。當鐵尾礦砂摻量大于30%時，混凝土內(nèi)部的鐵尾礦砂含量逐漸增多、鐵尾礦砂吸收混凝土內(nèi)部自由水也增多，使得混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)程度減小，進而改變了混凝土內(nèi)部的密實性，最終導(dǎo)致混凝土的滲透系數(shù)增大。

5 鐵尾礦砂混凝土凍融循環(huán)特性實驗

5.1 實驗方案

混凝土凍融循環(huán)實驗中混凝土試樣的尺寸定為100 mm×100 mm標準圓柱形試樣[15]，并將混凝土試樣放置在養(yǎng)護室進行養(yǎng)護28 d后，放置在室溫條件下。凍融循環(huán)實驗的具體步驟為：（1）將養(yǎng)護28 d的鐵尾礦砂混凝土放入清水中浸泡至飽和狀態(tài)；（2）將飽和試樣放置在TDS-300凍融實驗機中進行凍融循環(huán)實驗；（3）本次凍融循環(huán)實驗的消融溫度選取室溫（經(jīng)測定為23.1℃），按照消融溫度將凍結(jié)溫度設(shè)定為-23.1℃，且凍結(jié)和消融的時間都設(shè)定為24 h；（4）循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、100、200、300和400次。分析混凝土在凍融循環(huán)實驗中凍融特性的指標為抗凍系數(shù)B，采用式（3）進行計算。

式中：RC為凍融循環(huán)n次混凝土試樣的抗壓強度，MPa；R為未經(jīng)歷凍融循環(huán)混凝土試樣的抗壓強度，MPa。

5.2 實驗結(jié)果分析

將混凝土的鐵尾礦摻量設(shè)定為20%，水灰比設(shè)定為0.45。繪制出不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下混凝土的抗凍系數(shù)變化規(guī)律以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6。

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與抗凍系數(shù)變化規(guī)律Fig. 6 Stress-strain curve and the change law of frost resistance

由圖6可知，隨著凍融次數(shù)的不斷增大，混凝土的抗壓強度不斷減小且抗凍性指標也不斷減小，這是由于將混凝土浸泡至飽和狀態(tài)后進行凍融循環(huán)實驗，在混凝土的凍結(jié)過程中，其內(nèi)部毛細孔水會由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，使得混凝土的體積開始向外膨脹變形，且混凝土內(nèi)部毛細孔壁受到約束形成的膨脹力也會使孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞[16]；同時，在上述過程中膠凝孔中的未凍結(jié)水由于膨脹力產(chǎn)生遷移和重分布，進而在孔隙內(nèi)部形成新的滲管壓力，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。即當混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，混凝土內(nèi)部的損傷不斷積累，原有微觀裂隙逐漸發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低[17]。

6 結(jié)論

（1）隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強度變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在水灰比為0.45時混凝土的抗壓強度達到較大值，而隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的抗壓強度變化規(guī)律也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦砂摻量為20%時混凝土的抗壓強度達到較大值。

（2）隨著浸泡酸堿溶液天數(shù)的增大，混凝土試樣的抗壓強度呈現(xiàn)出下降趨勢且混凝土的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出增大趨勢。

（3）當鐵尾礦砂摻量大于30%時，混凝土內(nèi)部的鐵尾礦砂含量逐漸增多、鐵尾礦砂吸收混凝土內(nèi)部自由水也增多，使得混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)程度減小，進而改變了混凝土內(nèi)部的密實性，最終導(dǎo)致混凝土的滲透系數(shù)增大。

（4）隨著凍融次數(shù)的不斷增大，混凝土的抗壓強度不斷減小且抗凍性指也不斷減小，說明了混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后內(nèi)部的損傷不斷積累，原有微觀裂隙逐漸發(fā)展成互相連通的裂縫，進而造成了混凝土抗壓強度的降低。