铁尾矿砂在混凝土中的应用研究

2015-12-21余春荣耿加会李国宏

商品混凝土 2015年10期

关键词：铁尾矿砂河砂

余春荣，耿加会，李国宏

（1. 建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024；2. 舞阳县惠达公路工程有限公司，河南舞阳 462400）

铁尾矿砂在混凝土中的应用研究

余春荣1，耿加会2，李国宏2

（1. 建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024；2. 舞阳县惠达公路工程有限公司，河南舞阳 462400）

铁尾矿砂是选矿过程中留下的一种固体废弃物，大量的堆放污染环境。目前，国内对铁尾矿砂的研究和使用取得了突破性的进展，本文在国内专家学者研究的基础上，结合当地铁尾矿砂的特点，通过试验分析铁尾矿砂的掺量对混凝土砂率、工作性、混凝土强度、浆体量、外加剂掺量等因素分析，结合试验提出自己一些看法，供大家参考。

铁尾矿砂；细度模数；砂率；混凝土强度；坍落度；浆体量；外加剂掺量

铁尾矿砂是铁矿石精选矿提纯、磨细、选铁矿后产生的一种细度模数稳定，且符合细砂或者特细砂的尾矿废渣。

铁尾矿砂含有的细粉大部分为石粉颗粒，属于坚固成分，有利于混凝土力学性能和耐久性。同时依照 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》相关规定，结合混凝土和铁尾矿砂的特点，对铁尾矿砂用作混凝土细集料的可行性和应用范围进行试验分析。由于砂石资源匮乏，砂石原材料品质波动较大，很难购买到满足现行规范要求的天然砂石。主要表现为天然砂中含石率较高（一般在10%～40%），并且含泥量严重超出标准。颗粒级配表现为粗颗粒多、细颗粒少、级配十分不合理，给配制中、低强度等级的混凝土带来很大的困难。用铁尾矿砂部分取代河砂，既可以减小含石波动对混凝土工作性能的不利影响，又可优化细骨料的颗粒级配。尾矿砂粒径小于 0.15mm 的细粉主要是石粉，石粉在性能上不同于河砂中的泥粉，对外加剂吸附较小，掺入部分铁尾矿砂可以有效降低细骨料的含泥量。应用铁尾矿砂也可以优化混凝土配合比参数的调整范围，增加混凝土配合比调整自由度。尤其在胶凝材料相对较少的低强度等级混凝土中加入适量的石粉充当细集料有利于提高混凝土的粘聚性、和易性。

在铁尾矿砂的与河砂复配使用缺少系统性的研究，另外，对尾矿砂的使用还存在以下困难：①长期以来，混凝土行业习惯于使用天然河砂，对河砂产生依赖和固定的思维难以改变，对于铁尾矿砂认识不足。②铁矿开采企业对选矿过程中产生铁尾矿作为废弃物进行堆积、掩埋等简单处理。③对铁尾矿砂的认识、使用是一个循序渐进的过程。

我国对铁尾矿砂的使用的研究比较晚，在混凝土中使用铁尾矿砂的研究近几年才得到迅速发展，研究的内容主要有：

许发松[1]研究表明：用铁尾矿配制的混凝土同天然河砂混凝土相比，无碱—骨料反应且抗冻性能良好；卞立波、宋少民[2]研究发现：在石子级配良好、空隙率低的情况下，粉煤灰的使用和采用较低的水胶比，铁尾矿细砂混凝土具有很强的抗氯离子渗透能力；孙玉良、赵芸平、阎嘉旺[5]试验表明：尾矿砂石配制的混凝土的抗冻性与天然砂石混凝土的接近；强度等级较低时，尾矿砂石配制的混凝土抗渗性能低于天然砂石混凝土，尾矿砂石混凝土的抗碳化性能高于天然砂石混凝土的抗碳化性能。

