鐵尾礦砂混凝土力學性能研究

李 壯

（華南理工大學土木與交通學院， 廣東 廣州 510641）

0 引言

鐵尾礦砂是一種常見的工業廢料，我國每年向環境中排放約30 億t。鐵尾礦砂大量堆積不僅污染環境，同時也對人民的聲明財產安全造成了很大的威脅。如何將這部分鐵尾礦砂“變廢為寶”一直是工程界關注的問題[1-2]。將鐵尾礦砂作為原料制備混凝土，不僅能夠

同時還能節約寶貴的河砂資源。已有學者對鐵尾礦砂對混凝土的力學性能[3-4]、工作性能[5]和耐久性能[6-7]的影響進行研究。研究認為：鐵尾礦砂顆粒粗糙、級配差。將鐵尾礦砂直接用作細骨料制備混凝土，會嚴重影響混凝土的工作性能從而導致力學性能劣化。建議將鐵尾礦砂與河砂混合以改善其級配，并將鐵尾礦砂比例控制在30%以內，以保證混凝土力學性能。

為增加鐵尾礦砂的使用率，本文嘗試在保證混凝土流動性相同的前提下，對同水灰比的鐵尾礦砂、混合砂（50%尾礦和50%河砂）、河砂三種細骨料對混凝土力學性能的影響進行研究。

1 實驗概況

細骨料：河砂產自清遠市北江，鐵尾礦砂產自大冶市金山店鐵礦，混合砂使用50%鐵尾礦砂和50%篩分后的粗河砂顆粒混合而成，細骨料級配分布見圖1。

粗骨料：0.5～2mm 粒徑連續級配碎石。

水泥：石井牌P.O 42.5R 水泥。

外加劑：SiKa 牌 ViscoCrete-530P 高性能減水劑。

拌合水：城市自來水。

1.1 原材料

圖1 細骨料篩余曲線

圖2 測量裝置示意圖

1.2 配合比

混凝土配合比見表1。

表 1 混凝土配合比（kg/m3）

1.3 實驗方案

試驗機采用500t 剛性試驗機，全程采用位移控制，加載速率恒定為0.18mm/min。正式加載前對試件進行預壓，通過試件四周縱向應變片控制試件對中。為消除試驗機加載頭對試件端部的約束作用，在試件兩側對稱布置兩只CDP-5高精度位移計標距100mm，以采集試件中部變形見圖2。采用JM3841 動靜態信號采集系統對實驗數據進行采集，采集頻率1Hz。

2 結果與討論

試驗結果見表2。

表2 試驗數據匯總

2.1 抗壓強度

鐵尾礦砂和混合砂混凝土平均強度較河砂混凝土分別提高24.1%和9.5%。鐵尾礦砂使混凝土強度提高的主要原因是：同水會比條件下，鐵尾礦砂使得細骨料表面積增大。會有更多的自由水吸附到鐵尾礦砂表面，導致參與水泥水化的自由水減少。相當于降低了水灰比，從而是混凝土強度提高。

2.2 彈性模量

鐵尾礦砂和混合砂混凝土彈性模量較河砂混凝土分別降低13.7%和4.9%。原因是鐵尾礦砂的級配分布中，細顆粒遠遠多于粗顆粒。必然導致鐵尾礦砂混凝土內部的致密程度低于河砂混凝土，導致混凝土的彈性模量降低。

2.3 峰值應變

鐵尾礦砂和混合砂混凝土峰值應變較河砂混凝土分別提高13.4%和6.4%。鐵尾礦砂對混凝土峰值應變影響幅度與對彈性模量影響幅度相近，但遠小于強度的增加幅度。說明使用鐵尾礦砂夠提高混凝土的變形能力。

2.4 應力-應變全曲線

鐵尾礦砂、混合砂和河砂三種混凝土的平均應力-應變曲線如圖3 所示。三種混凝土應力-應變曲線彈性段基本一致，出現了明顯的彈性段和塑性段；應力-應變曲線的下降段區別較大，顯然對于下降段的陡峭程度鐵尾礦砂混凝土＞混合砂混凝土＞河砂混凝土。試驗結果表明混凝土的延性隨鐵尾礦砂摻量的增加而降低。

3 結論

在保證混凝土流動性的前提下，鐵尾礦砂可以直接作為混凝土細骨料。鐵尾礦砂會顯著增強混凝土強度，但同時會降低混凝土的彈性模量和延性。

圖3 平均應力-應變全曲線