铁尾矿陶粒混凝土的制备与性能分析

2021-04-16李晓光侯鑫鑫梁保真王攀奇SaddamAli

硅酸盐通报 2021年3期

李晓光，侯鑫鑫，梁保真，王攀奇,Saddam Ali

(1.长安大学建筑工程学院，西安 710055；2.陕西建工第五建设集团有限公司，西安 710032)

0 引言

陶粒作为一种轻骨料被广泛应用于混凝土制备。诸雪青[1]用粉煤灰烧制陶粒并制备出LC30、LC40等级的陶粒混凝土；王帅[2]使用粉煤灰陶粒制备出了一种密度低于1 400 kg/m3的轻质混凝土。

铁尾矿作为一种固体废弃物，可制备成陶粒[3-4]。铁尾矿陶粒表面粗糙，内部为不连通孔隙，具有一定强度，可作为轻骨料混凝土的原材料。李涵[5]将陕西某地铁尾矿烧制成陶粒，并制备出LC15～LC30等级的轻质混凝土。现阶段研究表明，陶粒混凝土耐久性优于普通混凝土[6-7]，陶粒的“自养护”效应可以增强混凝土密实程度，从而提高抗冻性[8]。本文通过测试陕南地区的铁尾矿陶粒混凝土的力学性能以及耐久性，探究其是否具有轻质高强、耐久性好以及环保的效果。

1 实验

1.1 原材料

水泥：采用冀东海德堡(泾阳)水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度为45 MPa。粉煤灰：采用大唐陕西发电有限公司渭河热电厂生产粉煤灰，符合GT/T 1596—2017中F类Ⅱ级粉煤灰技术要求。粗骨料：采用陕西秦达建材有限责任公司生产的铁尾矿陶粒。该陶粒以秦岭南麓铁尾矿细粉作为主要原料，与粘结剂混合后，经过造粒成型、干燥、预热、烧结4个过程制备而成。陶粒的物理性能如表1所示，颗粒级配如表2所示。

本次试验均采用干燥陶粒。细集料：采用普通砂，细度模数为2.6，堆积密度为1 600 kg/m3，颗粒级配良好。每次适配混凝土前，将其烘干后使用。水：自来水。外加剂：使用某公司生产的高效聚羧酸减水剂。

表1 陶粒的物理性能Table 1 Physical properties of ceramsite

表2 陶粒的颗粒级配Table 2 Particle size distribution of ceramsite

1.2 配合比设计

按照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ/T 12—2019)和《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)的相关规定制备试验所需的混凝土试件。对于陶粒混凝土，先按照适配强度确定胶凝材料用量，再根据粗、细骨料松散堆积总体积计算粗、细骨料用量，最后适配混凝土，发现坍落度依靠外加剂控制在(50±10) mm时，陶粒上浮现象不明显。同时制备同等级普通混凝土作为参照。混凝土配合比设计如表3所示。

表3 混凝土配合比设计Table 3 Design of concrete mix proportion /(kg·m-3)

1.3 试件制备与养护

先将粗骨料和砂在搅拌机搅匀，再加入胶凝材料再次搅匀，最后加入水和外加剂，边加边搅拌，搅拌时间控制在120 s。出料后立即入模具，并在振动台在振动20 s，表面抹平，24 h后拆模，并放入标准养护室养护至规定龄期。

1.4 试验方法

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)对所有试件进行3 d、7 d、28 d抗压强度测试，抗折强度测试以及弹性模量测试。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)对LC30和C30试件进行抗冻性能测试和抗氯离子渗透性能测试。使用扫描电镜(SEM)观察其微观形貌特征。

2 结果与讨论

2.1 力学性能对比

图1为LC30～LC40和C30～C40在3 d、7 d、28 d龄期的抗压强度,混凝土力学性能及表观密度的测试数值见表4。

根据表4可知LC30～LC40中，只有LC30的28 d抗压强度满足《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ/T 12—2019)所要求的配制强度。减少水用量或增加水泥用量，不仅不符合规范要求还会增加经济成本，所以通过增加水泥用量提高强度不可行。陶粒混凝土较普通混凝土表观密度下降约550 kg/m3，28 d抗压强度偏低，这是因为不同于普通混凝土的界面破坏，陶粒混凝土破坏时，内部陶粒被剪断。陶粒混凝土28 d抗压强度受水胶比影响程度相较普通混凝土小，是因为陶粒强度是轻骨料混凝土强度的主要影响因素[9]。

由图1看出，铁尾矿陶粒混凝土3 d就可达到28 d抗压强度的80%，3 d龄期后强度增长减慢是因为干燥陶粒在水化早期吸收了部分自由水，降低了局部水灰比[10-11]，一些水泥浆已经渗入陶粒的表面孔至一定深度[12]，陶粒界面区域变化提高了陶粒混凝土的早期强度。

