铁尾矿-钢渣集料混凝土力学性能及体积稳定性试验研究

高恒昌，俞沁林，陈德鹏,1b，胡 敏，冉程程

(1.安徽工业大学a.建筑工程学院，b.绿色建材研究所，安徽马鞍山243032；2.中国矿业大学国际学院，江苏徐州221116；3.安徽丽丰集团有限公司，安徽阜阳236000)

随着我国矿山工业的快速发展，矿山厂的规模越来越大，尾矿排放量越来越多，造成了尾矿堆积数量大、污染严重和尾矿处理困难等问题。将铁尾矿应用于混凝土当中，不仅可以解决资源环境问题，更有利于循环经济建设。目前，我国累积钢渣堆存总量多达10亿t。大量的钢渣堆积致使耕地占用、环境污染、生态破坏。对钢渣进行规模化、高值化、资源化利用，已经成为解决钢渣大量积存所带来的环境污染问题的关键。近年来，已有将铁尾矿砂作为细集料配制水泥混凝土的相关研究，包括高强混凝土[1]及自密实混凝土[2]，也有研究者认为铁尾矿的掺入可以在一定程度上提高混凝土力学性能[3]及耐久性能[4]。此外，废弃尾矿还可以用于填筑高速公路路基[5]，在解决尾矿堆积问题的同时也可以推广其在高速公路路基的应用。

相对于铁尾矿，国内外对于钢渣的研究更为广泛，可利用钢渣取代部分[6]普通砂石充当混凝土粗细集料配制钢渣集料混凝土并通过加入废旧轮胎颗粒改善钢渣集料混凝土的体积稳定性[7]。此外，也有研究者考虑利用钢渣配制泡沫混凝土[8]、透水混凝土[9]、再生混凝土[10]、高强度耐磨混凝土[11]。

铁尾矿砂混凝土和易性不良、钢渣混凝土体积稳定性不良已经成为制约铁尾矿、钢渣大宗量建材资源化利用的主要原因。因此，本文考虑开展铁尾矿-钢渣集料混凝土力学性能、早期抗裂性能、中长期体积变形试验研究，以期扬长避短，综合发挥两种工业固体废弃物的性能优势，从而开辟钢渣、铁尾矿大宗量建材资源化利用的新途径。

1 试验

1.1 原材料

试验所用水泥均为安徽海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分和性能指标见表1，2。

表1 水泥化学成分，w/%Tab.1 Chemical components of cement,w/%

表2 水泥性能指标Tab.2 Performance index of cement

试验所用细集料为安徽马鞍山南山矿业提炼矿石所产生的铁尾矿砂和普通河砂，河砂属于∏区中砂。同时取a,b两组各500 g铁尾矿砂进行筛分析，铁尾砂级配情况见表3，筛余曲线见图1。

表3 铁尾矿砂筛分析Tab.3 Sieve analysis of iron tailings

图1 铁尾矿筛余曲线Fig.1 Sieve residue curves of iron tailings

将表3中数据分别代入细度模数计算式(1)中。

其中：MX为细度模数；A1～A6分别为通过孔径为4.75，2.36，1.18，0.60，0.30，0.15 mm的试验筛的累计筛余百分比。计算得出铁尾矿砂的细度模数为2.50和2.64，取平均值2.57。根据细度模数和筛余曲线分析，试验用铁尾矿属于II区中砂范围。

对铁尾矿进行化学成分分析(XRD)结果见表4。本文使用的粗骨料为石灰质碎石和马鞍山钢铁股份有限公司炼铁产生的钢渣，钢渣存放时间为3 a，其化学成分和吸水率见表5,6。

为了使混凝土拌合物能够满足工作性能(主要是流动性)的要求，实验加入了一定量由江苏苏博特新材料股份有限公司生产的萘系减水剂。

表4 铁尾矿化学成分，w/%Tab.4 Chemical components of iron tailings,w/%

表5 钢渣化学成分，w/%Tal.5 Chemical components of steel slags，w/%

1.2 混凝土配合比

试验采用钢渣等量替代混凝土粗集料，铁尾矿砂等量替代混凝土细集料制备铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土，以普通混凝土作为对照组，各组混凝土配合比见表7。

表6 钢渣吸水率结果Tab.6 Water absorption results of steel slags

表7 混凝土配合比Tab.7 Mix proportion of concrete

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土强度

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)对混凝土进行搅拌、成型、养护和试验测试，并按照《混凝土强度检测评定标准》(GB/T 50107—2010)进行强度评定。

1.3.2 混凝土工作性能

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080—2002中坍落度测定方法，对新拌铁尾矿-钢渣集料混凝土拌合物的坍落度进行测量，从而评价其工作性能。

1.3.3 早期抗裂性能

采用《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES 01—2004中介绍的平板法开展混凝土早期抗裂性能试验，试验装置见图2。本试验选取强度试验效果较好的6组进行，试验时，为了使混凝土更早的出现裂缝，用碘钨灯在装置上方进行照射，并布设电风扇模拟混凝土自然服役环境。试验过程中用风速仪和温度计记录混凝土表面风速和温度，试验环境见图3。

图2 早期抗裂性能试验装置Fig.2 Device forearly crack resistance test

图3 早期抗裂性能试验环境Fig.3 Experiment environment ofearly crack resistance test

试验持续24 h，在试验进行过程中记录各试件裂缝总数量与起裂试件，并用裂缝测宽仪测量裂缝最大宽度，用直尺测量裂缝总长度。

1.3.4 中长期体积变形性能研究

采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中所述接触法开展铁尾矿-钢渣集混凝土中长期变形监测并取强度试验效果较好的六组混凝土，试验方法如下：

