铁尾矿渗硫高性能混凝土耐久性试验研究

张会芳 颜政伟 陈汇鋆 龚琳洋 张 斌

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

0 引 言

传统混凝土结构建筑寿命短，施工性差的缺点越来越明显.建筑结构的发展趋势是使用高性能混凝土取代普通混凝土.硫磺最早仅作为化工原料加在制药、橡胶等领域使用，20世纪以来随着硫磺产量不断增加，大多数国家硫磺产量有结余，世界范围的硫磺进出口变得普遍起来，硫磺价格逐步有所降低，这样硫磺被开发出多种用途，应用到更广泛的领域，后来出现硫磺混凝土的概念，随后又发展有渗硫混凝土，渗硫混凝土能视为一种高性能混凝土.

朴春爱研究了铁尾矿粉的活化工艺和机理及对混凝土性能的影响[1].陈秀云研究了铁尾矿砂绿色混凝土构件受力性能试验研究[2].封孝信研究了铁尾矿砂石混凝土的抗冻性能[3].周泉研究了铁尾矿微粉胶凝特性及其混凝土制备[4].刘冰进行了铁尾矿砂自密实混凝土3h内流动性变化的研究[5].国外学者Jan研究了矿渣混凝土抗冻能力以及对除含Cl-冰盐的抵抗能力[6].Alexander研究了矿渣混凝土的徐变性能[7].Roberti Fernanda等人研究了抗硫酸盐水泥生产的高性能混凝土[8].Sohail Muazzam Ghous等人研究了高性能和超高性能混凝土的耐久性[9].本试验使用铁尾矿砂、铁尾矿粉、硫磺、水泥制备高性能混凝土，对混凝土进行渗硫，改善了其各项基本性能.

1 试验基本原料

1.1 水泥

冀东水泥公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥.基本物理学性能见表1所示.

表1 P·O 42.5水泥的基本物理力学性能

1.2 天然粗骨料

试验采用张家口产碎石作为粗骨料，其技术指标见表2所示.

表2 碎石的技术指标

1.3 细骨料

试验采用张家口大清河砂为天然砂，技术指标见表3所示.

表3 砂的技术指标

1.4 粉煤灰

试验粉煤灰采用的是沙岭子电厂产的I级粉煤灰.

1.5 硫磺

本研究所用硫磺为商丘市亮峰生产的升华硫，含量在98%以上.

1.6 铁尾矿砂

试验采用的铁尾矿砂含泥量小于1%，粒径集中在0.3 mm到1.18 mm范围内.

1.7 硅灰

试验所用硅灰的技术指标见表4所示.

表4 硅灰的技术指标

1.8 矿粉

试验所用矿粉为铁尾矿粉.

2 试验方法

2.1 配合比设计

基准配合比为C60混凝土.使用铁尾矿砂代替全部河砂，通过改变细骨料成分、胶凝材料成分、水胶比、掺加矿粉，得到了9组配合比，见表5所示.

表5 铁尾矿渗硫高性能混凝土配合比

2.2 铁尾矿高性能混凝土渗硫处理

本研究采用常压法渗硫.试验中严格控制加热温度，待硫磺完全融化后放入混凝土试件，试件应完全浸入熔融状硫磺中.渗硫前试件先烘干，烘干后试件进行渗硫3小时，硫磺充分冷却后取出试件，并除去附着在表面的硫磺.测定每组试件渗硫前后的质量，精确到1g，测量渗硫深度.见表6所示.

表6 混凝土硫磺渗入量

3 试验结果与分析

3.1 铁尾矿渗硫混凝土抗压强度

混凝土抗压强度是一项基本性能，按照《普通混凝土物理力学性能试验标准方法》(GB/T50081-2019)[10]，试验测得了几组试件在不同养护时间的抗压强度，见表7所示.

表7 铁尾矿渗硫混凝土抗压强度

由表7和图1可见，水胶比为0.33时，以铁尾矿砂取代河砂其抗压强度变化不大；随着矿粉掺量的增加混凝土的抗压强度逐渐下降.水胶比为0.43时，混凝土的抗压强度值小于水胶比为0.33时的抗压强度.渗硫之后不同水胶比的混凝土的抗压强度均有所提高.这是由于水胶比增大导致水泥等凝胶材料减少，引起了混凝土抗压强度的降低；适量的铁尾矿粉掺入混凝土中，起到微集料效应，即粒径很小的颗粒，填充水泥浆体的微细孔隙中，改善胶凝材料的级配，有助于提高混凝土强度.渗硫后强度提高显著，硫磺填充孔隙作用显著，不但弥补了水泥等凝胶材料减少导致的强度降低的现状，而且使混凝土得到增强，强度增加亦十分明显.

图1 铁尾矿渗硫混凝土抗压强度

3.2 铁尾矿渗硫混凝土劈裂抗拉强度

采用劈裂抗拉试验测试混凝土的抗拉强度.按照《普通混凝土物理力学性能试验标准方法》(GB/T50081-2019)[10].试验数据见表8.

