铁尾矿砂水泥砂浆抗压强度及微观结构分析

王 营 顾晓薇 张延年 殷士奇 胥孝川 王 青

(1.东北大学智慧水利与资源环境科技创新中心,辽宁 沈阳 110819;2.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168)

铁矿山尾矿及废石是矿业固体废弃物,由于缺乏 有效的处理手段,堆存量正在逐年增加,给社会及环境带来一系列问题[1]。因此,如何提高铁矿山尾矿及废石的利用率,合理地进行利用具有重要的社会、经济效益[2]。

天然河砂是制备混凝土以及水泥砂浆的重要原料之一,但长期的大量开采导致天然河砂日渐枯竭。而铁矿山尾矿及废石的主要成分与天然砂石相似,具备替代天然河砂制备混凝土及水泥砂浆的潜力。李晓光等[3]将铁尾矿水泥砂浆与天然河砂水泥砂浆进行性能对比,发现随着铁尾矿砂取代率的增加,铁尾矿水泥砂浆的力学性能得到提升,但铁尾矿的掺入增加了水泥砂浆的总孔隙率及多害孔数量。ZHAO、SHETTIMA、ZHANG等[4-6]采用铁尾矿砂等质量替代天然河砂制备混凝土,发现随着铁尾矿砂替代率的增大,混凝土的孔结构变得粗大,吸水率和氯离子渗透性增加。尹韶宁、黄正均、李晓光等[7-9]对铁尾矿水泥砂浆的力学性能进行了研究,发现水泥砂浆随着铁尾矿砂替代率的增大流动性降低、收缩量增加、抗折强度与抗压强度提高。康洪震、宁宝宽、马卫华等[10-12]采用铁尾矿砂替代天然河砂,发现铁尾矿混凝土与普通混凝土的应力—应变曲线总体相差不大。

目前,关于铁尾矿砂替代天然河砂作为细骨料制备混凝土及水泥砂浆的研究,大都集中在铁尾矿砂掺入量对混凝土与水泥砂浆基本力学性能的影响,而缺乏对铁尾矿砂与天然河砂在组成成分、粒形、粒径、级配上的区别进行系统的研究,对铁尾矿水泥砂浆与天然河砂水泥砂浆的微观结构,尤其是细骨料与水泥胶体的交界面形态差异关注较少。因此,本研究以某高硅型铁尾矿废石制得的砂为对象,按质量替代率0、25%、50%、75%、100%替代天然河砂制备水泥砂浆,分析试件破坏形态、抗压强度变化规律,并讨论了铁尾矿水泥砂浆与天然河砂水泥砂浆的水化产物及细骨料与水泥胶体交界面间的异同,研究成果可为铁尾矿砂制备水泥砂浆用于实际工程提供借鉴。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

(1)水泥。建华建材公司提供的P·O 42.5普通硅酸盐水泥,3、28 d抗压强度分别为30.4、45.4 MPa,抗折强度分别为4.6、8.3 MPa,主要化学成分见表1。

表1 普通硅酸盐水泥主要化学成分分析结果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of normal cement %

(2)细骨料。天然河砂:细度模数3.0,Ⅱ区中砂,含水率4.2%,含泥量2.2%。铁尾矿砂:辽宁省本溪市某高硅型铁尾矿废石破碎而来的机制砂,细度模数2.6,Ⅱ区中砂,含泥量2.4%,表观密度2 590 kg/m3,堆积密度1 540 kg/m3,所用铁尾矿砂符合《建设用砂》(GB/T 14684—2011)中普通混凝土用砂技术指标要求。

天然河砂及铁尾矿砂的主要化学成分见表2,颗粒形态见图1,颗粒级配见图2。

表2 铁尾矿砂及天然河砂主要化学成分分析结果Table 2 Analysis results of the main chemical composition of the iron tailings sand and natural river sand %

图1 铁尾矿砂与天然河砂颗粒形态Fig.1 Grain morphology of the iron tailings sand and natural river sand

图2 铁尾矿砂与天然河砂颗粒级配曲线Fig.2 Particles gradation curve of of the iron tailings sand and natural river sand