1)配制铁尾矿-钢渣混凝土，普通混凝土作为对照，将拌好的混凝土装入模具；

2)拌合物装入模具后，在试件中布置金属铜头，相距250 mm，每端距边缘距离相等，试件示意图见图4；

图4 预埋探头布置图Fig.4 Layout diagram of pre-buried probes

3)将成型后的试块在普通环境下放置24 h后拆模，再将试块放进养护箱内养护；

4)测定初始长度，每次测量长度前先量出仪器配套杆的标准长度，记录数据；

5)每隔两天测量一次数据，总计测量60 d，测量30次；

6)整理数据，分析试验结果。

在该试验中，仪器采用沧州中德伟业仪器设备有限公司生产的YB-25手持应变仪，基距250 mm,位移计量程±5 mm，仪器的最小刻度为40 με，仪器中标准针距尺的线膨胀系数α几乎为零，具体大小为1.5×10-6℃-1。

手持应变仪是一种机械式应变测量仪，标准针距尺不随温度变化。测量之前，测量标准针距尺的长度，再测量所要测试的物体长度，两个数值相减得出的差值即为所求试件的体积变形值。应变值计算如式(2)。

式中：ΔL为绝对变形量，mm；L为粘贴在试件上的两个固定铜头间的实际基距，mm，通常情况下与仪器的标准尺距是不完全相符的。其中：

式中：L1为仪器标准针距尺的标距，为250±0.05 mm；L'为试件变化后粘贴在试件上的固定铜头之间的距离。一般情况下ΔL1≠0，算法见图5。

图5 变形计算示意图Fig.5 Schematic diagram of deformation calculation

2 试验结果及分析

2.1 铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土强度

各掺量的铁尾矿-钢渣水泥混凝土的7 d和28 d抗压强度见表8。

表8 混凝土7 d和28 d立方体抗压强度Tab.8 Compressive strengths of concrete at 7 d/28 d

从表8可以看出：铁尾矿砂充当细集料不利于混凝土强度，特别当铁尾矿砂以大掺量(60%，质量分数，下同)取代砂子充当混凝土细集料时，其强度较相同配合比水泥混凝土劣化明显；水泥混凝土强度随钢渣(充当粗集料)掺量的增加呈现先增后减的趋势，钢渣表面多孔粗糙的特性对于其强度是有改善的，但掺量过高，钢渣吸水的缺点又得以暴露，因此，钢渣适合以较小掺量取代混凝土粗集料以提高混凝土力学性能。

2.2 铁尾矿钢渣集料水泥混凝土工作性能

对16组不同掺量铁尾矿砂及钢渣水泥混凝土开展坍落度试验，试验结果见图6。

从图6可以看出：随着铁尾矿砂和钢渣取代率的增加，铁尾矿-钢渣集料混凝土坍落度显著下降；由于钢渣的吸水率较高，当钢渣以大掺量(60%)替代粗骨料时，其流动性性能大大减小；在铁尾矿砂取代为40%，钢渣取代率为20%或40%时，铁尾矿-钢渣集料混凝土具有良好的工作性能。

图6 铁尾矿-钢渣集料混凝土坍落度Fig.6 Slump of iron tailing-steel slag aggregate concrete

2.3 铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土早期抗裂性能

主要研究铁尾矿砂和钢渣在不同比例取代下对混凝土早期开裂的影响，试验完毕后，对试验数据进行整理汇总，具体见表9。

表9 不同铁尾矿-钢渣取代率下混凝土开裂试验结果Tab.9 Cracking test results of concrete with different replacement rates of iron tailings and steel slags

从表9可以看出：钢渣掺量越多，其吸水的特性导致水分流失严重，故对铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土的早期抗裂性能越不利；相反，铁尾矿砂能够改善铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土的早期开裂性能。

2.4 铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土体积变形

6组混凝土在不同龄期的体积变形结果如图7。由图7可知，铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土的体积稳定性显著优于相同配合比的普通水泥混凝土。此外，由B、E、F组试验结果可以得出，铁尾矿砂取代部分混凝土细集料时，随着取代率增加混凝土收缩率也逐渐减小；由C、D两组试验结果可以得出，用钢渣取代部分碎石充当混凝土粗集料时，掺入比例越多，混凝土体积收缩值越小。

3 结 论

采用铁尾矿砂取代河砂充当混凝土细集料、钢渣取代碎石充当混凝土粗集料配制铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土，并对混凝土强度、早期抗裂性能、长期体积变形等性能进行相关试验研究，得到以下结论。

图7 混凝土体积收缩率Fig.7 Shrinkage rate of concrete volume

1)铁尾矿砂充当细集料不利于混凝土强度，特别当铁尾矿砂以大掺量(60%)取代砂子充当混凝土细集料时，其强度较相同配合比水泥混凝土劣化明显；同时钢渣大掺量(60%)充当粗集料不利于混凝土的工作性能，严重影响其流动性。

2)水泥混凝土强度随钢渣(充当粗集料)掺量的增加呈现先增后减的趋势，因此，钢渣适合以较小掺量取代混凝土粗集料以提高混凝土力学性能。

3)钢渣的掺量越多，对铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土的早期抗裂性能越不利，相反，铁尾矿砂能够改善铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土的早期开裂性能。

4)用钢渣取代部分混凝土粗集料会引起混凝土收缩率的减小，掺入比例越多，混凝土体积收缩值越小，而铁尾矿砂取代部分混凝土细集料时，随着取代率的增加混凝土收缩率也逐渐减小。

5)综合考虑钢渣以小掺量充当粗集料时对水泥混凝土的强度提升效应及铁尾矿砂充当细集料时对水泥混凝土的强度劣化效应，应考虑以小掺量钢渣及小掺量铁尾矿砂分别取代水泥混凝土粗、细集料配制铁尾矿-钢渣集料水泥混凝土。