铁尾矿骨料配制预拌混凝土应用技术研究

王子龙，翟文周，潘金敢，赵锋

（南京中联混凝土有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

铁尾矿是选矿后的工业固体废弃物，随着我国工业化的迅速发展，铁尾矿的产量与日俱增，已成为主要的工业固体废弃物[1]。

国内外有关铁尾矿混凝土的研究较多，但大多集中于实验室室内研究，规模较小，现场应用研究较少，铁尾矿利用率低。此外，各矿区尾矿品质参差不齐，物化性质差异大，配制的混凝土性能差别明显，研究结果具有一定的独特性。试验使用闪长玢岩骨料大掺量（50%和100%）替代石灰岩骨料配制C30和C40混凝土，对混凝土工作性能、力学性能以及骨料吸水率展开研究，目的是为了提高铁尾矿二次资源无害化利用率，降低商品混凝土的生产成本，为铁尾矿骨料混凝土大规模应用于实际工程提供理论指导。

1 试验

1.1 试验原料

水泥采用南京中联水泥有限公司生产的52.5普通硅酸盐水泥，实测3 d抗压强度为35.7 MPa，28 d抗压强度为56.6 MPa；粉煤灰采用南京华能粉煤灰有限公司生产的F类级灰，45 m筛筛余量为7.5%，需水量比为94%，活性指数为81%；矿粉采用马鞍山钢铁股份有限公司生产的S95矿粉，3 d活性指数为73%，28 d活性指数为98%；试验用砂为混合砂，细度模数为2.6，级配Ⅱ区；对照组碎石采用安徽石灰岩骨料（L1和L2），铁尾矿碎石采用安徽闪长玢岩骨料（D1和D2）；减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸类高效减水剂；拌合水取自实验室普通自来水。

图1为D1和L1碎石粒径分布，图2为D2和L2碎石粒径分布，可知D1和L1碎石都接近于5~31.5 mm连续级配，但大颗粒较多。L2碎石属于5~16 mm连续级配，D2碎石接近于5~16 mm连续级配。

图1 D1和L1碎石粒径分布

图2 D2和L2碎石粒径分布

闪长玢岩D1和D2碎石的主要化学组成见表1，由于只存在破碎粒径的不同，两者化学组成基本没有差异，主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3等。图3为闪长玢岩碎石粉末的X射线衍射图谱，由图3可知，闪长玢岩中的主要晶相有长石、方解石、磁铁矿、绿泥石、石英和透闪石。

表1 闪长玢岩碎石化学组成

图3 闪长玢岩碎石晶相组成

1.2 混凝土配合比

C30和C40混凝土具体试验配合比见表2、3。

表2 C30混凝土配合比 单位：kg/m3

1.3 试验方法

按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52—2006对试验用砂、石的颗粒级配（细度模数）、吸水率进行测试；按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080—2016对新拌混凝土的坍落度进行测试；按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2019对混凝土进行搅拌、成型、养护和强度测试。

2 试验结果与讨论

表3 C40混凝土配合比 单位：kg/m3

2.1 铁尾矿骨料对混凝土坍落度的影响

混凝土良好的和易性和流动性是保证施工顺利进行的关键，图4和5分别为20°C下C30和C40混凝土在2 h内的坍落度及其拟合曲线，表4和5分别为两类混凝土坍落度曲线拟合结果及其状态。

图4 C30混凝土坍落度（20 °C）

图5 C40混凝土坍落度（20 °C）

表4 C30混凝土坍落度曲线拟合结果及其状态（20 °C）

表5 C40混凝土坍落度曲线拟合结果及其状态（20 °C）

由图4、5可知：C30和C40混凝土流动性良好，初始坍落度大于190 mm和210 mm，随着静置时间的延长和闪长玢岩骨料掺量的增加，坍落度总体呈现逐渐降低的趋势，但2 h后坍落度大于150 mm和180 mm，满足C30和C40混凝土坍落度要求。闪长玢岩粗骨料在饱水12 h后可显著改善混凝土的流动性，C30WD1100%和C40WD1100%D2100%初始坍落度分别为220 mm和230 mm，较C30D1100%和C40D1100%D2100%分别增大约15.8%和9.5%，2 h后的坍落度分别为180 mm和200 mm，较C30D1100%和C40D1100%D2100%分别增大约20.0%和11.1%。C30混凝土流动性从大到小依次为C30WD1100%＞C30＞C30D50%＞C30D1100%，C40混凝 土流动性从大到小依为C40WD1100%D2100%＞C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%，两类混凝土浆体包裹性良好，不存在泌水和离析现象，具有良好的粘聚性和保水性。