由表2可知,高硅型铁尾矿砂与天然河砂的化学组成相近,不同的是高硅型铁尾矿砂Fe2O3含量为14.37%,而天然河砂不足2%。

由图1可知,天然河砂外表为土黄色,由于受到河水的常年冲刷导致颗粒形态较为饱满、浑圆,表面较为光滑;铁尾矿砂外表呈深灰色,颗粒形态各异,有较多棱角,表面较粗糙。

由图2可知,天然河砂+4.35 mm粒级含量为10.6%,铁尾矿砂没有+4.35 mm粒级颗粒;铁尾矿砂0.15～2.36 mm粒级含量达92.6%,天然河砂为87.6%;铁尾矿砂-0.15 mm粒级含量为7.4%,天然河砂仅为0.8%。总体看来,天然河砂粒度较粗。

1.2 配合比设计

参照《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330—2015)[13],用一定比例的水洗铁尾矿砂等质量代替水洗天然河砂,制备水胶比为0.5的水泥砂浆试件,配合比设计如表3所示。

表3 水泥砂浆试件配合比设计Table 3 Mix proportion design of cement mortar specimen

1.3 试验方法

制作尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试件,养护至既定龄期(3、7、14、28 d)后,用压力试验机测试水泥砂浆试件的抗压强度,分析不同替代率下铁尾矿砂水泥砂浆与天然河砂水泥砂浆立方体试件破坏形态、抗压强度与铁尾矿砂掺量的关系。对28 d龄期试件,用扫描电子显微镜观察完全替代下铁尾矿水泥砂浆与天然河砂水泥砂浆的细骨料与水泥胶体的交界面形态及两者的水化产物微观形貌。

2 试验结果及分析

2.1 水泥砂浆基本力学特征

2.1.1 水泥砂浆立方体试件的破坏形态

铁尾矿砂取代率不同时水泥砂浆立方体试件在单轴压缩下的破坏形态如图3所示。

图3 水泥砂浆立方体试样破坏形态Fig.3 Failure modes of cubic specimen of cement mortar

由图3可知,铁尾矿砂取代率为0、25%、50%、75%条件下均可以清晰地看到试件中的天然河砂,在不同的铁尾矿砂取代率下试件的破坏特征大致相同,均符合典型的砂浆立方体破坏形态,即试件上、下端因受加载垫板的约束而横向变形变小,中部的横向膨胀变形最大,靠近中部的砂浆最先出现破碎现象,形成正倒相连的八字形裂缝,进而裂缝向内部扩展,形成正倒相接的四角椎破坏形态。

2.1.2 水泥砂浆试件的抗压强度

水泥砂浆试件的抗压强度与铁尾矿砂替代率及养护龄期的关系如图4所示。

图4 水泥砂浆试件抗压强度与铁尾矿砂替代率及养护龄期的关系Fig.4 Relationship between compressive strength of cement mortar specimem with iron tailings sand substitution rate and curing age

由图4可知,养护28 d后水泥砂浆试件的抗压强度趋于稳定,此时替代率为0、25%、50%、75%以及100%的水泥砂浆试件的抗压强度分别为46.56、47.67、47.38、47.33、49.01 MPa,不同替代率铁尾矿砂水泥砂浆试件的抗压强度较天然河砂水泥砂浆分别提高了2.4%、1.8%、1.6%、5.3%。完全替代下,铁尾矿砂水泥砂浆试件3、7、14 d抗压强度较天然河砂水泥砂浆试件分别提高了3.8%、4.3%、3.1%。以上结果表明,铁尾矿砂可以代替天然河砂制备出基本力学性能优异的水泥砂浆试件,铁尾矿砂水泥砂浆试件的强度增长与天然河砂水泥砂浆试件具有相似性。

铁尾矿砂等比例代替河砂,实质是改变了细骨料的粗细程度,本研究中铁尾矿砂等质量地替代河砂并未大幅度改善或者降低试件力学性能原因是:本研究中使用的普通河砂与铁尾矿砂均具有较为良好的连续级配且粒径大小相近,在替代率0、25%、50%、75%、100%的相互等质量替换时并未造成级配不良,且较细铁尾矿砂加入普通河砂中还可以起到优化级配的作用,使其更加符合最紧密堆积原则。除此之外,由于铁尾矿砂表面粗糙、棱角较多,形状具有不规则性,增大了水泥浆界面的机械咬合力,且铁尾矿砂中Fe2O3含量较高,因此铁尾矿砂试件较天然河砂试件的强度更高,更具有抵抗外荷载的能力。