表8 铁尾矿渗硫混凝土劈裂抗拉强度

图2 铁尾矿渗硫混凝土劈裂抗拉强度

D2组抗拉强度提高最明显，渗硫后提高了0.65 MPa有，渗硫提高抗拉强度的能力要比抗压能力大.水胶比低的C1组、D1组、E1组抗拉强度分别提高了9.1%、10.4%、9.90%；水胶比大的C2组、D2组、E2组抗拉强度分别提高了14%、15.6%、13.6%.在0.33水胶比时每增加10%铁尾矿粉，C1组比D1组提升4.4%；D1组比E1组提升2.6%；0.43水胶比时，C2组比D2组提升0%；D2组比E2组提升4.3%.拉裂后的试件可以看到硫磺渗入混凝土表面一定深度，填补了混凝土内部的孔隙，并且硫磺在硫磺混凝土中充当胶结料，提高了表面部分混凝土的抗拉能力，使试件抗拉性能有所提高.

3.3 铁尾矿混凝土抗氯离子渗透

试验测试了A组、C1组和E1组渗硫后的电通量并进行对比.以电通量法测试混凝土抗氯离子渗透性能.抗氯离子渗透试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009[11]，《混凝土氯离子电通量测定仪》JG/T261-2009[12].试件通电一小时的电通量分别为933C、706C、811C，电流分别为108.5mA、80.5mA、92.0mA，每60min自动打印电通量和电流值，各组电通量均上升，6小时结束后得到最终试验数据.见表9所示.

表9 铁尾矿渗硫高性能混凝土电通量

由表9并结合ASTMC1202的评价标准，可见E1组氯离子渗透能力最差，属于低等；其次是C1组；A组氯离子渗透能力最强，属于中等.由于混凝土中孔隙较多导致A组氯离子渗透的最多；掺加矿粉并渗硫后孔隙减少，氯离子渗透减少.C组与E组相比，由于E组矿粉掺加量更多，混凝土试块更密实，氯离子渗透更少，电通量最低.渗硫处理都较好的提高了试件防止Cl-进入到内部的能力.E1组的电通量表现最好只有1994C，抗渗性能较好；C1组虽然氯离子能力渗透属于中等，但与界限值差的不多，也可以认为渗透性是较好的.

3.4 铁尾矿混凝土抗冻试验

抗冻性是混凝土耐久性的重要指标.冻融循环对建筑造成损坏，一种原因是温度较高时液态的水通过混凝土孔隙或通道进入混凝土内部，温度降低后水变成固体而体积增加，在结构内部产生膨胀应力，应力较大时会使结构开裂，反复作用时会加剧结构的开裂，另一种原因是由于混凝土细小孔隙中的水由于孔径小所以冰点相对降低，粗孔隙中的液态水先结冰，冰和冷水之间存在渗透压力，冷水不断迁移导致冰的体积不断增大，增大了膨胀应力，加剧混凝土的破坏.密实的混凝土可以降低混凝土的饱和含水率，从而提高混凝土抗冻性.冻融循环数据见表10所示.

表10 冻融循环质量及强度损失

试验结束后三组试件的质量损失分别为23g、10g、15g.25次循环结束时A组试件强度损失了28%，已经超过规范规定的25%的临界值，C1组试件强度损失为15%，E1组强度损失为19%，三组试件虽然质量损失都没有超过规定的5%，但A组强度损失已超标，根据这一指标判断A组试件不符合要求.C1组的抗冻性最好，不仅质量损失最少，强度损失也是三组中最少的，E1组次之.分析其原因是硫磺不仅封堵了表面孔隙，也一定深度内浸入了混凝土，阻断了大部分自由水进入混凝土内部的通道，使试件抗冻性得到改善.且相较于A组，C1、E1两组中均掺加了矿粉，矿粉参与水泥的水化反应降低了C3A的产生，减少了由于冻融循环过程中硫酸产生的硫酸盐对混凝土的侵蚀，提高了混凝土的抗压强度，减少了质量损失.

4 结 论

(1)标准养护条件下铁尾矿粉活性较低，经过试验得出铁尾矿粉的最佳掺量为10%左右，在该铁尾矿粉掺量情况下，混凝土坍落度也得到了保证.

(2)在B1组中，使用铁尾矿砂代替全部河砂并未产生较大影响，可见使用铁尾矿砂能够完全取代河砂来制备混凝土.

(3)铁尾矿混凝土渗硫之后，其抗压强度、抗拉强度、抗氯离子侵蚀能力和抗冻性均得到了一定程度提高.渗硫后的C1组试件抗压强度能够达到64 MPa，抗拉强度较渗硫前提高了9%，在25次冻融循环后依然保留了85%的抗压强度，且渗硫处理较好的降低了Cl-进入到混凝土内部的能力.

(4)铁尾矿混凝土渗硫效果受水胶比和铁尾矿粉掺量影响.当水胶比较大时混凝土孔隙率高；铁尾矿粉不参与水化，使混凝土密实度低，也导致了硫磺渗入较多.但通过大水胶比来提高渗硫混凝土强度作用有限，更多的是充分发挥混凝土材料本身优异的力学特征，利用硫磺的填充作用对混凝土进行封闭，从而提高混凝土的密实度提高混凝土的耐久性.