改良铁尾矿砂混凝土的力学和耐腐蚀性能研究

2021-02-21程和平陆璐

矿产综合利用 2021年6期

程和平，陆璐

(1.常州工程职业技术学院建筑工程学院，江苏常州 213164；2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000)

作为铁矿石开采的附属产物铁尾矿砂，通常会被搁置在开采矿区周围或者被运至人迹稀少的地方集中堆放，这些废弃物不仅对周围环境造成了严重的污染，也占据了大量的土地资源，且铁尾矿砂一般含有放射性或者有毒性物质，长期存放会使得这些物质经过渗透侵入地下水资源以及周围耕地资源，对周围居民的生命安全带来严重威胁，甚至会使土地过度硬化，导致该区域的土地无法进行耕种或者用于建设[1-2]。如何有效科学地处理尾矿砂是一个棘手的问题，在国内对于尾矿废弃物的处理主要有以下几种方法[3-5]：（1）通过压碎、粉碎和分选；（2）焚烧处理、热解处理、焙烧处理；（3）将尾矿中有毒有害物质进行稳定化处理以及将有毒物质进行化学浸出处理。通过以上各种方法提炼出尾矿中有用物质，或者将尾矿与混凝土进行掺和制备免烧砖，以及可以通过铁尾矿和耐火材料的混合制备防火材料等。

本文将采用铁尾矿砂制备新型混凝土，一方面降低普通混凝土中河砂、石子等天然骨料的使用，避免过度开采石料和砂料造成的水土流失等问题；另一方面也将尾矿废弃物进行循环利用，避免尾矿砂大量堆积带来的污染环境问题。根本上，响应了国家绿色发展以及建设绿色生态的政策，进而完善了绿色建筑的概念以及提升了尾矿废弃物的价值。同时，通过研究铁尾矿砂混凝土的力学性能和应用性能，为后续铁尾矿砂混凝土作为建筑材料的使用提供实验基础。

1 铁尾矿砂的基本性质

1.1 铁尾矿砂的成分分析

本次实验所选用的铁尾矿砂取自河北唐山滦县铁矿，主要含有以下矿物：磁铁矿、赤铁矿和假象赤铁矿，石英和绿泥石等。采用XRF实验设备对该尾矿的化学成分进行分析，得到尾矿砂的化学组成为SiO2（70.21%）、Fe2O3（18.46%）、Al2O3（7.08%）、CaO（3.34%）、MgO（0.31%）、Na2O（0.39%）和TiO2（0.21%），即该尾矿砂主要成分是二氧化硅和三氧化二铁，并伴有其他少量的氧化物，故可以将该尾矿砂定义为高硅型铁尾矿。

1.2 铁尾矿砂的放射性和有毒性分析

一般尾矿废弃物中都含有大量有毒、有放射性的物质，当将尾矿废弃物作为建筑材料应用于建筑物中时，需要对其放射性进行检测，保证尾矿放射性满足国家建筑标准且不会对人体健康造成伤害。根据《建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准》GB 6763-86[6]以及唐山滦县铁矿提供的尾矿放射性检测结果（226Ra浓度为0.509 Pci/g、232Th浓度为0.171 Pci/g和40K浓度为9.982 Pci/g）可知，该铁尾矿砂的放射性物质含量符合规范要求。而该尾矿内部的有毒物质经过检测后，得到汞、铅、镉、铜、砷、硫化物、氟化物以及氰化物等物质的含量均小于《危险废物鉴别标准及浸出毒性鉴别标准》GB 5085.3-1996[7]中的要求，故可以认为该尾矿砂浸出液中各有毒物质浓度满足要求，可放心运用于建筑材料中。

1.3 铁尾矿砂的烧失量分析

为了对所选用铁尾矿砂材料的纯度和耐火性能进行分析，一般采用烧失量来进行判断，即

式中：M为烧失量，%；m为烘干后材料质量，kg；m1为容器质量，kg；m2为容器和灼烧材料质量，kg。不同温度下该铁尾矿砂的烧失量变化规律见图1。

图1 铁尾矿砂的烧失量变化规律Fig.1 Variation of ignition loss of iron tailings

2 铁尾矿砂混凝土抗压强度实验

2.1 实验步骤

根据《水泥胶砂强度检验方法》GB/T 17671-1999[8]可知，抗压强度实验所用铁尾矿砂混凝土的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。混凝土抗压实验主要采用WDW-300E型微机控制电子万能实验机，在立方体混凝土试样上端面施加荷载直至试样破坏为止，得到混凝土试样的抗压强度。

