改良鐵尾礦砂混凝土的力學和耐腐蝕性能研究

程和平，陸璐

(1.常州工程職業技術學院 建筑工程學院，江蘇 常州 213164；2.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

作為鐵礦石開采的附屬產物鐵尾礦砂，通常會被擱置在開采礦區周圍或者被運至人跡稀少的地方集中堆放，這些廢棄物不僅對周圍環境造成了嚴重的污染，也占據了大量的土地資源，且鐵尾礦砂一般含有放射性或者有毒性物質，長期存放會使得這些物質經過滲透侵入地下水資源以及周圍耕地資源，對周圍居民的生命安全帶來嚴重威脅，甚至會使土地過度硬化，導致該區域的土地無法進行耕種或者用于建設[1-2]。如何有效科學地處理尾礦砂是一個棘手的問題，在國內對于尾礦廢棄物的處理主要有以下幾種方法[3-5]：（1）通過壓碎、粉碎和分選；（2）焚燒處理、熱解處理、焙燒處理；（3）將尾礦中有毒有害物質進行穩定化處理以及將有毒物質進行化學浸出處理。通過以上各種方法提煉出尾礦中有用物質，或者將尾礦與混凝土進行摻和制備免燒磚，以及可以通過鐵尾礦和耐火材料的混合制備防火材料等。

本文將采用鐵尾礦砂制備新型混凝土，一方面降低普通混凝土中河砂、石子等天然骨料的使用，避免過度開采石料和砂料造成的水土流失等問題；另一方面也將尾礦廢棄物進行循環利用，避免尾礦砂大量堆積帶來的污染環境問題。根本上，響應了國家綠色發展以及建設綠色生態的政策，進而完善了綠色建筑的概念以及提升了尾礦廢棄物的價值。同時，通過研究鐵尾礦砂混凝土的力學性能和應用性能，為后續鐵尾礦砂混凝土作為建筑材料的使用提供實驗基礎。

1 鐵尾礦砂的基本性質

1.1 鐵尾礦砂的成分分析

本次實驗所選用的鐵尾礦砂取自河北唐山灤縣鐵礦，主要含有以下礦物：磁鐵礦、赤鐵礦和假象赤鐵礦，石英和綠泥石等。采用XRF實驗設備對該尾礦的化學成分進行分析，得到尾礦砂的化學組成為SiO2（70.21%）、Fe2O3（18.46%）、Al2O3（7.08%）、CaO（3.34%）、MgO（0.31%）、Na2O（0.39%）和TiO2（0.21%），即該尾礦砂主要成分是二氧化硅和三氧化二鐵，并伴有其他少量的氧化物，故可以將該尾礦砂定義為高硅型鐵尾礦。

1.2 鐵尾礦砂的放射性和有毒性分析

一般尾礦廢棄物中都含有大量有毒、有放射性的物質，當將尾礦廢棄物作為建筑材料應用于建筑物中時，需要對其放射性進行檢測，保證尾礦放射性滿足國家建筑標準且不會對人體健康造成傷害。根據《建筑材料用工業廢渣放射性物質限制標準》GB 6763-86[6]以及唐山灤縣鐵礦提供的尾礦放射性檢測結果（226Ra濃度為0.509 Pci/g、232Th濃度為0.171 Pci/g和40K濃度為9.982 Pci/g）可知，該鐵尾礦砂的放射性物質含量符合規范要求。而該尾礦內部的有毒物質經過檢測后，得到汞、鉛、鎘、銅、砷、硫化物、氟化物以及氰化物等物質的含量均小于《危險廢物鑒別標準及浸出毒性鑒別標準》GB 5085.3-1996[7]中的要求，故可以認為該尾礦砂浸出液中各有毒物質濃度滿足要求，可放心運用于建筑材料中。

1.3 鐵尾礦砂的燒失量分析

為了對所選用鐵尾礦砂材料的純度和耐火性能進行分析，一般采用燒失量來進行判斷，即

式中：M為燒失量，%；m為烘干后材料質量，kg；m1為容器質量，kg；m2為容器和灼燒材料質量，kg。不同溫度下該鐵尾礦砂的燒失量變化規律見圖1。

圖1 鐵尾礦砂的燒失量變化規律Fig.1 Variation of ignition loss of iron tailings

2 鐵尾礦砂混凝土抗壓強度實驗

2.1 實驗步驟

根據《水泥膠砂強度檢驗方法》GB/T 17671-1999[8]可知，抗壓強度實驗所用鐵尾礦砂混凝土的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。混凝土抗壓實驗主要采用WDW-300E型微機控制電子萬能實驗機，在立方體混凝土試樣上端面施加荷載直至試樣破壞為止，得到混凝土試樣的抗壓強度。

2.2 實驗結果分析

本文設置了五種不同水灰比（0.35、0.40、0.45、0.50和0.55）以及五種不同鐵尾礦砂摻量（0、10%、20%、30%和40%）。繪制出不同條件下鐵尾礦砂混凝土抗壓強度變化曲線見圖2。

