不同种类尾矿对制备混凝土试块力学性能的影响研究*

严凯 万海飞 牛智勇

宿州学院 资源与土木工程学院 安徽 宿州 234000

引言

近年来，我国大宗工业固废产量呈不断增长的趋势，且呈现种类较为集中的特点，主要有铁矿石尾矿、花岗石尾矿、废弃煤矸石及废弃煤渣四种。尾矿长期堆积的危害除了占用土地资源、污染环境外，其自身含有的少量有毒性或者放射性物质会不断浸入到地面以下，进而影响尾矿堆积区周围耕地和地下水资源，给近矿区居民的正常生活带来不利影响[1-3]。近年来，相关科研工作者为解决尾矿污染环境、缓解天然砂石骨料紧缺问题，开展了废弃尾矿资源化利用成为混凝土再生骨料的研究，通过不断试验与改进，最终制得的尾矿砂混凝土力学性能可以满足建筑结构的基本使用要求[4-8]。尾矿资源二次利用具有很大前景，铁矿石尾矿、花岗石尾矿、废弃煤矸石、废弃煤渣都为我国大宗矿业固废常见的尾矿，具有材料来源广的特点。本文基于宿州市埇桥区某独立矿区矿产作业产生的大量尾矿，采用室内试验的研究方法，探索出适合应用于建筑结构的新型混凝土，有利于实现宿州市废弃尾矿砂的资源化利用，在减少废弃尾矿砂堆砌的同时保护了宝贵的土地资源，有效节约天然砂石骨料，利于实现大宗固废资源化利用和生态环境保护。

1 试验

1.1 原材料

本试验用制作混凝土块原材料有水、水泥、粉煤灰、废弃尾矿、减水剂、河砂。①水泥：试验用由宿州海螺水泥厂生产P.O.42.5级普通硅酸盐水泥。②粉煤灰：试验用粉煤灰由灵寿县泰岳矿产品加工厂生产。③细骨料：试验用骨料为宿州市埇桥区某独立矿区工作产生的大量不同种类的尾矿，包括铁矿石尾矿、花岗石尾矿、废弃煤矸石、废弃煤渣。经粉碎后粒径级为4.75mm以下，级配良好。④减水剂：试验用减水剂由淘宝万山集团生产的萘系减水剂。⑤河砂：试验用河砂由淘宝万山集团生产的天然水洗砂，表观密度2562kg/m3，堆积密度为1410kg/m3，颗粒级配良好。

1.2 试验方法

试验采用100×100×100mm的立方体试块，混凝土经过机械搅拌，后浇筑进标准钢模成型，将装有混凝土的模具放置于振动台上经振捣后密实，并于24 h后拆模，将拆模后的混凝土立方体试块放入温度为（20±2）℃、相对湿度为95%的标准养护箱内养护28d。试验水灰比0.4，减水剂量执行现行标准GB8076-76《混凝土外加剂》，取水泥掺量的2%。同时设置对照组，对照组的配合比设计遵循JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行。

混凝土单轴压缩试验按照 GB /T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。制成的标准混凝土立方体试件单轴压缩试验采用数显式压力试验机（图1），此试验机利用10t荷载传感器量测荷载数据，以量程为30 mm的电子位移计量测试件竖向全长位移。试验结果由数显单轴压力试验机系统自动、实时采集施加荷载与混凝土试块位移数据，同时以图形的形式来显示应力-应变曲线。

图1 数显单轴压力试验机

2 试验分析及结果

2.1 试验材料设计配合比

试验根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）计算普通混凝土配合比，但由于现行的再生骨料混凝土配合比设计方法大都参照普通混凝土的配合比设计，本试验的铁矿石尾矿、花岗石尾矿、废弃煤矸石与废弃煤渣存在微裂隙较多、吸水率较高等自身缺陷，故其配合比设计有所调整。

本试验以水灰比比值为0.4、砂灰比比值为2.0为前提，分别设计了一组对照组，四组试验组（表1）。为不掺任何尾矿的标准对照组，C0；铁矿石尾矿-河砂为2:3的试验组，C1；花岗石尾矿-河砂为2:3的试验组，C2；废弃煤矸石-河砂为2:3的试验组C3、废弃煤渣：河砂为2:3的试验组C4。

表1 试验设计的配合比

将标准混凝土立方体试件置于压力试验机之间，启动机器，标准混凝土立方体试件在受到单轴施加的压力后，竖向出现明显缩短现象，同时横向呈现向外扩张之态。当应力集中达到一定程度后，积累的能量突然释放，试件破坏伴、侧面砂浆开始脱落。

2.2 废弃矿砂对混凝土抗压强度的数据分析

对照组及四种废弃矿砂对混凝土抗压强度影响如表2所示。由上表可以看出，未掺入任何尾矿的标准混凝土试件的轴心抗压峰值强度为38.26MPa，谷值为37.86MPa，平均值为38.02MPa；掺入铁矿石尾矿的标准混凝土试件的轴心抗压峰值强度为42.65MPa，谷值为42.42MPa，平均值为42.55MPa；掺入花岗石尾矿的轴心抗压峰值强度为40.73MPa，谷值为40.54MPa，平均值为40.65MPa；掺入废弃煤矸石的标准混凝土试件的轴心抗压峰值强度为41.34MPa，谷值为41.19MPa，平均值为41.27MPa；掺入废弃煤渣的标准混凝土试件的轴心抗压峰值强度为40.21MPa，谷值为39.47MPa，平均值为39.88MPa。各组试块强度见图2，由图也可明显得知，四种常见的废弃尾矿分别掺入混凝土中对混凝土强度提高效应为：铁矿石尾矿最为明显，废弃煤矸石次之，花岗石尾矿排第三，废弃煤渣最差。

表2 各组试块的强度（单位：MPa）

基于以上数据得出折线图如图2所示。

图2 各组试块强度平均值

铁矿石尾矿使混凝土强度提高的主要原因是：在控制水灰比相同的条件下，铁尾矿砂的加入使得细骨料的表面积增大，继而使得更多的自由水吸附在铁尾矿砂表面，和其他材料共同作用时使得水泥的水化自由水减少，降低了水灰比，混凝土强度得以提高。相比而言花岗石尾矿和废弃煤矸石吸附自由水的能力没有铁矿石尾矿的能力好，但也能显著提高混凝土试块的强度。由折线图得知：掺有花岗石尾矿和废弃煤矸石的混凝土试块的抗压强度相似，但掺有废弃煤矸石的抗压强度要稍强于掺有废弃煤渣的强度。

3 结束语

固定水灰比、砂灰比及减水剂的含量时，掺入铁矿石尾矿、花岗石尾、废弃煤矸石及废弃煤渣对应的标准混凝土试件的强度较未掺入时强度均有不同程度的提高。

固定水灰比、砂灰比及减水剂的含量时，铁矿石尾矿对混凝土强度提高效益最佳；废弃煤矸石次之；花岗石尾矿第三；废弃煤渣效应最差。

固定水灰比、砂灰比及减水剂的含量时，铁尾矿砂吸附自由水的能力高于废弃煤矸石、花岗石尾矿及废弃煤渣，即利用尾矿砂取代部分天然砂，对提高混凝土的强度，实现废弃尾矿砂的资源化利用，减少废弃尾矿砂堆砌，节约天然砂石骨料有重大意义。