鐵尾礦砂石對C50混凝土性能的影響

郝晉高，杜利鵬

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

礦產資源是社會發展重要的物質基礎，我國有超過80%[1]以上的原材料來自于礦產資源。隨著工業化的發展，礦產資源的需求大幅增加，但同時由于礦產資源開發技術水平的制約，我國礦業生產的尾礦已達到100億t以上，并呈逐年增加的態勢。我國目前堆存尾礦近50億t，其中堆存的鐵尾礦高達十幾億t，占全部尾礦堆存總量的1/3。同時我國鐵尾礦的利用率很低，不到10%，所以，如何實現鐵尾礦的綜合利用，已經成為許多學者共同關注的問題。

目前，國內的很多學者已經開展了大量的鐵尾礦綜合利用的研究，如鐵尾礦可用于水泥膠凝材料[2]、混凝土[3-4]、加氣混凝土[5]、建筑砂漿等。而且《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）規定混凝土中可以用礦山廢石生產的碎石，這進一步擴大了鐵尾礦的應用范圍。該實驗在前人研究成果的基礎上采用鐵尾礦砂石取代混凝土中粗細集料，研究鐵尾礦砂石對混凝土力學性能、抗凍性、抗滲性的影響，為鐵尾礦砂石在混凝土中的應用提供數據支撐。

1 原材料

1.1 水泥

水泥為冀東普通硅酸鹽水泥P.O42.5，其物理力學性能見表1。

表1 試驗用水泥的物理力學性能

1.2 細集料

細集料為天然砂和山西運城鐵尾礦砂。天然砂細度模數2.9，含泥量2.2%，泥塊含量1.0%，堅固性質量損失率6%，篩分結果見表2；鐵尾礦砂細度模數2.8，含泥量2.8%，泥塊含量0.8%，堅固性質量損失率7%，篩分結果見表3。

表2 天然砂篩分結果

表3 尾礦砂篩分結果

1.3 粗集料

粗集料為石灰巖碎石和山西運城鐵尾礦石。碎石含泥量0.7%，泥塊含量0.4%，針片狀顆粒含量3.7%，吸水率0.5%，堅固性質量損失率6%，篩分結果見表4，壓碎指標11.2%；尾礦石含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，針片狀顆粒含量2.8%，吸水率0.8%，堅固性質量損失率4%，壓碎指標8.8%，篩分結果見表5。

表4 石灰巖碎石篩分結果

表5 尾礦石篩分結果

從表4和表5看出，石灰巖碎石為5～25 mm連續級配；尾礦石為16～25 mm單粒級級配，19.0 mm以上顆粒偏多，16.0 mm以下顆粒偏少。

1.4 粉煤灰

粉煤灰為山西神頭Ⅰ級粉煤灰，需水量比93%，細度8.1%，燒失量3.0%，含水量0.3%，三氧化硫0.4%。

1.5 礦粉

礦粉為星原集團水泥建材公司S95級礦粉，比表面積452 m2/kg，7 d活性指數81%，28 d活性指數101%，流動度比 108%，燒失量 0.11%，密度2.87 g/cm3，三氧化硫0.62%。

1.6 減水劑

減水劑為山西康特爾高性能減水劑，減水率28%，氯離子含量0.04%，總堿量1.91%，pH值6.89。

1.7 拌合水

拌合及養護用水均為自來水。

2 試驗方法及配合比設計

分別用普通碎石和鐵尾礦石作粗集料、以天然河砂和鐵尾礦砂作細集料，用粉煤灰和礦粉取代部分水泥，按固定水膠比配制混凝土，研究鐵尾礦砂石對混凝土工作性、力學性能和耐久性能的影響，試驗配合比見表6。試驗方法依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2002）測試混凝土工作性；依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）測試混凝土抗壓強度；依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）測試混凝土抗凍性、抗滲性。

