铁尾矿砂石对C50混凝土性能的影响

郝晋高、杜利鹏

摘要

利用铁尾矿砂石完全取代天然砂和碎石，配制C50混凝土，重点研究铁尾矿砂石对混凝土的工作性、强度、抗冻性能和抗渗性能的影响。研究结果表明：铁尾矿砂石混凝土7d强度较普通混凝土降低6.6%，28d强度较普通混凝土增长1%；铁尾矿砂石混凝土的抗冻性、抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能均优于普通混凝土。

关键词：铁尾矿；抗冻性；抗渗性

矿产资源是社会发展重要的物质基础，我国有超过80%以上的原材料来自于矿产资源。随着工业化的发展，矿产资源的需求大幅增加，但同时由于矿产资源开发技术水平的制约，我国矿业生产的尾矿已达到100亿t以上，并呈逐年增加的态势。我国目前堆存尾矿近50亿t，其中堆存的铁尾矿高达十几亿t，占全部尾矿堆存总量的1/3。同时我国铁尾矿的利用率很低，不到10%，所以，如何实现铁尾矿的综合利用，已经成为许多学者共同关注的问题。目前，国内的很多学者已经开展了大量的铁尾矿综合利用的研究，如铁尾矿可用于水泥胶凝材料、混凝土、加气混凝土、建筑砂浆等。而且《建设用卵石、碎石》（GB/T14685—2011）规定混凝土中可以用矿山废石生产的碎石，这进一步扩大了铁尾矿的应用范围。该实验在前人研究成果的基础上采用铁尾矿砂石取代混凝土中粗细集料，研究铁尾矿砂石对混凝土力学性能、抗冻性、抗渗性的影响，为铁尾矿砂石在混凝土中的应用提供数据支撑。

1 原材料

1.1 水泥

水泥为冀东普通硅酸盐水泥P.O42.5，其物理力学性能见表1。

表1 试验用水泥的物理力学性能

1.2 细集料

细集料为天然砂和山西运城铁尾矿砂。天然砂细度模数2.9，含泥量2.2%，泥块含量1.0%，坚固性质量损失率6%，筛分结果见表2；铁尾矿砂细度模数2.8，含泥量2.8%，泥块含量0.8%，坚固性质量损失率7%，筛分结果见表3。

表2 天然砂筛分结果

注：累计筛余规定值为Ⅱ区。

表3 尾矿砂筛分结果

注：累计筛余规定值为Ⅱ区。

1.3 粗集料

粗集料为石灰岩碎石和山西运城铁尾矿石。碎石含泥量0.7%，泥块含量0.4%，针片状颗粒含量3.7%，吸水率0.5%，坚固性质量损失率6%，筛分结果见表4，压碎指标11.2%；尾矿石含泥量0.3%，泥块含量0.1%，针片状颗粒含量2.8%，吸水率0.8%，坚固性质量损失率4%，压碎指标8.8%，筛分结果见表5。

表4 石灰岩碎石筛分结果

表5 尾矿石筛分结果

从表4和表5看出，石灰岩碎石为5～25mm连续级配；尾矿石为16～25mm单粒级级配，19.0mm以上颗粒偏多，16.0mm以下颗粒偏少。

1.4 粉煤灰

粉煤灰为山西神头Ⅰ级粉煤灰，需水量比93%，细度8.1%，烧失量3.0%，含水量0.3%，三氧化硫0.4%。

1.5 矿粉

矿粉为星原集团水泥建材公司S95级矿粉，比表面积452平方米每千克，7d活性指数81%，28d活性指数101%，流动度比108%，烧失量0.11%，密度2.87克每平方厘米，三氧化硫0.62%。

1.6 减水剂

减水剂为山西康特尔高性能减水剂，减水率28%，氯离子含量0.04%，总碱量1.91%，pH值6.89。

1.7 拌合水

拌合及养护用水均为自来水。

2 试验方法及配合比设计

分别用普通碎石和铁尾矿石作粗集料、以天然河砂和铁尾矿砂作细集料，用粉煤灰和矿粉取代部分水泥，按固定水胶比配制混凝土，研究铁尾矿砂石对混凝土工作性、力学性能和耐久性能的影响，试验配合比见表6。试验方法依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080—2002）测试混凝土工作性；依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）测试混凝土抗压强度；依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009）测试混凝土抗冻性、抗渗性。

