铁尾矿砂自密实混凝土工作性能试验研究

伍 敏 汪秀石

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

1 概述

绿色环保高性能自密实混凝土是未来混凝土材料发展的必然趋势，当前随着经济的快速发展，对于钢铁的需求也迅猛增长。而该种需求直接导致铁矿石的巨大需求，由于铁矿石选矿后会产生大量的铁尾矿废料，对于矿区环境造成严重的破坏，并且威胁着人的生命财产安全。因此，开发利用这些巨大数量的铁尾矿废料成为当前国内各大矿区亟待解决的问题。

对于铁尾矿砂用于配制水泥基混凝土材料，国内学者及工程技术人员进行了一些尝试。蔡基伟等[1]利用铁尾矿砂取代天然砂，研究了铁尾矿砂混凝土的工作性与抗压强度，结果表明利用铁尾矿砂配制的混凝土能够满足工作性和强度方面要求。陈家珑等[2]利用首钢迁安铁尾矿砂配制铁尾矿砂混凝土，试验表明，同等条件下，尾矿人工砂混凝土的抗压强度高于天然砂混凝土。徐宝华等[3]将北京密云铁尾矿粗砂和细砂按照一定比例进行复配，并且完全替代天然砂配制混凝土，试验结果表明，其性能优于天然砂混凝土。何兆芳等[4]研究了以一定比例的尾矿砂代替天然砂制作混凝土，并将其工作性能、力学性能与天然砂混凝土进行了比较。

由于不同地区的铁矿石尾矿所含成分不同，使得采用铁尾矿砂配制混凝土的性能也各不相同，本文以安徽省霍邱县特大型铁矿的尾矿砂为研究背景，采用铁尾矿砂取代部分天然砂作为细骨料配制高性能自密实混凝土，并进行其工作性能试验研究，而关于此方面的试验研究尚未见文献报道。

2 原材料及配合比设计

2.1 主要原材料

水泥:安徽珍珠水泥集团生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥;细骨料:安徽省六安产天然砂，细度模数Mx=2.85，堆积密度1 785 kg/m2;铁尾矿砂:安徽省霍邱铁矿大桥湾尾矿库，其微观分析结果如图1和表1所示;矿物掺合料:安徽合肥电厂产Ⅰ级粉煤灰;外加剂:江苏苏州产聚羧酸系高性能减水剂和安徽庐江县产高效膨胀剂;拌和水:普通自来水。

2.2 试验配合比设计

本文进行铁尾矿砂自密实混凝土工作性能试验配合比设计采用以铁尾矿砂取代天然砂的掺量作为变量，即铁尾矿砂取代率分别取为 0.0%，20.0%，40.0%，50.0%，60.0%，80.0% 以及100.0%。配合比设计如表2所示，其中SCC-1作为对比的普通自密实混凝土。

表1 铁尾矿砂组成元素分析(归一化)

表2 铁尾矿砂自密实混凝土主要优化配合比设计

3 试验方法及试验结果

3.1 试验方法

自密实混凝土在无振捣，仅靠自重作用填充所浇筑构件密实的性能是其最大特点，对于自密实混凝土的工作性能，主要采用填充性、粘性、间隙通过性以及抗离析性四个性能指标进行描述[5]。根据EFNARC 2005欧盟规范、CCES 02-2004自密实混凝土设计与施工指南[6]以及CECS 203∶2006自密实混凝土应用技术规程[7]，通常采用坍落扩展度、T500流动时间、V型漏斗流出时间、L型仪高差以及U型仪高差等评价工作性能。

3.2 试验结果及分析

本文进行铁尾矿砂自密实混凝土坍落扩展度(SF)和T500流动时间指标要求分别为:650 mm≤SF≤750 mm;3 s≤T500≤20 s。试验采用测试新拌自密实混凝土在加水搅拌后10 min，20 min，30 min的坍落扩展度和T500流动时间。其中测试坍落扩展度时，采取测量相互垂直的两个方向直径D1，D2，最终取(D1+D2)/2作为坍落扩展度(SF);T500流动时间以秒为单位，小数点后保留一位有效数字。

现场试验照片如图2，图3所示。

表3 SF，T500试验结果

根据表3和图4可以看出，随着铁尾矿砂取代率的增加，坍落扩展度呈现先增加后降低的趋势，最大值出现在IMT=20.0%时，而当IMT≥60.0%时，坍落扩展度明显降低。而随着加水时间的增加，相同取代率的坍落扩展度也逐渐降低。相比普通自密实混凝土SCC-1，ISCC-2的坍落扩展度与之相近。

