铁尾矿砂对水工高性能混凝土的试验研究

董 亮

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

铁尾矿是指铁矿山企业在选矿分选作业中排放的工业固体废弃料，其矿物主要成分是硅酸盐。随着山西省钢铁工业的迅速发展，铁尾矿在固体工业废弃物中所占的比例也越来越大，而铁尾矿的大量堆存也给大自然及人类的生命财产安全带来一些困扰：占用土地资源、污染环境以及溃坝带来的安全隐患问题，尤其是资源的浪费[1]。因此，如何将铁尾矿再次利用，成为我们亟待解决的问题[2- 3]。

高性能混凝土，是一种具有卓越耐久性的优质混凝土[4- 5]，其卓越性能主要表现在高强度、高抗渗性、良好的工作性能与体积的高稳定性[6]，而水工高性能混凝土又因水利工程独特的施工使用环境，对其耐久性有特殊的技术要求[7]。

本研究拟采用铁尾矿砂取代天然砂配制水工高性能混凝土，既可以解决尾矿堆积带来的资源浪费问题，又大大减少河砂的开采量，对环境也起到了一定的保护作用。

1 试验概况

1.1 原材料

高性能水工混凝土的主要特点之一是低水胶比，为了有效确保其良好的流动性，应在水泥中掺入高效减水剂[8]，因此水泥应合理地选择低水胶比的水泥，本试验拟选用425#硅酸盐水泥[9]，其主要化学成分见表1；减水剂将采用中道弘/CDA—1，减水率一般为10%～15%；粉煤灰选用I级低钙(F)粉煤灰[10]；粗骨料主要采用天然矿山碎石5～10mm、10～20mm二级级配[10]；细骨料采用天然细砂、人工机制砂及灵丘县豪洋矿业铁尾矿砂，铁尾矿砂主要化学成分及性能检测见表2。

表1 425#硅酸盐水泥化学成分表 单位：%

表2 铁尾矿砂主要成分及性能检测表

1.2 配合比设计方案

本设计试验根据DLT 5330—2015《水工混凝土配合比设计规程》及已有的资料和相关科学技术文献资料[11]，对铁尾矿砂水工高性能混凝土进行配合比设计，配合比各参数试用范围见表3。

表3 配合比各参数取值范围表

在进行混凝土配合比试配前，将对使用阶段投入的各项准备原材料质量进行了一次比较试验以及结果的定期检测和综合分析，以保证各项使用阶段原材料的主要结构组成部分、化学成分、物理性能及使用原材料的整体化学性能均匀并可以完全满足水工高性能混凝土准备用料的安全性技术要求[12- 13]。

首先在上述试验中确定的基准混凝土配合比试配基础上[14]，粗骨料将选用优质石灰石，分析研究不同种类的细骨料(天然细砂、人工机制砂和铁尾矿砂)及铁尾矿砂与天然砂不同选用比例掺量的混合砂对混凝土各项结构性能的直接影响变化[16]。根据上述配合比进行试验设计方案，在试配方案的基础上，本次试验分成以下6组细骨料混合试验进行分析研究，具体试验情况见表4。

表4 配合比组合试验表

2 组合试验结果分析

2.1 拌和性能试验结果分析

由表5可知，无论使用的是铁尾矿砂配制的混凝土还是不同比例的混合砂配制的混凝土，和易性和黏聚性均较好且基本无析水渗漏情况发生，坍落度及扩展度结果也足够满足规范施工要求，因此，使用铁尾矿砂配制水工高性能混凝土，其拌和泵送性能比较适宜。

表5 拌和性能结果试验表

2.2 力学性能试验结果分析

在实验室制作尺寸为 150mm×150mm×150mm的铁尾矿砂水工混凝土试块[15]，试件制作成型，将其按标准养护28d后脱模并将其表面覆盖，最后装入压力机试验，按规范要求分析试块力学性能各项指标，试验结果见表6，如图1～图3所示。

图1 不同细集料混凝土的抗压强度关系

图2 不同细集料混凝土的劈裂抗拉强度关系

图3 不同细集料混凝土的弹性模量关系

从以上力学性能试验数据分析，无论是铁尾矿砂混凝土还是不同掺量铁尾矿砂的混合砂混凝土，各项指标均满足现行标准中对水工混凝土的要求。

2.3 耐久性能试验结果分析

(1)抗冻性

在实验室内制作成型的 100mm×100mm×400mm 棱柱体试块，脱模后放入18～22℃的水中连续浸泡 4d，然后在标准养护室中养护至 28 d即可取出，测量每个基频试件的纵向基频初始化的质量和确定试件的横向基频。然后将试件放在混凝土快速冻融试验机中，进行冻融循环实验，试验结果见表7。

表7 抗冻性试验结果表

由表7可知，全尾矿砂配制水工高性能混凝土的整体抗冻性优于天然砂混凝土的抗冻性，由机制砂和尾矿砂混合配制的水工高性能混凝土的抗冻性可达到F260，由天然河砂和尾矿砂配制的混凝土的抗冻性能达到F270，尾矿砂对水工高性能混凝土的抗冻能并无明显的负面影响。

(2)抗渗性

根据实验室抗渗仪型号及规范要求制作的150mm×150mm圆柱体试件，将制作好的试件脱模并按规定养护28d[17]，取出后刷去表面水泥浆膜放入抗渗仪进行试验，实验结果见表8。

表8 抗渗性试验结果表

由表8可知，全尾矿砂配制的水工高性能混凝土的整体抗渗透性稍弱于天然砂混凝土的抗渗透性，由机制砂和尾矿砂混合配制的水工高性能混凝土的抗渗透性性能略优于由天然河砂和尾矿砂配制的混凝土(且均大于W8)，尾矿砂对水工高性能混凝土的抗渗性能并无明显的负面影响。

3 结论

(1)铁尾矿砂单独作为细集料用于水工混凝土，按照特细砂混凝土配制原则采取低砂率、足够胶凝材料体系，适当引入微量气泡增加和易性等技术措施，可以配制出满足水工结构使用要求的高性能混凝土。

(2)与机制砂组成混合砂：机制砂偏粗，尾矿砂则较细，将他们搭配组成混合砂，只要完善优化颗粒级配，就可以配制出性能优良、力学等性能达到水工结构使用要求的高性能混凝土。

(3)与天然砂组成混合砂：铁尾矿砂与机制砂组成混合砂做细集料用于配制水工混凝土，通过适当调整二者混合比例搭配成级配合理的混合砂，就可以配制出性能优良、力学等性能达到水工结构使用要求的高性能混凝土。对于水工高性能混凝土，通过合理搭配混合砂比例使用优质矿物掺和料和聚羧酸减水剂可以配制出 28d抗压强度达到94MPa、抗冻F280及抗渗W8的高性能混凝土，证明了铁尾矿砂可以应用于水工高性能混凝土中。

通过一系列对比试验研究，从铁尾矿砂混凝土和铁尾矿混合砂混凝土拌合物性能、基本力学性能和耐久性能等试验数据可以看出，铁尾矿砂配制混凝土只要级配合理、配合比设计科学，各项性能指标可以满足混凝土结构施工的基本技术要求，能达到水工高性能混凝土相关性能指标水平。但铁尾矿砂配制的水工混凝土能否应用于大规模水利工程中，还需通过长时间的工程实践来检验。