鐵尾礦骨料特性及其對混凝土性能的影響

李世華 王小亮 梁麗敏 林 華

（1.云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501；2.云南省高性能混凝土工程研究中心，云南 昆明 650501）

0 引言

隨著我國天然砂石資源的日益緊缺和國家固體廢棄物資源化利用的迫切要求，利用尾礦制備高性能混凝土是工程界亟待解決的重大課題。鐵尾礦骨料是經過礦廠選礦排放出來的尾礦經過破碎、篩選、整形、除塵等一系列工序制成的混凝土骨料。2019年，我國尾礦總產生量約為12.72億t，其中鐵尾礦占尾礦總產生量的40.9%[1]。目前，在混凝土行業中鐵尾礦的主要利用途徑為采用鐵尾礦砂石代替粗細骨料[2-3]或者鐵尾礦粉作為摻合料[4-5]進行混凝土的配制。國內關于鐵尾礦骨料特性及其混凝土性能的研究已取得一些研究成果，并在房建工程、市政工程、配重混凝土工程及部分橋梁工程中得到應用[6-7]，但在高速公路橋梁高性能混凝土中的應用還很少見。同時，受礦石產地和選礦工藝等因素影響，不同地區的鐵尾礦成分和含量存在差異，且鐵尾礦骨對混凝土熱物理性能的影響研究相對較少。因此，該文結合高速公路工程高性能混凝土對骨料的技術要求，對比分析了鐵尾礦骨料和天然骨料在常規性能指標、化學成分、熱物理性能參數及其對混凝土工作性能、力學性能和熱物理性能的影響，為鐵尾礦骨料在高速公路工程高性能混凝土中的應用提供一定的理論依據和指導。

1 鐵尾礦骨料的特性

鐵尾礦骨料選用新平縣大紅山石場生產的5mm～20mm連續級配碎石。石灰巖骨料采用新平縣小海洽石場生產的5mm～20mm連續級配碎石。按照《建設用碎石、卵石》GB/T 14684-2011測試了骨料的顆粒級配、表觀密度、空隙率、吸水率、針片狀顆粒含量、壓碎指標、堅固性、含泥量、泥塊含量等指標。按照《水泥化學分析方法》GB/T 176-2017測試了骨料的化學成分。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GBT 50081-2019測試了骨料的熱物理性能。

1.1 常規性能

圖1是骨料的累計篩余試驗曲線。由圖1可知，2種骨料在5mm～10mm和10mm～20mm級配含量上略有差異，且鐵尾礦骨料在10mm和4.75mm以下含量略高。相較而言，鐵尾礦骨料的顆粒級配較石灰巖骨料略差。骨料的級配受到礦山品質、破碎整形、粉含量控制等制備工藝的影響，在個別粒徑和級配區間有細微的差別，但整體上各區間和范圍分布均在連續級配區間內，其級配符合橋梁高性能混凝土骨料的顆粒級配要求。

圖1 骨料的累計篩余試驗曲線

表1是骨料的常規物理力學性能指標。由表1可知，綜合對比鐵尾礦碎石和石灰石碎石在常規性能指標方面的差異，主要表現在表觀密度、壓碎指標、針片狀顆粒含量、空隙率吸水率和堅固性指標上。鐵尾礦碎石的壓碎指標值和堅固性指標值顯著低于石灰巖粗碎石，其分別較石灰巖碎石降低5.1%和2.0%，表明鐵尾礦碎石強度較高，耐久性更好。但同時，鐵尾礦碎石的針片狀顆粒含量和空隙率較高，分別較石灰巖碎石增加1.5%和2.0%，表明鐵尾礦碎石的粒形相對較差，對混凝土的工作性能會產生不利影響。針片狀顆粒含量較高的原因與骨料的破碎工藝聯系比較密切，可通過一定的工藝進行改善，實際應用時應注意控制其含量。綜合鐵尾礦骨料在常規性能方面的表現，根據《公路橋涵施工技術規范》JTG/T 3650關于粗集料技術指標的規定，鐵尾礦骨料整體上符合Ⅱ類粗集料的要求，符合公路工程高性能混凝土配制的要求。

表1 骨料常規物理力學性能指標

在橋梁高性能混凝土中，既要求混凝土具有良好的力學性能和耐久性能，保證混凝土結構的安全性，同時對箱梁、T梁等橫向受力構件的自重有一定的限制性要求，以保證橋梁的使用壽命。和石灰巖碎石骨料相比，鐵尾礦骨料的表觀密度要高很多，配制的混凝土設計容重較高，對箱梁、預制T梁等橫向受力的構件極為不利，會影響橋梁的整體耐久性和結構安全性。因此，在橋梁的混凝土結構設計中，鐵尾礦骨料可用于大體積承臺、薄壁空心高墩的混凝土配制。