蔡基伟、封孝信、赵丽[3]试验表明：使用铁尾矿砂配制的混凝土与天然河砂混凝土相比流动性差、泌水率大；张少波[4]研究发现：天然河砂配制的混凝土塑性粘度系数均大于铁尾矿砂混凝土，但屈服应力均小于铁尾矿砂混凝土；赵芸平、孙玉良、于涛等[6]研究表明，在相同试验条件下，尾矿砂石配制的混凝土的坍落度、黏聚性和保水性略差于天然砂石混凝土；何兆芳、邓初首[7]试验表明：铁尾矿砂混凝土的工作性、黏结性、力学性能、抗冻性能和抗渗性能均优于天然砂混凝土，干缩性能和天然砂混凝土相当；廖华平[8]研究发现：随着砂率的增加，铁尾矿砂配制的自密实混凝土工作性能良好，但砂率超过 45% 时，工作性下降，其流动度、填充性和间隙通过性均降低。铁尾矿砂取代普通砂、石英砂作为细骨料，其基本力学性能较好，且具有一定的早强作用。

混凝土的可持续性发展、绿色生产，也不只是降低水泥用量的技术要求，质量优良的砂石才是配制出低成本、高性能混凝土的前提和保证。砂石质量是影响混凝土质量的关键，对砂石的级配必须引起足够的重视。

利用河砂复配铁尾矿砂配制的混凝土性能指标是否满足要求，需要大量是试验和工作实践。参照已有的技术研究成果，充分认识铁尾矿砂对混凝土性能的影响，总结铁尾矿砂应用的技术规律和技术控制要点，合理使用铁尾矿砂。

1　试验所用原材料

1.1水泥

平顶山市宝丰大地水泥 P·O42.5，密度为 3000kg/m3，其它物理力学性能见表 1。

表1　水泥的物理与力学性能

1.2矿物掺合料

粉煤灰：平顶山姚孟电厂Ⅱ级粉煤灰，密度 2200kg/m3，其它性能如表 2。矿粉：漯河市临颍县“铁星牌”S95 级矿渣粉，密度为 2800kg/m3，其它性能指标如表 3。

表2　粉煤灰性能

表3　矿渣粉性能检测数据

1.3粗集料

舞钢市矿山碎石，其性能指标如表 4，得分分析见表 5。

表 4 舞钢 5～25mm 碎石性能指标

表5　舞钢5～25mm碎石筛分情况

1.4细集料

平顶山市叶县辛店镇河砂，筛分指标见表 6。

表6　河砂颗粒级配

1.5铁尾矿砂

平顶山市舞钢尾矿砂，表观密度为 2720kg/m3，筛分指标见表 7，化学成分分析见表 8。

表7　铁尾矿砂颗粒级配

表8　平顶山市舞钢铁尾矿砂化学成分分析 %

从化学成分上看，尾矿砂中有较高的活性化学成分：CaO、SiO2、Al2O3和 Fe2O3，它们的总和占 83.3%。用于调剂细骨料的细度模数的材料，掺于混凝土中除可优化配合比、改善混凝土的粘聚性、保水性外，这部分尾矿砂与水泥浆体的界表面结合力也是比较强的；尾矿砂中小于 0.075mm和小于 0.045mm 的部分，可作为胶凝材料的补充，增加浆体浓度，甚至直接与水泥水化析出的 Ca(OH)2发生二次水化反应。尾矿砂中含有较高的 Fe2O3在反应中形成的水化产物水化铁酸钙对提高抗折强度有利。铁尾矿砂在放大镜下如图1(a)、(b)，铁尾矿砂颗粒较小较细，粒形不规则，电镜放表面颗粒粗糙。

