标准养护条件下铁尾矿制备RPC力学性能研究*

2021-05-08田耀刚阎宝宝陈惠坤李炜光

功能材料 2021年4期

田耀刚，阎宝宝，陈惠坤，黄山，齐琳，李炜光

(1.长安大学材料科学与工程学院，西安 710064；2.长安大学公路学院，西安 710064)

0 引言

铁尾矿作为工业固体废弃物主要的组成部分，现阶段我国铁尾矿主要的处理方式为集中堆存，该处理方式不仅占用大量的土地且对当地生态环境存在严重的安全隐患[1-2]。堆存的尾矿库经过雨水的冲刷会渗入当以土壤，致使土壤退化地下水资源污染；尾矿多为粉质颗粒，大风天气极易引起扬尘和沙尘暴等自然灾害，铁尾矿堆存问题已经严重威胁到当地居民的正常生产生活。因此铁尾矿无害资源化处理问题已刻不容缓[3]。近年来，一些学者尝试将铁尾矿应用到混凝土的生产之中，并取得一定研究成果。王玉雅、崔孝炜[4-5]等利用铁尾矿砂取代天然河砂配制混凝土研究了铁尾矿砂对其性能的影响，结果表明铁尾矿的引入，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均降低，适当铁尾矿砂取代率，可改善混凝土和易性；唐可、Ali Umara Shettima[6-7]等人使用铁尾矿砂作为细集料对混凝土耐久性进行研究，结果表明，适当铁尾矿砂可改善其抗冻性能和抗硫酸盐侵蚀性能；李北星、陈梦义[8-10]等将磨细的铁尾矿粉加入到高性能混凝土中，研究了铁尾矿对其力学性能和微观结构的影响；郑永超[11]等将铁尾矿和水泥熟料进行混磨，制备出28 d抗压强度超过100 MPa的超高强度混凝土，并通过试验验证其具有优异的耐久性。目前，铁尾矿主要作为细集料在混凝土中应用，或通过粉磨工艺加工成矿粉利用，前者会导致混凝土力学性能显著降低，后者耗能高，经济效益差。因此，铁尾矿资源高效回收利用成为我国绿色可持续发展道路上亟待解决的问题之一[12]。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)作为一种强度高、韧性好、耐久性优良的水泥基复合材料，主要由石英砂、水泥、硅灰、高性能减水剂和钢纤维等原料在蒸压养护条件下制备而成[13]。较高硬度的石英砂在RPC中起骨架作用，较小粒径和优良级配使其具有良好的界面性能[14]。蒸压养护条件能够提高RPC基体内部反应活性，使得水化反应进行的更加充分，结构更加密实[15-16]。常规RPC蒸压养护条件耗能高、养护条件苛刻并且使用石英砂经济性差，极大的限制了RPC大范围推广使用。铁尾矿砂与石英砂粒径相似，且均具有硅含量高、硬度高等特性[17]，但鲜有采用铁尾矿砂代替石英砂在标准养护条件下配制RPC以提高经济效益和环保性的相关研究。

本文以固体废弃物铁尾矿为原材料，取代常规制备RPC所用价格昂贵的石英砂，并采用常规养护制备RPC，研究铁尾矿对RPC工作性能、力学性能、弯曲韧性和微观性能的影响。本文的研究结果不但可以提高废弃物的利用率，还可以改善环境，并在一定程度上解决我国天然砂石料匮乏的难题。

1 试验原材料与试验方法

1.1 试验原材料

水泥采用陕西秦岭牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，主要化学成分见表1。硅灰为灰白色粉末，实测密度2.204 g/cm3，SiO2含量在90%以上，平均粒径0.1～0.2 μm，比表面积18 500 cm2/g，主要化学成分见表1。石英砂(QS)粒径范围为20～80目，SiO2含量大于98%，表观密度2.630 g/cm3。铁尾矿砂(ITS)经筛分处理，粒径小于1.18 mm，表观密度为2.745 g/cm3。矿物成分分析如图1所示，铁尾矿的主要矿物成分有石英、赤铁矿、辉石、钾长石、钠长石、闪角石和磁铁矿，其中石英含量最高。外加剂选用聚羧酸减水剂，减水率30%，含固量29%。钢纤维采用镀铜钢纤维，长度13～14 mm，直径0.22 mm，抗拉强度大于2850 MPa，密度为7.850 g/cm3。