1.2 化學礦物組成

表2為鐵尾礦骨料和石灰巖骨料的化學組成分析。由表2可知，從鐵尾礦骨料和石灰巖骨料的主要化學組成來看，鐵尾礦骨料的SiO2含量最大，其次為Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO等成分。而石灰巖骨料的化學成分以CaO為主，其次為SiO2和MgO等成分。其中，鐵尾礦骨料的Fe2O3含量和Na2O含量要比石灰巖骨料高出很多。骨料化學組成的不同在很大程度上決定了其主要的礦物成分。通過巖相送檢分析其礦物組成，鐵尾礦骨料的主要礦物成分為石英和斜長石，石灰巖骨料以方解石和白云石為主，均不存在堿活性。

表2 骨料化學組成分析

骨料對混凝土性能的影響，除常規性能指標之外，還與骨料自身的化學礦物組成有很大的關系，化學礦物組成的不同對骨料的性能及混凝土的性能會產生一定的影響。骨料的SiO2含量高，巖石硬度大，抗壓強度較高，會極大地提高混凝土骨架的支撐作用，對混凝土的強度具有明顯地提高作用。同時，鐵尾礦骨料的Fe2O3含量較高，鐵元素的大量存在會影響骨料和混凝土的熱物理性質。在橋梁高性能混凝土中，采用鐵尾礦骨料配制混凝土時，還應考慮鐵尾礦骨料的熱物理性質及其對混凝土性能的影響。

1.3 熱物理性能

骨料在混凝土各材料組成中體積占比最大，對混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能、熱物理性能等影響較大。劉凱等[8]采用廣義灰關聯理論研究了骨料的體積分數、溫度、水膠比和砂率對混凝土導熱系數的影響，結果表明骨料體積分數、溫度、水灰比對導熱系數的影響較大。在橋梁高性能混凝土的設計中，由于橋梁構件結構復雜、體積較大，具有大體積混凝土的特點，在研究骨料對混凝土性能的影響時，除了工作性能、力學性能和耐久性能之外，還應關注骨料的熱物理性能及其對混凝土熱物理性能的影響，從而能夠在混凝土的水化過程中實現混凝土水化溫升、降溫、溫差等關鍵溫度控制指標的預測和控制，降低混凝土由溫度應力引起的開裂風險。

鐵尾礦骨料作為鐵礦石選礦后產生的固體廢棄物，化學組成中Fe2O3含量較高，在用于混凝土的配制時，需要充分考慮Fe2O3對骨料熱物理性能的影響。表3是鐵尾礦骨料和石灰巖骨料的導熱系數、比熱容和線膨脹系數對比。

表3 骨料的熱物理參數

對比鐵尾礦骨料和石灰巖骨料的導熱系數和比熱容差異可知，鐵尾礦骨料的導熱系數較石灰巖骨料增加27.3%，比熱容較石灰巖骨料降低14.6%，見表4。用于混凝土的配制時，混凝土內部經由水化反應產生的熱量可以通過混凝土實現均勻、快速的分散。熱量的擴散會降低混凝土芯表溫差，減少內部的溫度聚集和溫度應力的產生。對比鐵尾礦骨料和石灰巖骨料的線膨脹系數差異可知，鐵尾礦骨料的線膨脹系數較石灰巖骨料增加15%。說明在混凝土水化放熱和環境溫度升高的過程中，鐵尾礦混凝土骨料受熱產生的線性膨脹程度較石灰巖骨料高，混凝土骨架整體的體積穩定性降低。綜合鐵尾礦骨料在熱物理性能方面的表現，在實際的工程應用中，采取合理有效的降溫和保溫保濕養護措施，可以有效地降低由溫度應力和體積膨脹引起的開裂風險，抵消由導熱系數帶來的不利影響。

表4 混凝土配合比

2 鐵尾礦骨料對混凝土性能的影響

鐵尾礦骨料由于受到表觀密度的影響，混凝土的設計容重較普通骨料混凝土的容重高，考慮混凝土容重對構件耐久性和安全性的影響，在高速公路橋梁高性能混凝土中，通常用于大體積承臺、薄壁空心高墩等非橫向受力的構件中。該文以連續剛構橋墩柱C50混凝土為研究對象，對比研究鐵尾礦骨料和石灰巖骨料對混凝土工作性能、力學性能和熱物理性能的影響。

2.1 試驗其他原材料及配合比

所用水泥為華寧玉珠水泥有限公司生產的P·O52.5水泥，其比表面積為373m2/kg，燒失量為3.11%，標準稠度用水量為26.8%，3d抗壓強度為37.9MPa，28d抗壓強度為58.5MPa。所用粉煤灰為昆明環恒粉煤灰有限責任公司生產的F類I級粉煤灰，SO3含量為0.6%，需水比為97.7%，細度為13.6%，28d活性指數為83.1%。細骨料選用天生壩砂場生產的河砂，二區中砂，細度模數為2.9，含泥量為1.8%，泥塊含量為0.3%，空隙率為37.9%，堅固性為5%。外加劑選用上海三瑞新材料有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，固含量為12%，減水率為28%，泌水率比為26.7%，28d收縮率比為94%。水為試驗室普通自來水。