2.2 微观结构分析

水泥砂浆中细骨料与水泥胶体交界面、水化产物的微观结构及孔隙分布等对混凝土抗压强度以及渗透性均有较大影响。使用SEM着重分析在完全替代下铁尾矿砂水泥砂浆、天然河砂水泥砂浆细骨料与水泥胶体界面过渡区的形态特征,并观察水化产物整体结构、微观形貌,结果如图5所示。

图5 天然河砂水泥砂浆及铁尾矿砂水泥砂浆界面过渡区SEM图Fig.5 SEM images of interface transition zone of natural river sand cement mortar and iron tailing sand cement mortar

由图5(a)、(b)可知,天然河砂水泥砂浆中生成了大量的水化硅酸钙、氢氧化钙等晶体,存在一定的微小孔洞,水化产物交织成网,呈片层状分布,密实性较好;铁尾矿砂水泥砂浆中有部分柱状产物、少量水化硅酸钙、未反应的熟料以及肉眼可见的较大孔隙。铁尾矿砂水泥砂浆水化产物整体性较天然河砂水泥砂浆松散。

由图5(c)、(d)可知,铁尾矿砂水泥砂浆、天然河砂水泥砂浆细骨料与水泥胶体界面过渡区均可明显看到裂缝的存在,天然河砂水泥砂浆的界面过渡区裂缝宽度明显要小于铁尾矿砂水泥砂浆,说明天然河砂水泥砂浆的细骨料与水泥胶体的交界面结构要优于铁尾矿砂水泥砂浆。

以上研究表明,铁尾矿砂水泥砂浆细骨料与水泥胶体的交界面、水化产物的密实度均要低于天然河砂水泥砂浆,结合文献[3]中结论,铁尾矿砂的掺入会增加水泥砂浆的总孔隙率且多害孔含量增多,说明铁尾矿砂的掺入会导致水泥砂浆内部结构劣化,因而整体性较差。这可能是由于铁尾矿砂较天然河砂具有较大的比表面积,会吸收更多临近水泥胶体中的水,使临近铁尾矿砂的水泥胶体随着养护龄期的收缩量较天然河砂大,进而导致铁尾矿砂与水泥胶体之间产生的裂缝较天然河砂更宽,铁尾矿砂水泥砂浆保水性较差,导致水化产物整体结构较为松散。但铁尾矿砂多棱角、表面粗糙,这加大了其与水泥胶体的机械咬合力,另外由于高硅型铁尾矿砂自身强度较高,所以导致其力学性能仍可满足要求。

3 结 论

(1)高硅型铁尾矿砂中SiO2与Fe2O3含量较高,具有较高的强度,采用高硅型铁尾矿砂等比例替代天然河砂,在不同的比例下混合水泥砂浆立方体试件的破坏形态大致相同,均呈现出典型的正倒相接的四角椎破坏状态,高硅型铁尾矿砂可以替代天然河砂配制出符合强度要求的水泥砂浆。

(2)由于高硅型铁尾矿砂本身强度较高且由于机制原因造成表面粗糙、多棱角,增加了与水泥胶体的机械咬合力,另外,+4.75 mm粒级含量为0,-0.15 mm粒级含量为7.4%,铁尾矿砂细度模数较天然河砂小,较细的铁尾矿砂的加入优化了原有天然河砂的级配,使其更符合最紧密堆积原理。因此,不同替代率下铁尾矿水泥砂浆抗压强度均优于天然河砂水泥砂浆。

(3)在扫描电子显微镜下,天然河砂水泥砂浆水化产物较铁尾矿砂水泥砂浆丰富,铁尾矿砂水泥砂浆水化产物结构松散,天然河砂水泥砂浆细骨料与水泥胶体的交界面裂缝宽度明显要小于铁尾矿水泥砂浆,铁尾矿砂的加入劣化了水泥砂浆的内部结构,但是由于高硅型铁尾矿砂自身强度较天然河砂高,且多棱角、表面粗糙增加了与砂浆的机械咬合力,因此可以弥补由于内部结构带来的不利影响,仍能满足基本力学性能要求。