图1　铁尾矿砂在放大镜下的形状

1.6减水剂

脂肪族复合高效减水剂，其性能指标见表 9。

表9　减水剂性能指标

2　铁尾矿砂掺量对混凝土的影响

天然河砂细度模数偏大、含石量大，铁尾矿砂颗粒级配主要集中在 0.63～0.15mm 之间，粒径小于 0.15mm 的细颗粒在 15% 左右。针对天然河砂与铁尾矿砂的特点，将铁尾矿砂与天然河砂混合配制成满足混凝土生产要求的Ⅱ区中砂。使用这种混合砂配制混凝土，技术关键是混合砂的混合比例怎么确定。其混合比例可按照混凝土工作性、力学性能、混合砂细度模数等技术指标优选出最佳的混合比例，该比例的混合砂应满足混凝土对普通砂的各项技术要求。试验时，外加剂掺量适当调整，保证达到要求的工作性，探讨铁尾矿混合砂混凝土的应用技术规律。

2.1铁尾矿砂混凝土试验配合比

新拌混凝土的和易性，也称工作性，是指拌合物易于搅拌、运输、浇捣成型，并获得质量均匀密实的混凝土的一项综合技术性能。通常用流动性、粘聚性和保水性三项内容表示。流动性是指拌合物在自重或外力作用下产生流动的难易程度；粘聚性是指拌合物各组成材料之间不产生分层离析现象；保水性是指拌合物不产生严重的泌水现象。通常情况下，混凝土拌合物的流动性越大，则保水性和粘聚性越差，反之亦然，相互之间存在一定矛盾。和易性良好的混凝土是指既具有满足施工要求的流动性，又具有良好的粘聚性和保水性。因此，不能简单地将流动性大的混凝土称之为和易性好，或者流动性减小说成和易性变差。在评价混凝土工作性时，用坍落度结合坍落流动度（用拌合物坍落稳定时所铺展的直径表示，也称扩展度），参考图 2[9]进行评价。

图2　混凝土拌合物工作性的简易评价

坍落度与扩展度的比值也称为坍扩比，从图中可以看出坍扩比在 0.4 左右混凝土的工作性较好；大于 0.4 时，混凝土工作性粘稠；小于 0.4 时，混凝土工作性差，易出现泌水、离析。坍扩比与 0.4 的差值越大，工作性越差，坍扩比可以作为工作性评价的简易方法。

铁尾矿砂中小于 0.15mm 的细颗粒可以调节砂子的级配，充当粉体填充料，填充混凝土骨料间的空隙，提高混凝土保水性和粘聚性，改善离析、泌水现象，使得混凝土易于密实成型。尤其在低强度等级的混凝土中，作用更加明显。低强度等级混凝土胶凝材料用量少，掺用铁尾矿砂后，补充粉体材料，有效解决工作性差的缺点。为了系统了解铁尾矿砂掺量变化对不同胶凝材料用量、水胶比的混凝土性能影响，采用表 10 的混凝土配合比进行试验。

3.1尾矿砂掺量对砂率的影响

在混凝土拌合物坍落度一定的条件下，若砂率小，为保证有足够的砂浆包裹润滑粗骨料，必须增加胶凝材料浆体的用量才能保证足够的砂浆量。同样，若砂率过大，要增加过多的胶凝材料浆体来包裹、填充、润滑骨料。因此，砂率是控制混凝土拌合物工作性的重要参数，砂率选用的是否合理直接影响混凝土的工作性和质量。铁尾矿砂在颗粒级配上与河砂有显著的区别，河砂的细度模数较大，粗颗粒较多，细颗粒不足，而铁尾矿砂中粗颗粒较少，细颗粒偏多。单独使用铁尾矿砂配制混凝土，细颗粒多，比表面积大，胶凝材料料浆体用量大，同样，单独使用河砂配制混凝土，由于缺少细颗粒，保水性和粘聚性变差，以泌水、离析。