2.2 实验结果分析

本文设置了五种不同水灰比（0.35、0.40、0.45、0.50和0.55）以及五种不同铁尾矿砂掺量（0、10%、20%、30%和40%）。绘制出不同条件下铁尾矿砂混凝土抗压强度变化曲线见图2。

图2 铁尾矿砂混凝土抗压强度变化曲线Fig.2 Curves of the compressive strength of iron tailings concrete

由图2可知，随着水灰比的增大，混凝土的抗压强度变化规律呈现出先增大后减小的趋势，且在水灰比为0.45时混凝土的抗压强度达到了最大值，这是由于水灰比的增大使得混凝土砂浆的和易性和拌合性更好，且水灰比越大混凝土内部矿物成分发生的水化反应越彻底，产生的水化产物充填在混凝土孔隙内，使得混凝土的结构性更加完整；但是随着水灰比的持续增大，混凝土砂浆的保气性下降，且水分的增多使得砂浆更加稀释，进而导致混凝土的抗压强度出现了下降趋势[9]。而随着铁尾矿砂掺量的增大，混凝土的抗压强度变化规律也呈现出先增大后减小的趋势，且在铁尾矿砂掺量为20%时混凝土的抗压强度达到了最大值，这是由于在铁尾矿砂掺量小于20%时，随着铁尾矿砂掺量的增大，铁尾矿混凝土中含有的氧化硅和三氧化二铁等氧化物质会与混凝土内部其他材料进行反应，产生的氧化产物充填在混凝土内部的孔隙中，可以有效地提升铁尾矿混凝土整体抗压强度，但是当铁尾矿砂掺量大于20%时，氧化物质虽然与混凝土内部其他材料进行反应，但是铁尾矿砂中过量的氧化物质产生化学反应的速度要小于水泥熟料的化学反应速度，使得产生的化学产物减少，无法很好地充填在混凝土固体骨架之间，故铁尾矿砂混凝土的抗压强度开始下降[10]。

3 铁尾矿砂混凝土耐腐蚀性实验

3.1 实验步骤

当铁尾矿砂混凝土用于建筑材料时，混凝土会处于酸性或者碱性环境中，这会严重影响混凝土的力学性质，故需要对混凝土的耐腐蚀性进行研究，保证混凝土的力学性能和耐久性满足建筑使用要求。配制不同浓度的硫酸钠溶液和氢氧化钠溶液，铁尾矿砂混凝土的尺寸依然为150 mm×150 mm×150 mm；当混凝土试样养护28 d之后，对混凝土试样进行称重，再将混凝土试样浸泡在上述两种溶液中，以每30 d为一个周期，浸泡30 d后取出试样在自然环境中放置10 d，以此循环反复至4个周期后将混凝土试样放在室温条件下自然风干后进行抗压强度测试，得出不同浸泡天数作用下混凝土的抗压强度的变化规律，此时混凝土的铁尾矿掺量设定为20%，水灰比设定为0.45。在测定完抗压强度指标之后，将混凝土试样进行烘干后称重，计算出不同浸泡天数作用下混凝土的质量损失率。

3.2 实验结果分析

绘制出不同浸泡天数作用下混凝土的抗压强度的变化规律见图3。

图3 酸碱条件下混凝土的抗压强度Fig.3 Concrete compressive strength under acid-base conditions

由图3可知，随着浸泡天数的增大，在碱性溶液浸泡后的混凝土试样的抗压强度呈现出下降趋势，这主要是由于混凝土内部原生矿物等物质与氢氧根离子会发生化学反应，使得水泥土的胶凝结构产生破坏，进而使得铁尾矿砂混凝土的抗压强度急剧下降[11]。而在酸性条件下，随着浸泡天数的增大混凝土试样的抗压强度也呈现出下降趋势，酸性离子与混凝土内部物质发生化学反应，生成了大量的非胶凝产物或者是易溶于水的产物，这使得混凝土表面不断发生脱落，造成混凝土试样由外向内的破坏；同时，酸性溶液促使水化硅酸钙的水解，破坏了混凝土内部结构的完整性，进而使得混凝土试样的抗压强度逐渐降低。但是在酸性溶液浸泡后混凝土的强度要小于碱性溶液浸泡后混凝土的强度，这是由于碱性溶液条件下，混凝土内部矿物成分与溶液发生化学反应的速率小于酸性溶液条件下的，且氢氧根离子与水泥中的酸盐产生反应产生的氢氧化钙，在一定程度上可以提升混凝土的抗压强度。

