铁尾矿砂混凝土的结构力学性能研究

牟志财 吕南 张双成

摘要：对铁尾矿砂混凝土的结构力学性能进行研究前，先称重再生粗骨料和附加水的质量，再将其按照比例依此添加到混凝土中仔细混合，最后加入含有水还原剂的水，并搅拌180s，然后记录不同铁尾矿砂添加下的混凝土抗压性能以及抗折性能。实验结果表明：通过增加铁尾矿砂掺量的总含量，混凝土抗压及抗折强度均呈现出先增加后降低趋势。铁尾矿砂掺量的总含量为620g/cm3时，混凝土的抗压强度达到38.34MPa的最大值，同时抗折强度达到34.92MPa的最大值。铁尾矿砂替代天然砂比例不宜过大，以620g/cm3为最佳。

关键词：铁尾矿砂；混凝土；结构力学；性能研究

0   引言

城市建筑的迅速更新与发展，导致了老建筑遭到破坏，大型建筑垃圾就此产生并堆积，这将成为改善城市环境的一大问题。矿产资源是人类发展所必需的，但在中国尾矿的有效利用率很低，由此导致大量尾矿堆积。尾矿的过度堆积可能会导致安全风险，如环境污染等[1]。一些研究者对这一问题进行研究和分析，为废物的再利用提出新的想法[2]。胡建林等[3]对加工混凝土砂进行轴压试验，分析了加工粗骨粒炭、海砂氯离子置换率，对试样破坏特性和力学变形指标的总体影响。有人将铁尾矿砂用于替换一些天然砂，以铁尾矿砂为细集料，通过混凝土试验和立方体抗压强度试验，研究了铁矿砂置换速度对混凝土力学性能的影响。

合理应用整体尾矿，可以减少尾矿沉积和生产带来的各种问题，符合中国近年来支持的可持续发展，也可以减少建筑材料的使用[4]。为确保改良铁尾砂混凝土的力学性能和路用性能符合相关规范的要求，有必要改变铁尾矿砂的非有机结合材料，以确保铁尾矿砂具有良好的流动性、结构稳定性、内部颗粒附着和压缩性。本文将铁尾矿砂作为主要成分，添加水泥和添加剂作为不同强度等级的尾矿混凝土，探索不同强度水平下的不同基本力学特性和特定可持续性。

1   材料与方法

1.1   实验准备

1.1.1   分析材料主要参数

本实验所需的铁尾矿砂是在迁安唐山地区生产的。铁尾矿砂表面为棱角较多且深白色，铁尾矿砂的含水率为4.04%，密度为28803kg/m3。铁尾矿砂矿物组成和氧化物含量如表1所示[5]。从表1中可以看出，迁安地区铁尾矿砂中SiO2的含量高达71.8%。

铁尾矿砂矿物组成如表2所示，铁尾矿砂的粒度分布如表3所示。本研究水泥采用秦岭牌P·O42.5R级水泥，水泥性能如表4所示。

1.1.2   材料选取

本试验中使用的矿物粉末，为唐山韩城工业园区金石钻探有限公司提供的一种有活性的甜粉末，它通过湿干、冷冻等技术获得。除了特定的矿物粉末外，还需要准备骨料。骨料具有以下性能：一是可节省约20%的水泥剂量，显著降低综合成本。二是提高混凝土的最新受力。三是有效提高比暴露量，降低水化热。四是 提高混凝土的耐腐蚀性。

1.1.3   试验主要设备准备

浙江省上虞市的一家快速生产厂提供了新的标准平方根砂石墙。壁管的边长分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15mm，振动仪器的具体参数如表5所示。

1.2   铁尾砂混凝土配合比设计

为了更加直观的对比铁尾砂混合量对混凝土性能的影响，现设置6组不同铁尾砂含量的铁尾砂混凝土配比。为后续的对比实验提供数据基础，具体如表6所示。

1.3   试验方法

在测试混凝土压力之前，首先将再生粗骨料和附加水仔细混合并称量。之后，将其加入到混合器中，最后，加入含有水还原剂的水，干燥并搅拌60s。搅拌后，插入100mm×100mm×100mm的混合物模具，48h后开始降解，并搅拌180s分开。