从表4中看出，陶粒混凝土抗折强度大小约为普通混凝土的60%，主要原因为陶粒自身强度过低，同时也因为本次试验陶粒粒径较大，也会对抗折强度造成影响[13]。通过观察陶粒混凝土破坏断面，发现其抗折试验中破坏形态为陶粒被剪断，而非界面过渡区破坏，这也证实了陶粒混凝土界面过渡区的强度较高。

弹性模量大小受骨料强度影响较大，表4中LC30～LC40的弹性模量低于C30～C40，约为普通混凝土的65%左右，符合一般规律，即较小的弹性模量可以延长其使用寿命和抗震性能。

图1 LC30～LC40和C30～C40在不同龄期的抗压强度Fig.1 Compressive strength of LC30 to LC40 and C30 to C40 with different ages

表4 混凝土力学性能及表观密度Table 4 Mechanical properties and apparent density of concrete

2.2 耐久性能对比

经过试验得出数值，绘制混凝土动弹性模量损失曲线和质量损失曲线，见图2(a)、(b)。LC30冻融循环状态见图3。

由图2可知，LC30在冻融循环200次时，动弹性模量下降超过50%，认定该试件被破坏,而C30在冻融循环50次时质量损失就已经接近5%。LC30冻融循环质量损失率先下降至负数，这是由于冻融循环下混凝土内部损伤增大了微裂缝和有害孔的数量，混凝土吸入更多的水。从图3中可以看出：冻融循环50次时，混凝土表面较少剥落；100～150次时，剥落严重，骨料露出试件表面；200次时，混凝土两端开始大面积剥落，动弹性模量下降了30.91%；250次时试件已经完全冻坏。

相对于普通混凝土，陶粒混凝土抗冻性能较好，首先陶粒混凝土界面过渡区较普通混凝土更密实，相较普通混凝土其孔隙储水量也少，其次陶粒内部孔在混凝土中形成 “储备孔”，类似 “引气”的作用，提高了混凝土的抗冻性能[14]。另外陶粒混凝土弹性模量小，相对于普通混凝土，在冻融循环下产生的应力作用下，可以产生更大应变从而缓解应力集中现象。因此，陶粒混凝土有更强的抗冻性。

图2 冻融循环下的质量损失及动弹性模量损失Fig.2 Quality loss and dynamic elastic modulus loss under freeze-thaw cycles

图3 LC30不同冻融循环次数下的状态Fig.3 State of LC30 under different freeze-thaw cycles

经过试验测定，得出LC30和C30的非稳定态氯离子迁移系数和氯离子渗透高度平均值见表5。从表5中看出，C30的氯离子迁移系数和氯离子渗透高度值都比LC30大，可知陶粒混凝土抗氯离子渗透能力也显著高于普通混凝土。

首先，LC30水胶比低于C30，因此混凝土更密实，抗氯离子渗透效果更好。其次，普通混凝土的界面过渡区范围内，由于泌水现象，普通骨料周围形成一定厚度的水膜层或稀水泥浆，待水分蒸发，会产生较多的微裂纹或形成疏松的多孔结构。干燥陶粒在新拌混凝土中不断吸水，阻碍水膜层或水泥浆层的形成，同时陶粒混凝土表面粗糙，水泥石可以与陶粒紧密粘接，界面过渡区的有害孔数量减少，孔径变小[15-16]，因此混凝土抗氯离子渗透能力得以提高。

表5 非稳定态氯离子迁移系数和氯离子渗透高度平均值Table 5 Average values of chloride penetration height and transport coefficient of unstable chloride ion

2.3 SEM分析

为了研究铁尾矿陶粒和普通骨料的界面过渡区，使用SEM观察养护28 d的混凝土界面区，结果如图4所示。可以明显看出，陶粒界面区域的硬化水泥石较普通骨料更致密，这是因为陶粒养护后期的“返水”效果，水化反应更充分。普通骨料界面区域疏松多孔，也是其耐久性差的根本原因。同时还观察到进入陶粒内部的水泥浆形成的水化产物，使得陶粒和硬化水泥浆体有着较强的啮合作用，因此陶粒混凝土的界面区结合更紧密，强度更高。

图4 界面过渡区SEM照片Fig.4 SEM images of interface transition zone

2.4 经济性分析与应用

装配式混凝土的成本主要取决于原材料费以及人工费、机械费。铁尾矿陶粒混凝土与普通混凝土的成本区别在原材料费用上。铁尾矿陶粒混凝土的原材料价格如表6所示。本次试验中LC30与C30混凝土的成本统计如表7所示。

从表7可看出，每立方铁尾矿陶粒混凝土原材料成本高出普通混凝土成本的30.61%。由于铁尾矿陶粒混凝土低表观密度及较好的耐久性，在实际工程运用过程中，其“轻质”的特点可以减少承重结构中钢筋和混凝土的用量，较好的耐久性也可以增长其使用寿命，弥补成本上的劣势。在陕西能源绿色建筑产业园建设中，外墙挂板采用铁尾矿陶粒混凝土预制板，进一步提高了装配率。