铁尾矿微粉混凝土的力学性能分析

田尔布，康海鑫，连跃宗

（1.三明学院 福建省工程材料与结构加固重点实验室，福建 三明 365004；2.浙江工业大学 土木学院，浙江 杭州310014）

铁尾矿是一种工业废渣，是经过选矿之后形成的品位较低的以硅酸盐矿物为主的废渣[1]。铁尾矿主要以尾矿库形式进行堆存，对生态环境带来很大影响，也给矿企带来生存压力，所以进行铁尾矿的资源化综合利用是迫切问题[2]。根据相关研究和铁尾矿特性，铁尾矿可被用于改良酸性土壤、制备陶瓷地板砖和墙面砖、加气混凝土制品、回填料、人工鱼礁混凝土、超高性能混凝土等[3-8]。

铁尾矿组成矿物以石英、氧化铝和铁的氧化物为主，具有很高活性潜力[9]。随着选矿工艺的改进，使得铁尾矿粒径越来越细，虽然限制了铁尾矿的应用范围，但是却为铁尾矿作为活性掺合料提供了可能性[10]。研究表明，机械力粉磨使铁尾矿活性增强的主要原因是铁尾矿颗粒尺寸迅速减小，机械能把颗粒晶体结构破坏，产生的铁尾矿微粉活性增高[11]。有研究表明，经过研磨成粉末的铁尾矿微粉与其他活性掺合料（如粉煤灰、矿渣粉）复掺对水泥混凝土强度和耐久性均有不同程度的影响[8,12]。但是单掺铁尾矿微粉作为掺合料取代水泥的相关研究报道研究甚少。

本文将铁尾矿微粉作为掺合料取代部分水泥应用于混凝土，研究铁尾矿微粉对混凝土的力学性能影响，为铁尾矿微粉的资源应用提供借鉴。

1 原材料与试验

1.1 铁尾矿微粉

铁尾矿微粉来自福建省三明市大田县汤泉铁矿厂。根据最新标准检测方法测得铁尾矿微粉的物理化学指标如表1～2。

表1 铁尾矿微粉的物理指标

表2 铁尾矿微粉的放射性检验结果

利用激光粒度仪（Mastersizer2000）测试铁尾矿微粉的粒径分布，测试结果如图1。

图1 铁尾矿微粉的粒径分布

铁尾矿微粉的粒径主要分布在1～100 m之间，集中分布45 μm以下。

利用扫描电子显微镜对铁尾矿微粉进行形貌扫描，如图2所示，可以看到形状各异，基本无圆形、片状、针状颗粒，颗粒棱角明显。

图2 放大5000倍的铁尾矿微粉形貌

1.2 水泥

本研究所用的红狮P·O42.5R水泥是由福建省三明市大田红狮水泥公司生产的。其主要的技术指标均满足国家的标准规范要求，具体主要指标和化学成分如表3～4。

表3 红狮牌P·O42.5R水泥的主要参数指标

表4 红狮牌P·O42.5R水泥的主要化学成分

水泥颗粒的粒径分布如图3。对比图1与图3可以看出，铁尾矿微粉颗粒比水泥颗粒细。铁尾矿微粉中，粒径小于10 m的颗粒占总数的 60%左右；而水泥中，粒径小于10 m的颗粒占总数的45%左右。

图3 水泥的粒径分布

1.3 标准砂

标准砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。

1.4 细集料

细集料均为天然河沙，属于中砂，其主要的技术指标均满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准(JGJ52-2006)》相关标准要求，具体的指标如表5。

表5 细集料的主要参数指标

1.5 粗集料

粗集料为5～10 mm和10～30 mm两种颗粒级配的碎石按7∶3的比例合配成5～30 mm的连续级配，并测得碎石的表观密度为：2 661 kg/m3，堆积密度为1 480 kg/m3，计算得到的空隙率约为42%。碎石的分级筛余和合成级配的累计筛余如表6所示，合成级配曲线如图4所示，该级配粗集料多，在混凝土里易形成骨架结构。

图4 碎石的合成级配曲线

表6 合成后的石子筛余情况

1.6 减水剂

试验所用的减水剂采用福建省建筑科学研究院生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为35%，其各项性能满足《混凝土外加剂（GB/T8076-2008）》的相关技术要求。