為更好對比鐵尾礦骨料和石灰巖骨料對混凝土性能的影響，試驗除粗骨料種類不同外，其他配合比參數均不變。墩柱C50混凝土的配合比參數見表4。混凝土的工作性能參照《普通混凝土拌和物性能測試方法》GB/T 50080-2016進行測試，混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量和熱物理性能參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2019進行測試。

2.2 工作性能及力學性能

高速公路工程所用混凝土的配合比具有膠凝材料用量較大、拌合物黏度較高的特點。采用鐵尾礦骨料配制時，混凝土的設計容重較高。因此，鐵尾礦骨料的引入對混凝土的力學性能和工作性能會產生一定的影響。

表5是混凝土的工作性能試驗結果。由表5可知，鐵尾礦骨料混凝土的坍落度為210mm，擴展度為550mm。與石灰巖骨料混凝土相比，坍落度和擴展度略降低，但總體降低幅度較小，均符合設計和泵送施工的要求。但鐵尾礦骨料混凝土的倒提時間較石灰巖骨料混凝土有明顯的增加，倒提時間增加3s。作為混凝土泵送施工性能的重要技術指標之一，倒提時間的增加說明鐵尾礦骨料混凝土的流動速度慢，粘滯阻力增大，在泵送過程中會增加泵送壓力和泵送難度，影響混凝土的泵送施工質量。

表5 混凝土的工作性能試驗結果

圖2是混凝土的抗壓強度試驗結果。由圖2可知，鐵尾礦骨料混凝土的3d、7d和28d抗壓強度分別較石灰巖骨料混凝土增加7.9%、10.5%和5.9%。由圖3可知，鐵尾礦骨料混凝土的28d抗折強度和28d彈性模量分別較石灰巖骨料混凝土增加16.9%和5.1%。可見，和石灰巖碎石相比，鐵尾礦骨料混凝土的各齡期抗壓強度、抗折強度和靜彈性模量均呈增大趨勢。鐵尾礦骨料的壓碎指標、堅固性較小，骨料的整體強度較高，在混凝土中起到的骨架支撐強度較大，增大了混凝土的整體抗壓強度和剛度。

圖2 混凝土的抗壓強度

圖3 混凝土的抗折強度和彈性模量

從混凝土的工作性能和力學性能整體變化情況來看，鐵尾礦骨料對混凝土的影響呈現兩極化，一方面較高的設計容重必然會增加混凝土的泵送施工難度，特別是在超高泵送過程中，應充分認識鐵尾礦骨料對混凝土泵送施工帶來的不利影響；另一方面，鐵尾礦骨料對混凝土的力學性能有一定的提高作用，對墩柱等非橫向受力構件，具有非常有利的效果。

2.3 熱物理性能

由于粗骨料占混凝土體積的大部分，因此對混凝土熱物理性能的影響最大。骨料種類的不同，其本質是骨料中礦物成分含量的不同導致了骨料的熱物理性能和硬化后混凝土性能的不同。鐵尾礦骨料的導熱系數和線膨脹系數比其他2種骨料高，表現在配制出的混凝土參數上有相同的規律，但是混凝土作為一個復雜組分的復合材料，還受水泥、礦物摻合料、細骨料等其他原材料組分影響。表6是混凝土的熱物理性能參數。

表6 混凝土的熱物理性能參數

從表6的試驗結果來看，鐵尾礦骨料的引入提高了混凝土的導熱系數和線膨脹系數，降低了比熱容。在大體積混凝土的水化放熱過程中，導熱系數的增加降低了由溫差產生的溫度應力導致的開裂風險，但線膨脹系數的增加導致由溫度升高引起的膨脹開裂風險。因此，在保證鐵尾礦混凝土的工作性能和力學性能滿足設計要求的前提下，應考慮骨料對混凝土綜合性能的影響，采用有效合理的技術措施避免鐵尾礦骨料的不利影響，保證混凝土的整體性能符合施工設計要求和橋梁的耐久性要求。在鐵尾礦骨料的應用過程中，應綜合考慮骨料對混凝土導熱系數、比熱容和線膨脹系數3個參數的綜合影響，尤其是高溫環境下鐵尾礦骨料的應用，以便對混凝土的溫度控制和開裂風險進行預估。

3 結論

鐵尾礦骨料的表觀密度較大，壓碎指標、吸水率較低，針片狀顆粒含量較高，整體性能符合高速公路高性能混凝土的配制要求，但受表觀密度的影響，用于混凝土配制時，混凝土設計容重較高。

鐵尾礦骨料的Fe2O3含量較天然骨料高，鐵元素的存在對骨料的熱物理性能影響較大。鐵尾礦骨料提高了混凝土的導熱系數和線膨脹系數，降低了比熱容，在增加混凝土溫升開裂風險的同時，可有效地降低混凝土的溫差。

綜合鐵尾礦骨料在常規性能、化學礦物成分組成和對混凝土性能的影響，鐵尾礦骨料用于承臺、墩柱等非橫向受力的混凝土結構是可行的。