铁尾矿砂与河砂混合使用可以克服河砂细颗粒不足的弊端，使混凝土的细颗粒增加，另外铁尾矿砂中小于 0.15mm的石粉颗粒，也可以使混凝土粉体材料增加，改变总浆体量、浆体稠度及水粉比（用水量与细粉量的比值）。为了研究铁尾矿砂混合比例的变化对混凝土砂率的影响，按照表 10所给出的配合比，铁尾矿砂掺量分别为 0%、20%、40% 进行试验。考虑到铁尾矿砂掺量的增加改变了原有粉体的数量及浆体的稠度，在铁尾矿砂掺量的同时，适当提高减水剂的掺量，保证混凝土拌合物具有良好的工作性，其试验结果如表11。

表10　试验配合比

表11　尾矿砂掺量对砂率的影响

在用水量和胶凝材料用量相同的情况下，随着铁尾矿砂掺量的增加，通过调整砂率均可以获得满意的工作性能。铁尾矿砂掺量为 0%、混凝土砂率为 45% 时，坍扩比为 0.41，工作性较好；铁尾矿砂掺量为 20%、混凝土砂率为 42% 时，坍扩比为 0.40，工作性较好；铁尾矿砂掺量为 40%、混凝土砂率为 39% 时，坍扩比为 0.40，工作性较好。表现出随着铁尾矿砂的掺量的增加，混凝土砂率随之降低。

河砂的细度模数为 3.1，铁尾矿砂的细度模数为 1.4，随着铁尾矿砂掺量的增加，必然引起混合砂细度模数的变化。混合砂的细度模数等于铁尾矿砂的细度模数与其掺量的乘积加上河砂的细度模数与其掺量的乘积，即：

铁尾矿砂掺量为 20% 时，

混合砂细度模数=1.4×20%＋3.1×(1－20%)=2.76

铁尾矿砂掺量为 40% 时，

混合砂细度模数=1.4×40%＋3.1×(1－40%)=2.38

可以看出，铁尾矿砂掺量增加 20%，混合砂的细度模数降低近 0.4，砂率降低 3%。铁尾矿砂掺量的增加直接改变混合砂的细度模数，进而影响砂率。因此，在铁尾矿砂的使用过程中，应关注河砂与铁尾矿砂细度模数的变化，及时调整砂率。混合砂细度模数变化 0.2，砂率要相应调整 1%～2%。

从外加剂的用量来看，随着铁尾矿砂用量的增加，外加剂掺量也相应增加才能获得良好的工作性。从表 6 和表 7 可知，河砂中粒径小于 0.15mm 的粉状颗粒含量为3%，铁尾矿砂中粒径小于 0.15mm 的粉状颗粒含量为 17.8%，即相同质量的情况下铁尾矿砂含有粒径小于 0.15mm 的颗粒较河砂多14.8%。当铁尾矿砂掺量为 20% 时，砂率为 42%，混凝土工作性较好。此时，细砂用量为 154kg/m3、较铁尾矿砂掺量为0% 时，混合砂中粒径小于 0.15mm 的粉体颗粒较铁尾矿砂掺量为 0% 时增加了 154×14.8%=22.8(kg/m3)。从试验结果可以看出，铁尾矿砂掺量为 0% 时，外加剂的掺量为 1.9%，如果把增加的这些粉体粒径在计算外加剂用量时看做粉体材料，外加剂的用量为 (360＋22.8)×1.9%=7.27(kg/m3)。铁尾矿砂掺量为 20% 时，外加剂掺量为 2.0%，用量为 7.2kg/m3，两者相差不大。在计算外加剂用量时，应充分考虑砂中含有的石粉对外加剂的影响。

3.2尾矿砂掺量对混凝土抗压强度影响

铁尾矿砂作为一种质量相对稳定的特细砂与河砂混合使用，增加了混凝土配合比设调整的空间。通过混合比例，优化混合砂的颗粒级配，降低空隙率，提高混凝土整体性能。根据表 10 的配合比参数，对铁尾矿砂掺量为 0%、20%、40%、60%，进行混凝土抗压强度试验，其试验结果如表 12所示。

