不同養護條件對鐵尾礦混凝土性能的影響*

崔孝煒 倪 文 吳 輝

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.商洛學院化學與化學工程系)

隨著鋼鐵工業的迅速發展，鐵尾礦在工業固體廢棄物中所占的比例也越來越大。大量堆存的尾礦不僅占用土地、造成資源的巨大浪費，而且是周邊環境污染的重要源頭和庫區安全的重大隱患。

雖然我國近年在建設生態礦山、綠色礦山方面投入較大，也推出了不少鼓勵減排的政策，但2010年我國尾礦的綜合利用率仍僅有14%左右，遠低于發達國家60%左右的水平［1］。近年來，利用鐵尾礦制備高性能混凝土成為了我國鐵尾礦綜合利用的主要途徑，北京科技大學的李德忠等［2］以鐵尾礦為主要原料制備出了高強混凝土結構材料。

從已有的研究成果看，養護方式對混凝土材料的強度和水化過程具有重要的影響。采用蒸汽養護能夠加速混凝土中水泥的水化，具有顯著提高混凝土早期強度、縮短生產周期、提高生產效率等作用，在混凝土預制構件生產中應用廣泛。本試驗將研究不同養護制度對鐵尾礦混凝土的影響，并對水化產物及微觀結構進行系統分析。

1 試驗原料

(1)鐵尾礦。鐵尾礦取自鞍鋼齊大山鐵礦生產流程，粒度較細，+0.63 mm接近1%、－0.08 mm占14.40%，顆粒主要集中在0.2～0.04 mm粒級。

(2)高爐礦渣。高爐礦渣為首鋼高爐水淬礦渣。

(3)水泥熟料。水泥熟料為唐山冀東水泥廠普通硅酸鹽水泥。

(4)石膏。石膏為北京房山雙山水泥廠的脫硫石膏。

(5)減水劑。減水劑為北京慕湖外加劑公司生產的PC高效減水劑。

各主要原料化學成分分析結果見表1。

表1 各主要原料化學成分分析結果 %

從表1可以看出，鐵尾礦SiO2含量很高，達82.80%，其次為Fe2O3，其他成分含量很低，屬優質混凝土摻合料。

2 膠凝材料的制備

將鐵尾礦、礦渣、水泥熟料、脫硫石膏按40∶26∶26∶8的質量比進行梯級混磨，梯級混磨流程見圖1。物料粉磨設備為SM?500×500型水泥實驗球磨機，研磨介質為生產廠家標準配置，裝料量固定為5 kg，預磨、梯級混磨1、梯級混磨2產品比表面積分別為2 591、4 636和4 928 cm2/g。

圖1 原料梯級混磨流程

3 混凝土試塊強度試驗

3.1 試驗步驟

以梯級混磨制備的粉磨產品為膠凝材料，不粉磨鐵尾礦為骨料，按質量比1∶1混合，加入與膠凝材料質量比分別為0.4%和23%的減水劑和水，攪拌后制成40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試塊，在溫度為20±1℃、相對濕度≥90%的養護箱中標準養護1 d后拆模，分別進行直接繼續標準養護，在56℃下蒸汽養護12 h后再繼續標準養護，在90℃下蒸汽養護12 h后再繼續標準養護。直接繼續標準養護的記為A1、在56℃和90℃下蒸汽養護12 h后再繼續標準養護的分別記為A2、A3，測定規定齡期各試塊的強度。

3.2 試驗結果與討論

按照《GB/T 17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》對不同養護條件、不同齡期的混凝土試塊進行了強度測試，結果見圖2、圖3。

圖2 A1、A2和A3試樣的抗折強度

圖3 A1、A2和A3試樣的抗壓強度

從圖2、圖3可以看出，3種養護條件最終均能獲得符合要求的鐵尾礦混凝土。先56℃蒸汽養護可以顯著提高鐵尾礦混凝土試塊的早期強度，對鐵尾礦混凝土試塊的后期強度也有積極的影響;先90℃蒸汽養護對鐵尾礦混凝土試塊早期強度的積極影響更大，但對后期強度卻有負面影響。

