铁尾矿砂配制混凝土的应用探析

2022-08-14王艳艳陈瑛廖琳代印印黄小明王亚俊

安徽建筑 2022年8期

王艳艳，陈瑛，廖琳，代印印，黄小明，王亚俊

（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230031）

1 引言

铁尾矿资源是一种复合型矿物原料，是铁矿石经过一系列选矿过程剩下的废弃物，大量铁尾矿的堆放，不仅占用大量土地，而且破坏地表植被，还会造成重金属离子超标、扬尘等问题，严重影响自然环境[1-2]。天然砂是一种有限的自然资源，随着中国经济的发展，天然砂资源越来越少。各地为了保护环境开始颁布禁止开采天然砂，这使得天然砂越来越昂贵，且其供应不能满足工程建设的要求[3]。用铁尾矿砂作为细骨料制备混凝土，可以实现废弃物的二次利用，既可以提高铁尾矿砂的利用率，也可以节约有限的自然资源[4]。

铁尾矿的主要化学成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO，化学成分会因地区差异略有不同，主要矿物组成为石英、赤铁矿、白云石、长石等，总体上铁尾矿的化学成分和矿物成分相似[2,5]。对于铁尾矿砂的研究，张玉琢等人[6]将不同比例的铁尾矿砂与天然砂混合制备铁尾矿砂混凝土当铁尾矿砂的取代率为50%时，混凝土拌合物的工作性良好，达到了预拌混凝土大流动性的施工要求；王玉雅等人[7]将铁尾矿作为细集料取代天然砂，随铁尾矿砂取代率的增加，C50混凝土不同龄期的抗压强度、劈裂抗拉强度均逐渐降低，当铁尾矿砂取代率为20%时，C50混凝土的28 d、60 d、90d强度与未掺铁尾矿砂的基准组相比降幅均较小；仝宵等人[8]对不同掺量铁尾矿砂和再生骨料再生混凝土性能进行了试验研究，在铁尾矿砂取代率为30%时，水化程度最大，铁尾矿砂对于硬化体系堆积填充作用最为明显，使混凝土内部结构更加密实。本文以铁尾矿砂为混凝土细骨料，配制C40混凝土，以实现铁尾矿的有效利用。

2 试验设计

2.1 原材料

2.1.1 铁尾矿砂

本研究中使用的铁尾矿砂，来源于安徽省马鞍山市，其外观如图1所示，颜色呈灰黑色，通过筛分析试验测得铁尾矿砂的细度模数为1.4。按照《铁尾矿砂》（GB/T31288-2014）[9]标准规定的试验方法测试了铁尾矿砂的有害物质含量、坚固性等指标，结果表明这些指标符合GB/T31288-2014[9]的要求。对铁尾矿砂进行理化性质分析，测得其化学成分和相关物理指标如表1所示，其放射性指标见表2。铁尾矿砂的放射性指标符合《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）[10]的要求。

图1 铁尾矿砂

铁尾矿砂的化学成分和物理性能表1

铁尾矿砂的放射性指标检测数据表2

图2是铁尾矿砂的XRD图谱分析，可以确定该铁尾矿砂的矿物组成，从XRD的各个峰来看，本实验中所使用的铁尾矿砂成分较复杂，多个物质晶相中都有SiO2，推测该铁尾矿砂样品中SiO2成分含量较多，并且含有CaO，Al2O3，Fe2O3，Na2O，P2O5，MgO，K2O，SO3，MnO等杂质。该样品中含有CaO，没有C元素，推测没有石灰岩成分，CaO·Al2O3·2SiO2推测可能为长石混合物，Ca2SiO3，Na2O·Al2O3·6SiO2推测可能为粘土和石英砂混合物，MgO·MnO·2SiO2推测可能均为含有杂质的石英砂混合物，K2O·MgO·CaO·4SO3推测可能为含有硫化物成分的杂质，Fe5(PO4)3(OH)5推测可能为少量的磁铁矿及磷化物的混合杂质。