表6 尾矿砂石对混凝土性能的影响

3 试验结果分析

3.1尾矿集料对混凝土工作性能及抗压强度的影响

表7 尾矿砂及尾矿石对混凝土工作性能及抗压强度的影响

从表7中可以看出，在配合比相同的情况下，尾矿砂混凝土的坍落度小于普通混凝土，尾矿石混凝土的坍落度与普通混凝土接近。原因可能是天然砂颗粒粒型较好，使得天然砂混凝土拌合过程中黏滞阻力较小；而尾矿砂颗粒表面较为粗糙、多棱角，拌合黏滞阻力增大，坍落度减小。同样原因也导致尾矿砂混凝土有轻微离析情况，由于尾矿砂表面粗糙、多棱角、颗粒间机械咬合力大，使得拌合物流变性能较差，容易出现浆体和骨料的分离，导致离析。含气量结果也反映出类似情况，由于尾矿砂颗粒粒型的原因，在尾矿混凝土拌合过程，相比普通混凝土拌合困难，更难将空气裹入拌合物中，导致含气量降低。从表7还可以看出，尾矿砂石混凝土与普通混凝土强度相当。编号1和编号4相比，尾矿砂石混凝土7d强度较普通混凝土低，降低幅度达6.6%，而28d强度已经与普通混凝土强度相当，甚至有少量增幅，为1%；编号1和编号3相比，无论7d和28d强度都没有太大变化，即尾矿砂对混凝土的强度影响基本不大。分析以上原因，可能是由于尾矿砂石由于表面结构粗糙，导致吸水率变大，进一步降低了水胶比改善了混凝土内部界面结构，同时由于尾矿石母岩强度较普通碎石高，导致后期强度尾矿砂石混凝土有不小的增幅。

3.2尾矿集料对混凝土抗冻性能的影响

尾矿砂石对混凝土抗冻性能的影响见表8。

表8 尾矿砂石对混凝土抗冻性能的影响%

从表8对比动弹性模量和质量变化率试验结果可知，尾矿砂混凝土抗冻性能优于天然砂石普通混凝土。这是由于尾矿砂吸水率较天然砂吸水率大，减小了拌合物的自由水，改善了尾矿砂石混凝土的界面过渡结构，抗冻性能提高。这也与表7中尾矿砂石混凝土拌合物含气量低的结果一致（含气量低表现在尾矿砂石硬化混凝土内部孔隙率降低，抗冻性能更好）。

3.3 尾矿集料对混凝土抗渗性能的影响

尾矿砂石对混凝土抗渗性能（抗水渗透能力及抗氯离子渗透能力）的影响见表9。

表9 尾矿砂石对混凝土抗渗性能影响

注：抗水渗透能力用渗水高度（mm）表示，抗氯离子渗透能力用电通量（C）表示。

从表9中可知，尾矿砂石混凝土的抗渗水能力和抗氯离子渗透能力稍优于普通碎石混凝土，表明尾矿砂石对混凝土的抗渗能力影响不大，分析原因，一方面低水胶比降低了混凝土内部孔隙率，同时尾矿砂石吸水率较普通混凝土吸水率大，在相同用水量的情况下，减少了自由水，使尾矿砂石混凝土结构更加密实，提高了抗渗性能；另一方面该试验中掺入粉煤灰和矿粉，增加了水化产物的数量，改善了产物形态，各级孔的结构有所改善，降低了氯离子在混凝土内部的扩散性，提高了抗渗性能。

4 结论

a）铁尾矿砂筛选属于中砂偏粗，级配可以满足标准要求；尾矿石筛选后属于16～25mm单粒级级配，19.0mm以上颗粒偏多，16.0mm以下颗粒偏少。

b）铁尾矿砂石颗粒表面形貌粗糙，用尾矿砂配制的混凝土工作性较普通混凝土差，易离析。

c）铁尾矿砂石可以用于C50混凝土的配制，7d抗压强度较普通混凝土略低，28d强度基本接近普通混凝土强度。

d）铁尾矿砂石混凝土抗冻性、抗水渗透能力、抗氯离子渗透能力优于普通混凝土。