4 混凝土試塊微觀分析

4.1 混凝土試塊的XRD分析

將直接標準養護、先56℃和90℃蒸汽養護3 d和28 d的鐵尾礦混凝土用Rigaku D/Max－RC衍射儀進行XRD分析，衍射圖譜見圖4、圖5。

圖4 A1、A2、A3試塊養護3 d的XRD圖譜

圖5 A1、A2、A3試塊養護28 d的XRD圖譜

從圖4可以看出，直接標準養護和先不同溫度下蒸汽養護過3 d的試塊的XRD圖譜大致相同，均主要由石英、綠泥石、赤鐵礦、Ca(OH)2、鈣礬石和二水石膏組成。養護3 d時，各試樣中均已出現水化產物——鈣礬石，但先經56℃蒸汽養護過的試塊中鈣礬石的衍射峰最強，說明先56℃蒸汽養護更能加快水泥熟料的早期水化速度。

從圖5可以看出，28 d時各試樣均已生成了大量的水化產物——鈣礬石，未水化的二水石膏量很少。先56℃蒸汽養護產物中二水石膏的衍射峰強度明顯低于直接標準養護和先90℃蒸汽養護，說明先56℃蒸汽養護更能加快尾礦和礦渣的二次水化速度。

4.2 混凝土試塊的SEM分析

將直接標準養護、先56℃和90℃蒸汽養護的28 d鐵尾礦混凝土用英國劍橋S250型掃描電鏡觀察，鐵尾礦混凝土試塊的微觀形貌見圖6。

從圖6可以看出，鐵尾礦混凝土主要由石英，未水化的C3S和C2S，水化產物CH、鈣礬石和C－SH凝膠組成。到水化齡期為28 d時，在鐵尾礦混凝土試塊的氣孔中看到長桿狀的鈣礬石晶體，鐵尾礦顆粒和鈣礬石晶體已完全被C－S－H凝膠包裹膠結成整體，隨著水化過程的進行，凝膠相不斷生成，并且填入孔隙，使得大的空隙減少，混凝土結構變得更加致密;相比較而言，先蒸汽養護的試塊的結構致密度明顯優于標準養護的試塊。

5 結論

(1)不同養護方式對鐵尾礦混凝土的強度有影響。先蒸汽養護比直接標準養護更有利于提高鐵尾礦混凝土的早期強度，先56℃蒸汽養護還能提高鐵尾礦混凝土的后期強度，但先90℃蒸汽養護對鐵尾礦混凝土的后期強度有負面影響。因此，先蒸汽養護時溫度的選擇很重要，它不僅決定了能源消耗，而且影響鐵尾礦混凝土的后期強度。

圖6 A1、A2、A3試塊養護28 d的SEM照片

(2)XRD和SEM分析結果表明，養護方式對鐵尾礦混凝土的水化硬化過程有重要影響，但不會改變水化產物的物相組成。鐵尾礦高強結構材料主要由石英，未水化的C3S和C2S，水化產物CH、鈣礬石和C－S－H凝膠組成，隨著反應齡期的增長，C－S－H凝膠不斷包裹未發生反應的尾礦顆粒和鈣礬石，膠結成整體，并填入原有的孔隙中，使材料內部結構變得更加致密。

［1］ 楊國華，郭建文，王建華.尾礦綜合利用現狀調查及其意義［J］.礦業工程，2010，2(8):55-57.

［2］ 李德忠，倪 文，鄭永超，等.大摻量鐵尾礦高強混凝土材料的制備［J］.金屬礦山，2010(2):167-170.

［3］ 于 淼，倪 文，陳 勇，等.齊大山鐵尾礦制作人工魚礁材料的研究［J］.金屬礦山，2012(11):163-167.