表12　尾矿砂掺量对混凝土工作性及抗压强度的影响

从表 12 可以看出，在胶凝材料用量 300kg/m3时，铁尾矿砂掺量为 40% 时坍落度达到最大值 220mm，坍扩比 0.4；在胶凝材料用量 360kg/m3时，铁尾矿砂掺量为 20% 时坍落度达到最大值 185mm，坍扩比 0.4；在胶凝材料用量 420kg/m3时，铁尾矿砂掺量为 0% 时坍落度达 235mm，坍扩比 0.41，铁尾矿砂掺量增加到 20% 时，坍落度为 225mm，略有减低，坍扩比 0.4；胶凝材料增加到 480kg/m3时，铁尾矿砂的加入均降低工作性。

在胶凝材料用量低于 420kg/m3时，适当增加铁尾矿砂掺量能够改善混凝土的和易性，提高混凝土保水性、抗离析泌水能力，增加混凝土的粘聚性。随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土的粘聚性增加，混凝土的坍落度及扩展度先增大后减小。混凝土的浆体在一定的范围内可以有效填充到骨料的的空隙中，润滑骨料颗粒，减小表面摩擦力。当浆体中粉体量增大超过一定的范围时，造成浆体的稠度过大，不能有效克服骨料颗粒间的摩擦力，流动性变差。

混凝土拌合物内摩擦阻力，一是来自胶凝材料浆体间的内聚力与粘性，二是来自骨料颗粒间的摩擦力。浆体的粘聚力主要取决于水胶比，即胶凝材料浆体的稠度。水胶比越大浆体的稠度越小，粘聚力越差，无法带动骨料一起运动，混凝土越容易离析、泌水、分层；水胶比降低，浆体的稠度增大，粘聚力增强，混凝土流动时需要克服屈服剪切力，使得混凝土的扩展度降低，流动性变差。骨料间摩擦力主要取决于骨料颗粒间的摩擦系数及包裹在骨料表面胶凝材料浆体的数量，浆体数量越多，骨料间水泥浆层越厚，骨料之间的摩擦力越小。因此，在原材料一定时，坍落度主要取决于浆体的多少和黏度大小。

铁尾矿混合砂混凝土拌合物工作性试验表明，只要混合比例合适，完全可以配制出性能优良的混凝土。混合砂中铁尾矿砂与河砂的混合比例不是固定的，其随着强度等级（胶凝材料用量）的变化而变化，即随着胶凝材料的增加铁尾矿砂的掺入比例逐渐降低。

从各龄期强度发展规律来看，不同强度等级的混凝土，铁尾矿砂的掺入比例不同，各龄期强度虽有差异，但波动幅度不大，只要是工作性能良好的混凝土，混凝土强度及发展规律均能满足要求。

3.3铁尾矿砂掺量对坍落度的影响

浆体是由水泥等胶凝材料与水拌合而成，具有流动性和可塑性，胶凝材料浆体使混凝土拌合物中砂石骨料表面具有一层润滑流体使砂石骨料彼此分开，降低由于混凝土拌合物中石子之间的相互摩擦而形成的摩擦力，胶凝材料浆体量大小直接影响混凝土的和易性。

铁尾矿砂的细度模数和细粉含量相对稳定，波动范围较小。铁尾矿砂中粒径小于 0.15mm 的细粉主要是石粉，这些细颗粒在粒径上类似于粉体胶凝材料，在混凝土胶凝体系中起到补充胶凝体系中的数量，改变混凝土体系的流变性能。在水胶比不变的情况下，随着铁尾矿砂掺量的增加，浆体的稠度变大、流动性降低。

为了了解混凝土中铁尾矿砂掺量对混凝土最大坍落度的影响，混凝土配合比采用表 10 和表 12，进行混凝土试验，通过调整外加剂掺量使混凝土获得最大坍落度，试验结果见表13。

