铁尾矿粉和粉煤灰复掺对水泥基材料性能影响的试验研究

2020-05-22门武磊杨迎春卢心仪张豪友张翔飞安徽农业大学安徽合肥230000

安徽建筑 2020年4期

门武磊，杨迎春，卢心仪，张豪友，张翔飞（安徽农业大学，安徽合肥 230000）

1 引言

铁尾矿是大量铁矿石开采后经过选取利用所产生的工业固体废渣，据统计，我国的铁尾矿堆放量达30亿t[1]，但利用率较低仅有10%左右[2]，大量尾矿堆积不仅占用土地，还危害周边大气、河流及地下水等[3]。粉煤灰是热力发电厂排放出的粉状固体废弃物，由于我国目前主要电力来源还是燃煤热发电，粉煤灰的产量非常大，除了占据大量土地，污染地下水外，还因为其颗粒小容易随风而起，是现在的雾霾和空气污染的主要原因之一。因此开展对铁尾矿和粉煤灰的综合利用工作，不仅能实现可持续发展的理念，同时具有十分重要的经济效益和实现生态文明建设的现实意义。

在铁尾矿替代混凝土的细骨料方面，Zhao等人指出当铁尾矿替代率不超过40%时，其替代天然砂来制造超高性能混凝土是可行的[4]。郑永超等人研究发现将铁尾矿进行机械活化80min以上时，可以激发出较高水准的活性[5]。在现有研究中，关于铁尾矿水泥基材料大多研究方向都是将铁尾矿粉取代天然砂作为水泥基材料的细骨料，国内外有许多研究成果。粉煤灰在不同掺量和工艺条件下作为水泥生产配料的国内外研究也有很大的进展。但将磨细的铁尾矿粉和粉煤灰复掺作为掺和料，对水泥基材料性能影响的研究成果较少。

故本文将铁尾矿和粉煤灰复掺到水泥基材料中，研究复掺代替水泥的情况下的水泥基材料工作性能和强度特性，分析其性能改变的原因，探索其水化原理。为铁尾矿粉煤灰作为矿物掺合料投入工程使用提供理论依据，达到绿色节能的理念，降低混凝土的生产成本的目标。

2 实验

2.1 原料

铁尾矿粉选用江西赣州铁矿，铁尾矿中含有大量的 SiO2、Fe3O4、Al；粉煤灰选用合肥电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其细度和需水量等都符合Ⅰ级粉煤灰指标；P.O42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料石英砂为厦门艾斯欧生产的中国ISO水泥胶砂试验标准砂；拌合和养护水均为城市管网自来水。粉煤灰化学成分见表1，P.O42.5水泥化学成分见表2。

粉煤灰化学成分表1

硅酸盐水泥化学成分表2

2.2 实验方案

2.2.1 不同比例掺合料对水泥基材料需水量的影响

通过对不同掺合比例的组别标准稠度用水量的比较，研究不同代替率下的胶凝材料是否具有减水效果，从而得出有关工作性的结论。需水量试验各组水泥基材料配合比见表3。

2.2.2 不同比例掺合料对水泥基材料力学性能的影响

将铁尾矿装入球磨机内进行机械研磨。球磨机中的皓球每罐装入12颗，其中直径10m、8mm、5mm、3mm 的皓球分别装入1、3、6、2颗。本文根据粉煤灰和铁尾矿不同的的替代比例分成6组，对比不同代替率下的水泥基材料强度变化，为实际工程应用提供依据。强度试验胶砂材料配合比见表4。

2.3 实验方法

需水量试验各组水泥基材料配合比表3

强度试验胶砂材料配合比表4

根据《标准稠度用水量、凝结时间安定性检验方法》（GB/T1346-2011）测定水泥标准稠度用水量和凝结时间。水泥砂浆工作性、力学性能参照《水泥基砂浆应用技术规范》（GB/T50448-2008），《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999），《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009），水泥砂浆抗压强度和抗折强度的试件尺寸为40mm×40mm×160mm，试块放入水中养护28d。

3 结果与讨论

3.1 水泥基材料标准稠度用水量试验结果与分析

铁尾矿-粉煤灰复掺作掺合料对水泥基材料用水量的影响见图1。

由图1通过五组有代替物的水泥基材料组合和纯水泥组的对比，可以看出，用铁尾矿代替部分水泥时对水泥净浆有比较好的减水效果，而粉煤灰的减水效果微乎其微，甚至是可以忽略。当铁尾矿代替率从无到30%时（两者总代替率为30%不变），减水效果最为明显，随着铁尾矿代替率上升粉煤灰代替率下降，需水量一直在下降，但是下降速度会慢慢变小。

图1 铁尾矿-粉煤灰复掺作掺合料对水泥基材料用水量

3.2 水泥基材料力学性能试验结果与分析

3.2.1 抗折强度

铁尾矿-粉煤灰复掺作掺合料对水泥基材料抗折强度的影响见图2。

由图2可以看出，用水泥净浆制成的试块抗折强度最大，无论如何加入掺合料，都只会损失水泥基材料的抗折强度，但基本都具有合格的强度（60%）；在掺入掺合料的组别内，单掺30%粉煤灰的抗折强度最高，接近纯水泥组；特别是复掺10%铁尾矿和20%粉煤灰的情况下，会对抗折强度产生很大影响，抗折强度基本削减到纯水泥时的一半，是比较差的掺合比例。从大体上来说，抗折强度随着铁尾矿代替率的增多而有所降低，但是效果并不明显。从试块断裂情况来看，有较多粉煤灰的试块断裂面更密实，气孔更少。

图2 铁尾矿-粉煤灰复掺作掺合料对水泥基材料抗折强度的影响

3.2.2 抗压强度

铁尾矿-粉煤灰复掺作掺合料对水泥基材料抗压强度的影响见图3。

试块折断后的两块进行抗压试验，每一组可得到6个抗压试验试块，但其中一块留作长期强度观察组所以在本论文中每组只有5个强度值。由图3可以看出，用水泥净浆制成的试块抗压强度最大，用粉煤灰铁尾矿代替部分水泥之后会使抗压强度下降，但都是有效的合格强度。单用30%粉煤灰代替水泥时的强度在有代替组内的抗压强度是最高的，最接近纯水泥的强度。当铁尾矿替代率为20%、粉煤灰替代率为10%的时候，抗压强度会有一个局部峰值，其强度仅次于30%单掺粉煤灰的抗压强度。

图3 铁尾矿-粉煤灰复掺作掺合料对水泥基材料抗压强度的影响

3.2.3 小结

用铁尾矿粉煤灰对部分水泥做替代，会使强度有所下降，但是绝大强度都超过了纯水泥的70%，所以说复掺这两种材料是可行的。其中铁尾矿对强度的影响更甚，在用较多的铁尾矿对水泥进行代替之后，会越发的降低水泥砂浆试块的强度，无论是抗折强度还是抗压强度。粉煤灰更类似水泥，可以很好的成为水泥的部分替代品，可能是因为粉煤灰是在燃烧后产生的，更具有火山灰活性，其颗粒也更小，更接近水泥的细度。虽然本次试验使用的铁尾矿经过两个小时的研磨并且筛分过，但毕竟是机械研磨，并不能很好激发其活性，其颗粒也还是封闭式的，与水泥胶砂材料不能结合的那么紧密而产生较高强度，过多的铁尾矿甚至会使得试块粉化，粘结力很低，其性质更接近于天然砂。对比抗压强度和抗折强度数据，代替率为30%的情况下，铁尾矿为20%、粉煤灰为10%是一个双优的选择。