表1 水泥、硅灰主要化学成分

图1 铁尾矿XRD图谱

1.2 试验配合比及成型过程

本文以铁尾矿砂替代石英砂制备RPC对象，研究铁尾矿砂制备RPC的工作性能与力学性能，铁尾矿砂代替石英砂0、30%、60%和100%，高性能减水剂掺量分别胶凝材料的1.5%、2.0%、2.5%和3.0%，其中取代率0为石英砂RPC，取代率100%为铁尾矿砂RPC。具体配合比见表2。

表2 RPC配合比

本文前期通过试验研究了铁尾矿砂制备RPC的工艺影响，并优选出如图2所示的RPC制备工艺过程。按图2所示制备好的RPC，装入40 mm×40 mm×160 mm模具中，振动成型。试件成型后24 h拆模，将试件放入标准养护室，养护至规定龄期。

图2 RPC制备工艺过程

1.3 试验方法

参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》、GB/T 17671—2005《水泥胶砂强度检验方法》和JTG E30—2018《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行RPC的流动度、抗弯拉强度及抗压强度试验。

为了更准确的评价铁尾矿对RPC弯曲韧性影响，本文分别采用美国ASTM C1609[18]和日本JCI SF4[19]两种评价方法。弯曲韧性采用电动伺服试验机恒定位移加载，位移控制速率为0.05 mm/min。

ASTM C1609评价方法计算方式如图3所示，初裂点A处挠度为δ，D、F、H点分别为3δ、5.5δ和10.5δ。AB、CD、EF、GH与载荷-挠度曲线和坐标轴所围成图形的面积分别为A1、A2、A3、A4。比值定义韧性指标为I5、I10和I20，韧性指数表达式为：

图3 ASTM C1609韧性指数计算图[20]

(1)

该方法采用恒定位移加载。

图4 JCI SF4韧性指数计算图[20]

(2)

实验过程采用三点弯曲加载。

2 结果与讨论

2.1 铁尾矿砂和减水剂对RPC流动度影响

减水剂和铁尾矿砂掺量对RPC流动度的影结果如图5所示。由图5(a)和(b)可知，随着减水剂掺量增加，RPC流动度增加，当掺量大于2.5%时，减水剂对RPC流动度影响减弱；铁尾矿砂掺量越高，RPC流动度值越低。减水剂可使被胶凝材料絮凝团所包裹自由水释放出来，从而提高RPC流动度，但并非掺量越高越好，当减水剂掺量达到饱和时，继续增加减水剂量对RPC流动度影响逐渐减弱。石英砂RPC流动性最好主要由于石英砂表面光洁，所含杂质较少，与石英砂相比铁尾矿砂表面粗糙，颗粒粒径较细。减水剂会被吸附于细小颗粒铁尾矿砂和粉质颗粒表面，导致实际发挥作用减水剂量减少，铁尾矿RPC流动度值最低。

图5 不同因素对流动度影响

2.2 铁尾矿砂和减水剂对RPC抗压强度和抗弯拉强度影响

采用不同减水剂掺量和铁尾矿砂取代率制备RPC的28 d抗压强度测试结果如图6所示。由图6(a)可知，石英砂RPC其28 d抗压强度均高于相同减水剂掺量的铁尾矿砂RPC，两种集料的RPC随着减水剂掺量的增加其28 d抗压强度变化规律相同，均为先逐渐增大后趋于稳定；由图6(b)可知，随着铁尾矿砂取代率的增加，28 d抗压强度逐渐降低，与石英砂RPC28d抗压强度相比较，铁尾矿砂RPC下降了11.7%。当铁尾矿砂取代率为30%时，其28 d抗压强度影响不大，继续增加铁尾矿砂掺量，28 d抗压强度降低速度逐渐增大；铁尾矿的加入集料中细粒径颗粒含量增加级配性能逐渐变差，并且铁尾矿砂表面粗糙内部缺陷较多，RPC内部水化反应程度不均匀，导致铁尾矿RPC抗压强度损失较大。

图6 不同因素对抗压强度影响

图7为标准养护28d各配合比RPC试件抗弯拉强度测试结果。由图7(a)和(b)可知，减水剂掺量和铁尾矿砂取代率均会对RPC抗弯拉强度产生一定影响，相同减水剂掺量，石英砂RPC 28 d抗弯拉强度比铁尾矿砂RPC高8.3%～11.0%，随着减水剂掺量的增加，两种不同集料RPC的28 d抗弯拉强度均先急速增大后趋于稳定；铁尾矿砂取代率的增加，RPC抗弯拉强度逐渐降低，并且抗弯拉强度降低趋势逐渐增大，与石英砂RPC 28 d抗弯拉强度相比较，铁尾矿砂RPC下降了10.2%。随着铁尾矿砂取代率的增加，RPC水泥基体强度降低，水泥基体与钢纤维之间的粘结力下降，导致其抗弯拉强度不断降低。