绘制出不同浸泡天数作用下混凝土的质量损失率的变化规律见图4。

图4 酸碱条件下混凝土的质量损失率Fig.4 Concrete quality loss rate under acid-base conditions

由图4可知，随着浸泡天数的增大，在碱性溶液浸泡后混凝土试样的质量损失率均呈现出下降趋势，这主要是由于混凝土内部原生矿物等物质与氢氧根离子会发生化学反应，生成大量的沉淀物充填在孔隙中使得微观结构不断膨胀，混凝土外部表层出现明显脱落现象，进而导致混凝土试样质量的损失[12]。而在酸性条件下，随着浸泡天数的增大混凝土试样的质量损失率也呈现出下降趋势，这也是由于酸性离子与混凝土内部物质发生化学反应，生成了大量的非胶凝产物或者是易溶于水的产物，使得混凝土表面不断发生脱落，即随着浸泡天数的增大，混凝土的质量损失率越来越大。

4 铁尾矿砂混凝土渗水性能实验

4.1 实验方案

根据达西定律可知[13]，混凝土的渗透系数K为：

式中：Q为单位时间内溢出的水量，cm3/s；A为混凝土的横截面积，cm2；L为混凝土的厚度，cm；H为水头差，cm。

4.2 实验结果分析

本文设置了五种不同铁尾矿砂掺量，来研究不同条件下铁尾矿砂混凝土的力学渗水性能，不同条件下铁尾矿砂混凝土渗水系数变化曲线见图5。

图5 铁尾矿砂混凝土渗水系数变化曲线Fig.5 Variation law curve of seepage coefficient of iron tailing sand concrete

由图5可知，随着铁尾矿砂掺量的增大，混凝土的渗透系数呈现出先增大后减小的变化趋势，且当铁尾矿砂掺入量超过30%时，铁尾矿砂混凝土的抗渗性能下降，这是由于铁尾矿颗粒的吸水性能要好于天然砂石材料的吸水性能，当铁尾矿砂混凝土在初期硬化过程时，混凝土内部铁矿砂中矿物成分与自由水之间的化学反应剧烈，产生的化学产物填充在孔隙中，提升了混凝土自身的密实度，进而使得铁尾矿混凝土的抗渗性能降低[14]。当铁尾矿砂掺量大于30%时，混凝土内部的铁尾矿砂含量逐渐增多、铁尾矿砂吸收混凝土内部自由水也增多，使得混凝土内部水化反应程度减小，进而改变了混凝土内部的密实性，最终导致混凝土的渗透系数增大。

5 铁尾矿砂混凝土冻融循环特性实验

5.1 实验方案

混凝土冻融循环实验中混凝土试样的尺寸定为100 mm×100 mm标准圆柱形试样[15]，并将混凝土试样放置在养护室进行养护28 d后，放置在室温条件下。冻融循环实验的具体步骤为：（1）将养护28 d的铁尾矿砂混凝土放入清水中浸泡至饱和状态；（2）将饱和试样放置在TDS-300冻融实验机中进行冻融循环实验；（3）本次冻融循环实验的消融温度选取室温（经测定为23.1℃），按照消融温度将冻结温度设定为-23.1℃，且冻结和消融的时间都设定为24 h；（4）循环次数设定为0、100、200、300和400次。分析混凝土在冻融循环实验中冻融特性的指标为抗冻系数B，采用式（3）进行计算。

式中：RC为冻融循环n次混凝土试样的抗压强度，MPa；R为未经历冻融循环混凝土试样的抗压强度，MPa。

5.2 实验结果分析

将混凝土的铁尾矿掺量设定为20%，水灰比设定为0.45。绘制出不同冻融循环次数作用下混凝土的抗冻系数变化规律以及应力-应变曲线见图6。

图6 应力-应变曲线与抗冻系数变化规律Fig.6 Stress-strain curve and the change law of frost resistance

由图6可知，随着冻融次数的不断增大，混凝土的抗压强度不断减小且抗冻性指标也不断减小，这是由于将混凝土浸泡至饱和状态后进行冻融循环实验，在混凝土的冻结过程中，其内部毛细孔水会由液态转化为固态冰，使得混凝土的体积开始向外膨胀变形，且混凝土内部毛细孔壁受到约束形成的膨胀力也会使孔隙结构产生破坏[16]；同时，在上述过程中胶凝孔中的未冻结水由于膨胀力产生迁移和重分布，进而在孔隙内部形成新的渗管压力，最终导致混凝土内部结构发生破坏。即当混凝土在经历冻融循环作用后，混凝土内部的损伤不断积累，原有微观裂隙逐渐发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低[17]。