图2 铁尾矿砂的XRD衍射图

依据行业标准《高性能混凝土用骨料》（JG/T568-2019）[11]中的有关人工砂需水量比试验和石粉流动度比试验的规定，按照标准中的试验配合比对铁尾矿砂做了需水量比和石粉流动度比的试验，用以判定尾矿砂的级配、粒形、吸水率和石粉吸附性能等指标，试验结果如表3和表4所示。

铁尾矿砂需水量比试验数据表3

铁尾矿砂石粉流动度比试验数据表4

根据试验结果分析可知，铁尾矿砂的需水量比为162%，说明铁尾矿砂的吸水率较大。铁尾矿砂的石粉流动度比为88%，说明铁尾矿砂中的石粉对所用减水剂有一定的吸附作用。

2.1.2 水泥

水泥是来自安徽铜陵海螺水泥有限公司。其物理性能见表5。

P·O42.5级水泥物理性质表5

2.1.3 其他原材料

采用F类Ⅰ级粉煤灰，厂家：皖能合肥发电有限公司粉煤灰分公司。S95矿粉，厂家：安徽长江精细硅粉有限责任公司。外加剂为减水剂：聚羧酸高性能减水剂，江苏某公司生产。拌和水符合《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）[12]混凝土拌和要求。

2.2 试验方法

2.2.1 C40铁尾矿砂混凝土制备

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）[12]，河砂中掺加铁尾矿砂做细骨料配制C40混凝土配合比见表6，T0～T3采用相同的水灰比去配制C40混凝土，T1～T3铁尾矿砂的掺量分别为10%、20%、30%。研究铁尾矿砂掺量对混凝土性能的影响。

C40铁尾矿砂混凝土设计配合比（kg/m3）表6

2.2.2 拌合物的工作性能

混凝土的工作性，是混凝土拌合物易于施工操作，并获得质量均匀、成型密实的混凝土的性能。在混凝土拌合过程中，观察拌合物的和易性，测定拌合物的坍落度和扩展度，以及1h坍落度和1h扩展度。混凝土拌合物的坍落度试验、扩展度试验、坍落度经时损失试验和扩展度经时损失试验，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）[13]进行。

2.2.3 试件的抗压强度

试样压力强度测试仪器采用上海三思纵横机械制造有限公司生产的YAW-2000微机控制压力试验机。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）[12]，制作 100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，进行标准条件养护，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）[14]测定混凝土试块7d、28 d的抗压强度。

3 结果与讨论

3.1 拌合物的工作性能

混凝土的拌合状态、初始坍落度、扩展度，以及1h坍落度和1h扩展度见表7。初始坍落度状态如图3所示。

混凝土的工作状态表7

图3 混凝土的初始坍落度状态图片

铁尾矿砂掺量达到20%及以上，混凝土拌合物在初始状态的拌合性能变差，坍落度和扩展度已不满足泵送条件，经过60 min后测量发现，坍落度和扩展度的经时损失很大，究其原因，一方面，铁尾矿砂的形状不规则，棱角多，随着铁尾矿砂掺量的增加，细集料之间以及细集料与水泥浆体之间的啮合力增加，致使浆体流动性变差[6]；另一方面，铁尾矿砂的粒径在0.30mm以下的颗粒较天然砂多，所以随着铁尾矿砂掺比的增加，混凝土细骨料的比表面积增大，需水量增加。这一点也符合铁尾矿砂的需水量比较大的特点。掺比30%的时候，拌合物达到几乎无法拌合的程度。另外，铁尾矿砂中的石粉对减水剂有一定的吸附性，也会导致拌合物的坍落度的经时损失较大。

3.2 混凝土试件的抗压强度

C40混凝土试件抗压强度值表8

掺有铁尾矿砂的混凝土的7d抗压强度均大于天然砂混凝土。随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂掺量10%的时候，混凝土的7 d强度稍微增加；铁尾矿砂掺量20%时，混凝土7 d强度增加明显，达到15%以上；铁尾矿砂掺量30%时，混凝土7 d强度增加20%以上。说明铁尾矿砂的加入会促进混凝土早期强度的增长；但是随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土的28 d强度呈略微降低趋势，但是总体变化不大，原因是铁尾矿砂的制备过程中的机械破损使其压碎指标大于天然砂。