图7 不同因素对抗弯拉强度影响

2.3 铁尾矿砂对RPC弯曲韧性影响

弯曲韧性实验加载过程中，所有试件均为韧性断裂。如图8(a)所示，加载过程中，首先底部出现一条裂纹，载荷增加裂纹向上延申直至贯穿整个横截面。试验结束时，试件并未完全断裂，断裂截面处由钢纤维相连，部分钢纤维被拔出。

如图8(b)所示，4种不同取代率RPC载荷-挠度曲线随着挠度的增加变化趋势相同，均为载荷达到峰值又缓慢下降。铁尾矿砂对RPC弯曲韧性影响主要表现在峰值强度和变形能力。由图8(b)可观察到4种RPC试件的载荷-挠度曲线峰值均出现在1 mm附近，并且随着铁尾矿砂取代率的增加峰值强度逐渐降低。4种RPC试件载荷-挠度曲线峰值以后均出现二次强化现象，即载荷达到第一个峰值以后迅速下降到一定值又上升达到第二峰值。主要原因在于对试件施加载荷大于RPC基体抗弯拉强度时，RPC出现裂纹，但钢纤维并未被拉断，RPC基体和钢纤维之间紧密结合，载荷继续增加达到某一临界值，钢纤维从RPC基体中拔出，载荷下降。

图8 4种RPC 28 d弯曲韧性试件破坏过程和试验结果

表3 RPC弯曲韧性计算表

2.4 RPC水化产物和微观结构分析

图9为标准养护条件下4种不同铁尾矿砂取代率RPC 28d XRD衍射图谱。由图9可知，4种RPC衍射图谱可观察到的物质的相种类基本相同，主要为水化产物钙矾石(AFt)、CH、矿物质石英(SiO2)和未水化的C3S、C2S等，C-S-H凝胶为非晶相无法在XRD衍射图谱中被观测到。由于石英砂和铁尾矿均为富硅型矿物，4种RPC衍射图谱中均出现了较为明显的石英衍射峰。取代率为30%铁尾矿砂RPC与石英砂RPC相比较两者的AFt衍射峰强度差别并不明显，但随着铁尾矿砂取代率的继续增加，AFt衍射峰的强度逐渐减弱。少量的铁尾矿砂对RPC水化反应影响不大，但随着铁尾矿的继续增加对会对水化反应产生不利影响。另外通过比较四种RPC的CH衍射峰强度，发现铁尾矿砂RPC浆体CH衍射峰强度要弱于石英砂RPC，这主要是由于水化反应进行中CH生成的同时又被铁尾矿所引起的火山灰反应所消耗，生成C-S-H凝胶[17]，这些结果与李北星和Han等人的发现一致[8,21]。随着铁尾矿砂含量的增加，4种RPC衍射图谱中未水化C3S、C2S衍射峰强度逐渐增大，铁尾矿引入能容易造成RPC内部水化程度的差异，水化程度明显降低。

图9 4种不同铁尾矿砂取代率RPC 28 d XRD衍射图谱

图10为4种不同铁尾矿砂取代率RPC 28 d标准养护条件下局部SEM图像。由图10(a)可以看出石英砂RPC内部存在大量的AFt、六方板状CH和C-S-H凝胶，水化产物之间物结构较为致密[21]。图10(b)水化产物种类及结构和图10(a)基本相似，说明两种RPC水化程度接近，即少量铁尾矿砂的加入对水化反应的影响并不明显。图10(c)可以看出铁尾矿砂取代率为60%的RPC内部存在一定量的未水化的水泥颗粒、六方板状CH和C-S-H凝胶，水化产物之间结合较为疏松，RPC内部存在一些微观缝隙，一方面是由于铁尾矿砂含量的增加颗粒之间的级配性能变差存在微观缝隙，另一方面说明铁尾矿砂取代率为60%的RPC水化程度较低，水化产物无法彻底填充微观缝隙。图10(d)为铁尾矿RPC局部SEM图像，左侧存在团状结构的C-S-H凝胶，右侧有较多的未水化水泥颗粒，结构较为疏松。这说明了铁尾矿RPC内部水化程度差异较大，这种观点也在铁尾矿砂RPC未水化水泥颗XRD衍射图谱中得以证实，二者结论一致。过多较细颗粒的铁尾矿导致RPC内部水分分布不均容易引起RPC局部水化程度较低，内部缺陷增多，这也是导致其宏观力学性能劣化的主要原因。