圖2 鐵尾礦砂混凝土抗壓強度變化曲線Fig.2 Curves of the compressive strength of iron tailings concrete

由圖2可知，隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強度變化規律呈現出先增大后減小的趨勢，且在水灰比為0.45時混凝土的抗壓強度達到了最大值，這是由于水灰比的增大使得混凝土砂漿的和易性和拌合性更好，且水灰比越大混凝土內部礦物成分發生的水化反應越徹底，產生的水化產物充填在混凝土孔隙內，使得混凝土的結構性更加完整；但是隨著水灰比的持續增大，混凝土砂漿的保氣性下降，且水分的增多使得砂漿更加稀釋，進而導致混凝土的抗壓強度出現了下降趨勢[9]。而隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的抗壓強度變化規律也呈現出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦砂摻量為20%時混凝土的抗壓強度達到了最大值，這是由于在鐵尾礦砂摻量小于20%時，隨著鐵尾礦砂摻量的增大，鐵尾礦混凝土中含有的氧化硅和三氧化二鐵等氧化物質會與混凝土內部其他材料進行反應，產生的氧化產物充填在混凝土內部的孔隙中，可以有效地提升鐵尾礦混凝土整體抗壓強度，但是當鐵尾礦砂摻量大于20%時，氧化物質雖然與混凝土內部其他材料進行反應，但是鐵尾礦砂中過量的氧化物質產生化學反應的速度要小于水泥熟料的化學反應速度，使得產生的化學產物減少，無法很好地充填在混凝土固體骨架之間，故鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度開始下降[10]。

3 鐵尾礦砂混凝土耐腐蝕性實驗

3.1 實驗步驟

當鐵尾礦砂混凝土用于建筑材料時，混凝土會處于酸性或者堿性環境中，這會嚴重影響混凝土的力學性質，故需要對混凝土的耐腐蝕性進行研究，保證混凝土的力學性能和耐久性滿足建筑使用要求。配制不同濃度的硫酸鈉溶液和氫氧化鈉溶液，鐵尾礦砂混凝土的尺寸依然為150 mm×150 mm×150 mm；當混凝土試樣養護28 d之后，對混凝土試樣進行稱重，再將混凝土試樣浸泡在上述兩種溶液中，以每30 d為一個周期，浸泡30 d后取出試樣在自然環境中放置10 d，以此循環反復至4個周期后將混凝土試樣放在室溫條件下自然風干后進行抗壓強度測試，得出不同浸泡天數作用下混凝土的抗壓強度的變化規律，此時混凝土的鐵尾礦摻量設定為20%，水灰比設定為0.45。在測定完抗壓強度指標之后，將混凝土試樣進行烘干后稱重，計算出不同浸泡天數作用下混凝土的質量損失率。

3.2 實驗結果分析

繪制出不同浸泡天數作用下混凝土的抗壓強度的變化規律見圖3。

圖3 酸堿條件下混凝土的抗壓強度Fig.3 Concrete compressive strength under acid-base conditions

由圖3可知，隨著浸泡天數的增大，在堿性溶液浸泡后的混凝土試樣的抗壓強度呈現出下降趨勢，這主要是由于混凝土內部原生礦物等物質與氫氧根離子會發生化學反應，使得水泥土的膠凝結構產生破壞，進而使得鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度急劇下降[11]。而在酸性條件下，隨著浸泡天數的增大混凝土試樣的抗壓強度也呈現出下降趨勢，酸性離子與混凝土內部物質發生化學反應，生成了大量的非膠凝產物或者是易溶于水的產物，這使得混凝土表面不斷發生脫落，造成混凝土試樣由外向內的破壞；同時，酸性溶液促使水化硅酸鈣的水解，破壞了混凝土內部結構的完整性，進而使得混凝土試樣的抗壓強度逐漸降低。但是在酸性溶液浸泡后混凝土的強度要小于堿性溶液浸泡后混凝土的強度，這是由于堿性溶液條件下，混凝土內部礦物成分與溶液發生化學反應的速率小于酸性溶液條件下的，且氫氧根離子與水泥中的酸鹽產生反應產生的氫氧化鈣，在一定程度上可以提升混凝土的抗壓強度。

繪制出不同浸泡天數作用下混凝土的質量損失率的變化規律見圖4。

圖4 酸堿條件下混凝土的質量損失率Fig.4 Concrete quality loss rate under acid-base conditions

由圖4可知，隨著浸泡天數的增大，在堿性溶液浸泡后混凝土試樣的質量損失率均呈現出下降趨勢，這主要是由于混凝土內部原生礦物等物質與氫氧根離子會發生化學反應，生成大量的沉淀物充填在孔隙中使得微觀結構不斷膨脹，混凝土外部表層出現明顯脫落現象，進而導致混凝土試樣質量的損失[12]。而在酸性條件下，隨著浸泡天數的增大混凝土試樣的質量損失率也呈現出下降趨勢，這也是由于酸性離子與混凝土內部物質發生化學反應，生成了大量的非膠凝產物或者是易溶于水的產物，使得混凝土表面不斷發生脫落，即隨著浸泡天數的增大，混凝土的質量損失率越來越大。