拆除样品后，必须立即在温度（20±2）℃、相对湿度超过90%的28天标准空间内进行养护。本研究通用试验机（WDW-100V）将压力和柔性试验分配到混凝土中[6]。混凝土的力学特性，应按照《混凝土性质物理力学特性试验方法》（GBT50088—2019）的规定，进行测量。本实验中进行的试样为标准试样，使用3个样本计算每个试样组的平均值。

2   实验结果分析

2.1   铁尾矿砂对混凝土的抗压强度分析

铁尾矿砂对混凝土抗压强度的影响如图1所示。

从图1可以看出，随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂中混凝土抗压强度呈现出逐渐降低的趋势。加工粗骨粒的总含量为620g/cm3时，混凝土抗压强度达到最大值38.34MPa。分析认为，这主要是因为在整体缺乏加工水情况下，仍有少量自由水，相当于混凝土的“内部水平效应”，强度的损失可能与加工后的总废料断裂过程有关。置换系数在620g/cm3到630g/cm3之间时，混凝土内部的骨架较为致密。

2.2   铁尾矿砂对混凝土抗折强度的影响分析

铁尾矿砂对混凝土的抗压强度影响如图2所示。

从图2可以看出，鐵尾矿砂作为一种细骨料，随着其掺量的提高，混凝土抗折强度增加有所改变，先是出现升高现象然后逐渐降低，之后随着铁尾矿砂掺量的增加，其抗折强度逐渐降低。铁尾矿砂掺量为620g/cm3时，立方体抗折强度高达34.92MPa。铁尾矿砂和再生石子的结合增加了混凝土的抗折强度，从而增加了混凝土后期抗折强度。

3   实验结果讨论

随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂中混凝土抗压强度呈现出逐渐降低的趋势。加工铁尾矿砂的总含量为620g/cm3时，混凝土抗压强度达到最大值38.34MPa。随着铁尾矿砂掺量的提高，混凝土抗折强度先是出现升高现象然后逐渐降低，之后随着铁尾矿砂掺量的增加，其抗折强度逐渐降低。铁尾矿砂为620g/cm3时，立方体抗折强度高达34.92MPa。

4   结束语

合理应用铁尾矿砂，可以减少铁尾矿砂沉积和生产带来的各种问题，符合中国近年来支持的可持续发展，也可以减少建筑材料的使用本文分析了铁矿砂的化学成分、矿物成分及其性能，并在现有研究的基础上，通过调整不同原材料的比例，获得了不同水平的铁尾矿砂和混凝土强度。分析铁尾矿砂对混凝土的抗压强度影响、抗折强度影响，对提高尾矿的整体利用率是非常有益的。

参考文献

[1] 张利，张鹏，任建西，等.伊犁铁尾矿替代高含泥量天然砂砾细骨料喷射混凝土性能影响试验研究[J].新疆有色金属，2023，46（5）：68-69.

[2] 胡建林，高鹏飞，张玉龙.冻融循环作用下铁尾矿砂水泥        土强度及变形特性研究[J].森林工程，2022，38（5）：121-127+136.

[3] 胡建林，高鹏飞，崔宏环，等.铁尾矿砂水泥土强度特性及固化机理研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2022，54（3）：338-344.

[4] 曹港豪，蹇守卫，魏博，等.铁尾矿砂基环氧树脂透水材料力学性能及界面特性研究[J].硅酸盐通报，2022，41（7）：2384-2392.

[5] 王民，阎爽，李亚威.细铁尾矿砂和养护条件对高强碱激发砂浆力学性能及微观结构的影响[J].硅酸盐通报，2022，41（6）：2082-2089+2116.

[6] 张立群，周辉，张学峰等.基于星点设计-响应面法的掺RAP和铁尾矿砂水泥稳定碎石配比优化[J].三峡大学学报（自然科学版），2022，44（1）：67-73.