根据表3和图5可以看出，随着铁尾矿砂取代率的增加，T500流动时间呈现先减少后增加的趋势，最低点出现在IMT=20.0%时，而当IMT≥60.0%时，T500流动时间明显增加。而随着加水时间的不断增加，相同取代率的T500流动时间也逐渐增加。相比普通自密实混凝土SCC-1，ISCC-2的T500流动时间较为接近。

虽然各配合比的铁尾矿砂自密实混凝土T500流动时间均未超过20 s，但根据现场试验观察发现，当T500流动时间超过8 s时，自密实混凝土拌合物流动性明显降低，从表3可以看出，当加水时间为20 min时，ISCC-6出现了坍落扩展度SF未达到500 mm，加水时间30 min时，ISCC-5也出现了坍落扩展度SF未达到500 mm的情况。

参照CCES 02-2004自密实混凝土设计与施工指南进行，L型仪试验钢筋栅净间距为40 mm，指标要求为:H2/H1≥0.8;U型仪指标要求:Δh≤30 mm。图6，图7分别给出了L型仪和U型仪试验照片。

根据表4和图8可以看出，随着铁尾矿砂取代率的增加，L型仪试验高差H2/H1呈现先升高后降低的趋势，最高点出现在IMT=20.0%时，而当IMT≥60.0%时，L型仪试验高差 H2/H1明显降低。ISCC-1，ISCC-2现场试验现象良好，能顺利通过钢筋栅，其中ISCC-1出现泌水现象。而ISCC-5，ISCC-6现场试验流动性较差，出现堵塞现象，不能顺利通过钢筋栅。

表4 L型仪、U型仪、J型环和V型漏斗试验结果

根据表4和图9可以看出，随着铁尾矿砂取代率的增加，U型仪试验高差Δh=h1－h2呈现先降低后升高的趋势，最高点出现在IMT=20.0%时，而当IMT≥60.0%时，U型仪试验高差Δh=h1－h2明显升高。同L型仪一样，ISCC-1，ISCC-2现场试验现象良好，能顺利通过钢筋栅，其中ISCC-1出现泌水现象。而ISCC-5，ISCC-6现场试验流动性较差，出现堵塞现象，不能顺利通过钢筋栅。

根据EFNARC 2005欧盟标准和CCES 02-2004自密实混凝土设计与施工指南关于V型漏斗试验指标要求，对比反映铁尾矿砂自密实混凝土粘性指标。试验现场照片如图10所示。

根据表4和图11可以看出，随着铁尾矿砂取代率的增加，V型漏斗流出时间呈现先减少后增加的趋势，最低点出现在IMT=20.0%时，而当 IMT≥60.0%时，V型漏斗流出时间明显增加。SCC-1，ISCC-1，ISCC-2现场试验拌合物流动性较好，流出V型漏斗较顺畅，ISCC-5和ISCC-6出现了明显的堵塞现象，拌合物粘性较大，ISCC-6出现了拌合物未完全流出的情况。

4 结语

采用五项试验方法评价了铁尾矿砂自密实混凝土工作性能指标，得出如下结论:1)随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂自密实混凝土流动性先增加后降低，在铁尾矿砂取代率为20%，流动性达到最大，但此时拌合物出现了泌水现象。2)当铁尾矿砂掺量超过60%时，自密实混凝土的流动性和填充性明显降低，在掺量为80%，100%时，L型仪、U型仪以及V型漏斗试验出现了堵塞现象。3)试验发现，铁尾矿砂掺量为40%～50%时，铁尾矿砂自密实混凝土的工作性能与普通自密实混凝土SCC-1较为接近，具有良好的工作性。

[1] 蔡基伟，张少波，侯桂香，等.铁尾矿砂对混凝土工作性和强度的影响[J].武汉理工大学学报，2009，31(7):104-107.

[2] 陈家珑，宋少民，路宏波.尾矿配制商品混凝土的应用研究[J].建筑技术，2004，35(1):42-44.

[3] 徐宝华，宋 姗.尾矿砂复配在混凝土生产中的研究及应用[J].商品混凝土，2010(1):23-25.

[4] 何兆芳，邓初首.尾矿在预拌混凝土中应用的试验研究[J].混凝土，2009，239(9):115-118.

[5] EFNARC.The European Guidelines for Self-compacting Concrete[Z].2005.

[6] CCES 02-2004，自密实混凝土设计与施工指南[S].

[7] CECS 203∶2006，自密实混凝土应用技术规程[S].