表13　尾矿砂掺量变化对坍落度的影响

从表 13 可以看出，随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂带入的细粉量也逐渐增加。铁尾矿砂掺量每增加 20%，混合砂中的总粉量增加 15～20kg 左右。在用水量、胶凝材料用量不变的情况下，铁尾矿砂掺量的增加，水粉比减小，浆体的粘聚性增大，拌合物的保水性增强，随着外加剂掺量的增加混凝土坍落度变大。

在铁尾矿砂的使用过程中，由于铁尾矿砂中含有大量粒径小于 0.15mm 细粉颗粒，从形态上应把这些细粉颗粒看作胶凝材料的一部分。则混凝土各胶凝材料表观密度为：水泥表观密度为 3000kg/m3、粉煤灰表观密度为 2200kg/m3、矿粉表观密度为 2800kg/m3，由水泥（60%）、矿粉（20%）、粉煤灰（20%）组成的混凝土胶凝材料表观密度为：

式中：

αC、αF、αK——分别为水泥、粉煤灰、矿粉占胶凝材料的质量百分比，%；

ρB、ρC、ρF、ρK——分别为胶凝材料、水泥、粉煤灰、矿粉的密度，kg/m3。

将水泥、粉煤灰、矿粉的密度代入上式可以计算出胶凝材料密度为 2770kg/m3，铁尾矿砂表观密度为 2720 kg/m3。根据表 13 可以得出表 14 各配合比粉体总浆体量对应的适宜坍落度。

表14　混凝土粉体总浆量与坍落度的关系

从表 14 可以看出，随着混凝土最大坍落度的增加，混凝土用水量与所有粉体总成的总粉体浆量也相应增大。为了直观表现出混凝土粉体总浆体量与坍落度的关系，绘制出图3。从图中可以看出混凝土坍落度 x 与混凝土浆体量 y 有线性关系：

图3　混凝土总粉料粉体浆量用量与坍落度的关系

为获得满意的工作性，混凝土必须具有一定的浆体，浆体越多，骨料间摩擦力越小，混凝土拌合物越易于流动，混凝土坍落度就越大，反之坍落度变小。若满足工作性的条件下，浆体过多，就会出现流浆及泌水现象，且胶凝材料用量大也不经济；若浆体过少，致使不能填满骨料间的空隙或不够包裹所有骨料表面时，则混凝土拌合物粘聚性变差，会产生崩塌现象。因此，在铁尾矿砂的使用过程中，应根据混凝土坍落度的要求、混凝土的强度等级和胶凝材料用量调整铁尾矿砂在混合砂中的掺量，以找到适合混凝土工作性的浆体用量。

4　不同强度等级混凝土中铁尾矿砂的掺量

铁尾矿砂中的细粉颗粒在混凝土浆体中主要起两方面的作用：其一，增加混凝土浆体的数量，提高包裹在骨料表面浆体的厚度，减小骨料间的摩擦力，增加混凝土的工作性；其二，在水胶比不变的情况下，铁尾矿砂的细粉颗粒可以增加水粉比，增加混凝土浆体的稠度，使粘聚性、保水性增加。在低强度等级的混凝土中，浆体量少，浆体稠度低，增加铁尾矿砂的掺量可以增加浆体数量，增加混凝土的粘聚性、保水性。而高强度等级的混凝土拌合物，自身胶凝材料较多、浆体大，再加上水胶比小、浆体稠度大，再加入铁尾矿砂，浆体的水粉比更低、工作性更差。因此，低强度等级混凝土使用的砂应细度模数小一些，以提高混凝土粘聚性、保水性，高强度等级混凝土使用的砂细度模数大一些，以降低混凝土中细粉的数量，降低混凝土的黏度。由此看来，在铁尾矿砂与河砂混合使用时，应根据混凝土胶凝材料用量及混凝土工作性要求确定混合比例，对于泵送 C10～C60 等级混凝土，混合比例可按表 15 使用。