2.2 铁尾矿骨料对混凝土力学性能的影响

抗压强度是评价混凝土力学性能的重要指标，良好的抗压强度是安全施工的保障。图6和7分别为C30和C40混凝土在20°C标准养护条件下3 d、7 d和28 d的抗压强度。掺入闪长玢岩骨料会略微降低混凝土的抗压强度，且随着掺量的增加降低幅度增大，其中闪长玢岩骨料饱水12 h后混凝土强度降低明显，但随着龄期的延长降低幅度逐渐减小，所有混凝土的抗压强度都保持稳定增长，满足C30和C40混凝土强度要求。

图6 C30混凝土抗压强度（20 °C）

图7 C40混凝土抗压强度（20 °C）

由图6和7可知：C30D1100%和C40D1100%D2100%在28 d抗压强度分别为40.3 MPa和45.7 MPa，较准组分别降低约6.9%和3.6%。C30WD1100%和C40WD1100%D2100%在28 d抗压强度分别为35.5 MPa和44.3 MPa，较C30D1100%和C40D1100%D2100%分别降低约11.91%和3.06%，主要原因是饱水12 h后储存在碎石里的水量在拌和混凝土时增加了体系的水胶比，从而降低了混凝土的强度。C30混凝土抗压强度从大到小依次为C30＞C30D50%＞C30D1100%＞C30WD1100%，C40混凝土抗压强度从大到小依次为C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%＞C40WD1100%D2100%。实际生产中可采用饱水、预润湿或喷淋工艺改善混凝土的工作性能，采用外加剂或优化配合比技术提高混凝土抗压强度。

2.3 铁尾矿骨料微观结构与吸水率

坍落度和抗压强度试验表明混凝土的力学性能和工作性能与骨料的吸水率密切相关，图8为20 °C下闪长玢岩碎石在不同饱水时间的吸水率，表6为吸水率测试曲线拟合结果。由图8可知，D1和D2碎石的吸水率都随饱水时间的增加逐渐增大直至达到饱和状态，相同饱水时间内D2碎石的吸水率明显高于D1，饱水24 h后D2碎石的吸水率约为2.05%，较D1增大约15.2%。

图8 闪长玢岩碎石吸水率（20 °C）

表6 闪长玢岩碎石吸水率曲线拟合结果（20 °C）

骨料的吸水率与其孔结构密切相关，碎石所含孔体积越大吸水率及饱和吸水量越高[2-3]。闪长玢岩碎石内部存在大量孔隙和缝隙结构为其吸水提供了更多途径，使其具有一定的吸水率。D2碎石吸水率略高于现行国家标准《建设用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅱ和Ⅲ类粗骨料要求（≤2%），对混凝土的工作性能和力学性能无明显影响，而最新GB/T 14685的征求意见稿中已将Ⅲ类粗骨料的吸水率规定为≤3.0%，高吸水率骨料也可应用于预拌混凝土，通过配合比优化和外加剂使用达到配制混凝土的技术要求，铁尾矿骨料可应用于实际生产。

3 结论

（1）C30和C40混凝土具有良好的流动性和抗压强度，初始坍落度最小值分别为190 mm和210 mm，2 h后的坍落度最小值分别为150 mm和180 mm，20 °C标准养护条件下28 d抗压强度最小值分别为35.5 MPa和44.3 MPa，满足C30和C40混凝土坍落度和强度要求。

（2）闪长玢岩骨料饱水后可显著改善混凝土的流动性，但降低抗压强度，实际生产中可采用饱水、预润湿或喷淋工艺改善混凝土的工作性能，采用外加剂或优化配合比技术提高混凝土的抗压强度。

（3）闪长玢岩骨料内部大量的孔隙和缝隙结构使其具有一定的吸水率，且颗粒粒径越小，骨料吸水率越高，吸水率变化也越大，D2碎石24 h的吸水率约为2.05%，略高于现行国家标准《建设用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅲ类粗骨料要求（≤2%），但对混凝土工作性能和力学性能的影响不大，可应用于实际生产，实现铁尾矿二次资源化利用。