1.7 水

自来水，满足《混凝土用水标准（JGJ63-2006）》要求。

1.8 试验方法

水泥净浆流动度试验：试验按照《混凝土外加剂匀质性试验方法（GB/T8077-2012）》进行测试。

水泥胶砂强度试验：试验按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T17671-1999）》进行测试。本试验使用YAW-300微机控制抗折抗压试验机进行试验。

新拌铁尾矿微粉混凝土成型及混凝土抗压抗折试验：抗压试验成型采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试模，标准养护（温度在（20±2）℃、相对湿度在95%的条件下）7、28 d；抗折试验成型采用150 mm×150 mm×450 mm的长方体试模，标准养护（温度在（20±2）℃、相对湿度在95%的条件下）7、28 d。本试验采用YAW-2000B微机控制电液式压力试验机进行混凝土抗压试验,另外采用WAW-2000B微机控制电液伺服万能试验机进行混凝土抗折试验。

2 结果与讨论

2.1 铁尾矿微粉对水泥净浆流动度的影响

铁尾矿微粉掺量（等量取代水泥）与减水剂掺量会对混凝土的流动性产生重大影响，二者的兼容性直接影响混凝土的坍落度测试值。通过水泥净浆流动度的试验方法，确定最佳减水剂掺量。本试验铁尾矿微粉的掺量分别为0%、10%、15%、20%、25%、30%；减水剂的掺量 （与水泥质量之比） 分别为：0%、0.4%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%。试验结果如下图5。

图5 水泥净浆流动度的试验结果

从图5可以看出，随着减水剂掺量的增加，水泥净浆流动度整体呈先上升后稳定趋势。尽管铁尾矿微粉的掺量不同，水泥净浆流动度趋势没有明显变化，说明铁尾矿微粉掺量在30%以内，铁尾矿微粉与减水剂之间的兼容性良好。当减水剂掺量达0.9%时，不掺铁尾矿微粉的水泥净浆流动度首先达到最大值；铁尾矿微粉掺量越大，流动度相对小一点，但是在减水剂掺量达到1.2%时，均达到最大值，说明铁尾矿微粉掺量对净浆流动度具有一定影响。对于后续试验，当铁尾矿微粉掺量在30%范围内，减水剂掺量在1.2%时为最佳掺量。

2.2 铁尾矿微粉对水泥胶砂强度的影响

图6～7为标准养护条件下，不同铁尾矿微粉掺量的水泥胶砂抗折、抗压强度的影响曲线。

图6 铁尾矿微粉对水泥胶砂抗折强度的影响

图7 铁尾矿微粉对水泥胶砂抗压强度的影响

由图6～7可知，在标准养护条件下，随着标准养护时间的增加，水泥胶砂抗折、抗压强度都呈增长趋势；但是在相同的标准养护时间下，随着铁尾矿微粉掺量的增加，水泥砂浆抗折、抗压强度有小范围的波动，但是总体呈下降趋势。不管铁尾矿微粉的掺量多少，3、7 d属于早期强度，均比较低，28、56 d属于后期强度，均有明显增长。但是随着铁尾矿微粉的掺量增加，特别是早期强度的下降速率明显，3d的抗折、抗压强度下降最大的分别达到53%、47%，7 d的抗折、抗压强度下降最大的分别达到26%、42%；而后期强度下降速率较小，28d的抗折、抗压强度下降最大的为16%、36%，56 d的抗折、抗压强度下降最大的为15%、29%。随着龄期增长，胶砂的抗折、抗压强度整体下降幅度减少，说明铁尾矿微粉可能参与二次水化作用，使胶砂在后期强度增长上得到补偿。

根据图7中铁尾矿微粉30%取代水泥的抗压强度，计算可知测得铁尾矿微粉7d活性指数（《矿物掺合料应用技术规范》（GBT 51003-2014））为57%（＞55%），达到矿物掺合料活性指数二级；28d活性指数为63%（＜65%），未达到矿物掺合料活性指数二级。