表6 尾礦砂石對混凝土性能的影響

3 試驗結果分析

3.1 尾礦集料對混凝土工作性能及抗壓強度的影響

表7 尾礦砂及尾礦石對混凝土工作性能及抗壓強度的影響

從表7中可以看出，在配合比相同的情況下，尾礦砂混凝土的坍落度小于普通混凝土，尾礦石混凝土的坍落度與普通混凝土接近。原因可能是天然砂顆粒粒型較好，使得天然砂混凝土拌合過程中黏滯阻力較小；而尾礦砂顆粒表面較為粗糙、多棱角，拌合黏滯阻力增大，坍落度減小。同樣原因也導致尾礦砂混凝土有輕微離析情況，由于尾礦砂表面粗糙、多棱角、顆粒間機械咬合力大，使得拌合物流變性能較差，容易出現漿體和骨料的分離，導致離析。含氣量結果也反映出類似情況，由于尾礦砂顆粒粒型的原因，在尾礦混凝土拌合過程，相比普通混凝土拌合困難，更難將空氣裹入拌合物中，導致含氣量降低。

從表7還可以看出，尾礦砂石混凝土與普通混凝土強度相當。編號1和編號4相比，尾礦砂石混凝土7 d強度較普通混凝土低，降低幅度達6.6%，而28 d強度已經與普通混凝土強度相當，甚至有少量增幅，為1%；編號1和編號3相比，無論7 d和28 d強度都沒有太大變化，即尾礦砂對混凝土的強度影響基本不大。分析以上原因，可能是由于尾礦砂石由于表面結構粗糙，導致吸水率變大，進一步降低了水膠比改善了混凝土內部界面結構，同時由于尾礦石母巖強度較普通碎石高，導致后期強度尾礦砂石混凝土有不小的增幅。

3.2 尾礦集料對混凝土抗凍性能的影響

尾礦砂石對混凝土抗凍性能的影響見表8。

表8 尾礦砂石對混凝土抗凍性能的影響 %

從表8對比動彈性模量和質量變化率試驗結果可知，尾礦砂混凝土抗凍性能優于天然砂石普通混凝土。這是由于尾礦砂吸水率較天然砂吸水率大，減小了拌合物的自由水，改善了尾礦砂石混凝土的界面過渡結構，抗凍性能提高。這也與表7中尾礦砂石混凝土拌合物含氣量低的結果一致（含氣量低表現在尾礦砂石硬化混凝土內部孔隙率降低，抗凍性能更好）。

3.3 尾礦集料對混凝土抗滲性能的影響

尾礦砂石對混凝土抗滲性能（抗水滲透能力及抗氯離子滲透能力）的影響見表9。

表9 尾礦砂石對混凝土抗滲性能影響

從表9中可知，尾礦砂石混凝土的抗滲水能力和抗氯離子滲透能力稍優于普通碎石混凝土，表明尾礦砂石對混凝土的抗滲能力影響不大，分析原因，一方面低水膠比降低了混凝土內部孔隙率，同時尾礦砂石吸水率較普通混凝土吸水率大，在相同用水量的情況下，減少了自由水，使尾礦砂石混凝土結構更加密實，提高了抗滲性能；另一方面該試驗中摻入粉煤灰和礦粉，增加了水化產物的數量，改善了產物形態，各級孔的結構有所改善，降低了氯離子在混凝土內部的擴散性，提高了抗滲性能。

4 結論

a）鐵尾礦砂篩選屬于中砂偏粗，級配可以滿足標準要求；尾礦石篩選后屬于16～25 mm單粒級級配，19.0 mm以上顆粒偏多，16.0 mm以下顆粒偏少。

b）鐵尾礦砂石顆粒表面形貌粗糙，用尾礦砂配制的混凝土工作性較普通混凝土差，易離析。

c）鐵尾礦砂石可以用于C50混凝土的配制，7 d抗壓強度較普通混凝土略低，28 d強度基本接近普通混凝土強度。

d）鐵尾礦砂石混凝土抗凍性、抗水滲透能力、抗氯離子滲透能力優于普通混凝土。