4 鐵尾礦砂混凝土滲水性能實驗

4.1 實驗方案

根據達西定律可知[13]，混凝土的滲透系數K為：

式中：Q為單位時間內溢出的水量，cm3/s；A為混凝土的橫截面積，cm2；L為混凝土的厚度，cm；H為水頭差，cm。

4.2 實驗結果分析

本文設置了五種不同鐵尾礦砂摻量，來研究不同條件下鐵尾礦砂混凝土的力學滲水性能，不同條件下鐵尾礦砂混凝土滲水系數變化曲線見圖5。

圖5 鐵尾礦砂混凝土滲水系數變化曲線Fig.5 Variation law curve of seepage coefficient of iron tailing sand concrete

由圖5可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的滲透系數呈現出先增大后減小的變化趨勢，且當鐵尾礦砂摻入量超過30%時，鐵尾礦砂混凝土的抗滲性能下降，這是由于鐵尾礦顆粒的吸水性能要好于天然砂石材料的吸水性能，當鐵尾礦砂混凝土在初期硬化過程時，混凝土內部鐵礦砂中礦物成分與自由水之間的化學反應劇烈，產生的化學產物填充在孔隙中，提升了混凝土自身的密實度，進而使得鐵尾礦混凝土的抗滲性能降低[14]。當鐵尾礦砂摻量大于30%時，混凝土內部的鐵尾礦砂含量逐漸增多、鐵尾礦砂吸收混凝土內部自由水也增多，使得混凝土內部水化反應程度減小，進而改變了混凝土內部的密實性，最終導致混凝土的滲透系數增大。

5 鐵尾礦砂混凝土凍融循環特性實驗

5.1 實驗方案

混凝土凍融循環實驗中混凝土試樣的尺寸定為100 mm×100 mm標準圓柱形試樣[15]，并將混凝土試樣放置在養護室進行養護28 d后，放置在室溫條件下。凍融循環實驗的具體步驟為：（1）將養護28 d的鐵尾礦砂混凝土放入清水中浸泡至飽和狀態；（2）將飽和試樣放置在TDS-300凍融實驗機中進行凍融循環實驗；（3）本次凍融循環實驗的消融溫度選取室溫（經測定為23.1℃），按照消融溫度將凍結溫度設定為-23.1℃，且凍結和消融的時間都設定為24 h；（4）循環次數設定為0、100、200、300和400次。分析混凝土在凍融循環實驗中凍融特性的指標為抗凍系數B，采用式（3）進行計算。

式中：RC為凍融循環n次混凝土試樣的抗壓強度，MPa；R為未經歷凍融循環混凝土試樣的抗壓強度，MPa。

5.2 實驗結果分析

將混凝土的鐵尾礦摻量設定為20%，水灰比設定為0.45。繪制出不同凍融循環次數作用下混凝土的抗凍系數變化規律以及應力-應變曲線見圖6。

圖6 應力-應變曲線與抗凍系數變化規律Fig.6 Stress-strain curve and the change law of frost resistance

由圖6可知，隨著凍融次數的不斷增大，混凝土的抗壓強度不斷減小且抗凍性指標也不斷減小，這是由于將混凝土浸泡至飽和狀態后進行凍融循環實驗，在混凝土的凍結過程中，其內部毛細孔水會由液態轉化為固態冰，使得混凝土的體積開始向外膨脹變形，且混凝土內部毛細孔壁受到約束形成的膨脹力也會使孔隙結構產生破壞[16]；同時，在上述過程中膠凝孔中的未凍結水由于膨脹力產生遷移和重分布，進而在孔隙內部形成新的滲管壓力，最終導致混凝土內部結構發生破壞。即當混凝土在經歷凍融循環作用后，混凝土內部的損傷不斷積累，原有微觀裂隙逐漸發展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低[17]。

6 結 論

（1）隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強度變化規律呈現出先增大后減小的趨勢，且在水灰比為0.45時混凝土的抗壓強度達到較大值，而隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的抗壓強度變化規律也呈現出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦砂摻量為20%時混凝土的抗壓強度達到較大值。

（2）隨著浸泡酸堿溶液天數的增大，混凝土試樣的抗壓強度呈現出下降趨勢且混凝土的質量損失率呈現出增大趨勢。

（3）當鐵尾礦砂摻量大于30%時，混凝土內部的鐵尾礦砂含量逐漸增多、鐵尾礦砂吸收混凝土內部自由水也增多，使得混凝土內部水化反應程度減小，進而改變了混凝土內部的密實性，最終導致混凝土的滲透系數增大。

（4）隨著凍融次數的不斷增大，混凝土的抗壓強度不斷減小且抗凍性指也不斷減小，說明了混凝土在經歷凍融循環作用后內部的損傷不斷積累，原有微觀裂隙逐漸發展成互相連通的裂縫，進而造成了混凝土抗壓強度的降低。