2.3 铁尾矿微粉对混凝土力学性能的影响

根据《普通混凝土配合比设计规程（JGJ55-2011）》设计要求，水灰比取0.37，胶凝材料用量为390kg/m3，铁尾矿微粉掺量分别为10%、20%、30%。力学试验配合比及强度如表7所示。

表7 混凝土力学试验配合比及强度

2.3.1 铁尾矿微粉对混凝土抗折试验的影响

铁尾矿微粉掺量在0%～30%的变化范围内对混凝土抗折强度的试验结果如表7、图8所示。

图8 不同铁尾矿微粉掺量下的混凝土抗折强度

由表7、图8可知，标准养护的龄期为7、28 d，掺有铁尾矿微粉的混凝土抗折强度均低于普通混凝土，且随着铁尾矿微粉掺量增大，抗折强度逐渐减小；另外，随着铁尾矿掺量增加，由7～28 d龄期的抗折强度增长幅度由不掺铁尾矿的1.2 MPa下降至掺量30%的1.03 MPa，但是7～28 d的后期抗折强度增长率由没掺铁尾矿的29.6%增长到33%。说明铁尾矿微粉的掺量对混凝土抗折强度虽然影响明显，但是由于铁尾矿微粉可能参与二次水化反应，使其后期强度得到更多的增长补偿。

2.3.2 铁尾矿微粉对混凝土抗压试验的影响

铁尾矿微粉掺量在0%～30%的变化范围内对混凝土抗压强度的试验结果如表7、图9所示。

图9 不同铁尾矿微粉掺量下的混凝土抗压强度

通过表7、图9可知，7 d混凝土抗压强度大于30 MPa，28 d混凝土抗压强度大于40 MPa。与抗折强度类似，不同铁尾矿微粉掺量的混凝土抗压强度随着养护龄期的增长而增长；随着铁尾矿微粉掺量提高，混凝土抗压强度总体呈现减小趋势，但是铁尾矿微粉混凝土后期的抗压强度增长率逐渐提高，主要是因为铁尾矿微粉参与了二次水化反应。图9同样说明铁尾矿微粉掺量对混凝土抗压强度虽然影响明显，但后期强度因为铁尾矿微粉可能参与二次水化反应而得到更大程度的增长补偿。

2.3.3 铁尾矿微粉对混凝土抗折/抗压强度之比的影响

由图10可以看出随着铁尾矿微粉的掺量增大，7、28 d的抗折与抗压强度之间比值整体均呈下降趋势。铁尾矿掺量为0%、10%时抗折与抗压强度之间比值最大，均约11.2%。

图10 混凝土抗折/抗压强度之比

混凝土抗折强度主要来自于净浆粘结强度，而抗压强度除了来自于净浆粘结强度外，骨料的骨架结构对抗压强度产生有利影响。随着铁尾矿微粉的掺量增加，混凝土粘结强度会逐步降低，同时由图4可知本研究的级配为骨架结构，因此随着铁尾矿微粉的掺量增加到10%以上时，混凝土抗折强度的下降速度大于抗压强度的下降速度，结果如图10所示：当铁尾矿微粉掺量大于10%时，抗折强度与抗压强度的比值呈现明显下降趋势。

3 结论

通过铁尾矿微粉取代部分水泥，进行水泥净浆流动性试验，水泥胶砂强度、混凝土力学性能试验的测试与分析，可得3点结论。（1）铁尾矿微粉掺量对净浆流动度具有一定影响，当铁尾矿微粉掺量在30%范围内，高效减水剂掺量在1.2%时为最佳掺量。（2）在相同的标准养护时间下，随着铁尾矿微粉掺量的增加，整体呈下降趋势；铁尾矿微粉参与二次水化作用，使胶砂抗折、抗压后期强度得到补偿性增长。7 d活性指数达到矿物掺合料活性指数二级；28 d活性指数未达到矿物掺合料活性指数二级。（3）随着铁尾矿微粉掺量的增加，混凝土的抗折、抗压强度呈减小趋势；铁尾矿微粉掺量超过10%时，混凝土抗折强度的下降速度大于抗压强度的下降速度，抗折强度与抗压强度的比值呈现明显下降趋势。