铁尾矿砂制备农村公路混凝土性能

2015-08-05王乐张静崔芳芮

华北理工大学学报(自然科学版) 2015年3期

王乐，张静，崔芳芮

（华北理工大学建筑工程学院，河北唐山063009）

0 引言

农村公路建设是当前我国公路交通事业的重点工作，改革开放以来，我国农村公路的建设取得了显著成就，政府也加大了力度来改善农村公路。由于农村公路车速低，车流量较少，所以对设计等级要求比较低。对于农村公路，水泥混凝土路面具有群众参与程度高、可以就地取材和养护费用少等优点，符合农村公路建设需要发动群众、依靠群众的方针。但随之水泥混凝土路面对于天然砂的需求量也日益增多，天然砂的超量开采已经对农田、河道造成了严重破坏，国务院和相关政府部门已经出台了禁采或限采天然砂的规定［1－2］。尾矿砂是铁矿石经过加工粉碎，选出铁物质后剩余的一种产物，其大量堆存填埋不仅需要占用大量土地，并且部分铁尾矿中含有重金属等有害物质以及细尾矿颗粒引起的扬尘等严重影响了地下水资源和周边环境［3］。据统计，我国金属尾矿堆存量已达到50亿吨以上，并且每年以6亿吨的速度递增。铁尾矿的综合治理和开发利用是我们面临的重大课题，近年来尾矿作为二次资源已受到世界各国的重视［4］。在国外，很多国家已经意识到尾矿带来的严重后果，他们采取了一定的措施来解决尾矿带来的严重问题，国外的尾矿利用率高达60%，但是国内对于尾矿的研究较少，其利用率仅达7%［5－6］。因此大力推广尾矿砂在道路工程中的应用，对于尾矿废物再利用和可持续发展有着非常重要的意义。不仅能够节约天然砂、降低成本，又能充分开发和利用工业废料、节约资源与能源、提高资源利用率、保护环境。

采用铁尾矿砂替代天然砂配制出了C30农村公路混凝土，研究了铁尾矿砂混凝土的工作性能、力学性能、抗收缩性能和抗渗性能。

1 试验

1.1 试验材料及性质

（1）水泥选用唐山市冀东水泥厂生产的P.S.A32.5普通硅酸盐水泥，水泥的主要性能指标见表1。

表1 水泥的主要性能指标

（2）铁尾矿砂为迁安铁尾矿经过筛分处理后的人工砂，堆积密度为1 598kg／m3，表观密度为1 904kg／m3，细度模数为3.16。天然砂为普通中砂，堆积密度为1 675kg／m3，表观密度为1 967kg／m3，细度模数为3.3。（3）试验采用5～20mm连续级配碎石。

（4）减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为30%，固含量为30%。

（5）试验所用水为自来水。

1.2 配合比设计

表2 配合比设计

2 结果与讨论

2.1 铁尾矿砂掺量对混凝土坍落度的影响研究

对铁尾矿砂掺量分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%的C30混凝土的工作性能进行研究。

表3 铁尾矿砂掺量对C30混凝土坍落度的影响

图1 铁尾矿砂掺量对C30混凝土坍落度的影响

从表3和图1可以看出，对于C30混凝土，当铁尾矿砂掺量为20%时，混凝土的坍落度小于基准组混凝土；当铁尾矿砂掺量在40%～100%之间时，混凝土的坍落度大于基准组混凝土；当铁尾矿砂的掺量为20%时，C30混凝土的坍落度为35mm；当铁尾矿砂的掺量为80%时，C30混凝土的坍落度为60mm，C30混凝土的坍落度均在35～60mm之间。

2.2 铁尾矿砂掺量对混凝土力学性能研究

对铁尾矿砂掺量分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%的C30混凝土的抗弯拉强度和抗压强度进行研究。

图2 铁尾矿砂掺量对C30混凝土抗弯拉和抗压强度的影响

从图2可以看出，随着铁尾矿砂替代天然砂比例的增加，混凝土3d抗弯拉强度呈下降趋势，7d抗弯拉强度先减小后增大，28d抗弯拉强度先增大后减小。当铁尾矿砂的替代率为0%时，混凝土3d抗弯拉强度最大；当铁尾矿砂替代率为100%时，混凝土7d抗弯拉强度最大，当铁尾矿砂的替代率为40%时，混凝土28d抗弯拉强度达到最大。混凝土3d抗压强度先减小后增大，之后又有所下降，7d抗压强度呈下降趋势，28d抗压强度先减小，后有所增加。当铁尾矿砂的替代率为60%时，混凝土3d抗压强度最大；当铁尾矿砂的替代率为0%时，混凝土7d抗压强度最大，当铁尾矿砂替代率为100%时，混凝土28d抗压强度达到最大。

其原因一是铁尾矿砂来自于人工的破碎，密度和硬度比较大，两者集料粗细搭配形成坚固的框架。二是因为棱角相对于天然砂而言比较多，接触点就多，这样在水泥水化时，就能与砂石形成更牢固的骨架，使得混合砂混凝土的抗压强度高于未掺入铁尾矿砂的混凝土。

2.3 铁尾矿砂掺量对混凝土耐久性能研究

2.3.1 混凝土抗收缩试验

由于裂缝会加剧混凝土的劣化，所以裂缝对于公路混凝土有很大的影响，然而在非荷载作用下产生裂缝主要原因是混凝土的收缩变化。本研究中主要考察当铁尾矿砂掺量分别为0%、50%和100%时，C30混凝土在1d、3d、7d、14d、28d和60d的收缩量。

从图3可以看出，对于C30混凝土，掺铁尾矿砂50%的混凝土的收缩量小于基准组混凝土，掺铁尾矿砂100%的混凝土的收缩量大于基准组混凝土。铁尾矿砂混凝土的收缩量均是在14d之前增长较快，28d以后慢慢趋于平缓，而基准组混凝土的收缩量还在持续增长。当铁尾矿砂掺量为50%时，混凝土的收缩量与基准组混凝土相比，混凝土1d收缩量降低了62.8%，14d收缩量降低了6.9%，56d收缩量降低了12.5%。2.3.2混凝土抗渗试验

图3 C30混凝土不同龄期的收缩量

在实际的工程中，很多混凝土的病害与水有着直接关系。在混凝土内部的水，尤其是冬天比较寒冷的天气，内部产生冻胀，胀裂了混凝土的路面，失去了强度，进而加速混凝土路面的破坏。此外，如果冬季积雪比较厚，还会向路面撒除冰盐，由于盐中含有大量的氯离子，从而会侵蚀混凝土路面，破坏路面结构。因此，抗渗性能对于路面混凝土至关重要。

铁尾矿砂掺量分别为0%、50%和100%的混凝土渗水高度试验断面如图4所示。

图4 C30混凝土渗水高度试验断面

图5 C30混凝土标准养护28d渗水高度试验

从图5可以看出，对于C30混凝土，掺铁尾矿砂各组混凝土的渗水高度明显低于基准组混凝土，基准组的渗水高度为36mm。当铁尾矿砂掺量为50%时，混凝土的平均渗水高度为14mm；当铁尾矿砂掺量为100%时，混凝土的平均渗水高度为10mm。铁尾矿砂掺量为50%和100%的混凝土与基准组混凝土相比较，渗水高度分别降低了61.1%和58.3%。

这是因为铁尾矿砂中含有微量的石粉微粒，石粉微粒填实了混凝土中的孔隙，减少有害大孔数目，明显改善了混凝土的孔径大小及分布，强化了水泥浆体－集料的界面结构，从而增强了水泥与骨料间的密实性，提高了混凝土的抗渗性。