鐵尾礦機制砂在混凝土中的應用技術研究

朱久玉

（天津聯創混凝土有限公司，天津 301714）

項目組通過試驗研究，分析鐵尾礦機制砂對預拌混凝土工作性能、力學性能及耐久性能的影響，指導混凝土生產企業合理使用鐵尾礦機制砂，緩解天然砂資源緊缺的現狀。

1 原材料、儀器設備

1.1 原材料

（1）水泥：本項目采用唐山金劍水泥有限公司生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本物理化學性能測試結果見表 1，符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中的相關指標要求。

表1 水泥性能檢驗結果

（2）礦粉：本項目采用河北鋼鐵建設集團生產的S95級礦粉，其基本物理化學性能測試結果見表 2，符合 GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中相關性能指標的要求。

表2 礦粉性能檢驗結果

（3）粉煤灰：本項目采用天津北疆環保建材有限公司生產的 F 類Ⅱ級粉煤灰，其基本物理化學性能測試結果見表 3，符合 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中相關性能指標的要求。

表3 粉煤灰基本性能檢驗結果

（4）鐵尾礦機制砂：本項目采用的鐵尾礦砂產自唐山市宏泰礦業集團有限公司，分為粗砂、細砂兩種規格，其基本物理化學性能測試結果見表 4。

表4 鐵尾礦砂基本性能檢驗結果

（5）碎石：本項目采用河北省生產的 5～25mm連續粒級碎石，其技術指標測結果見表 5，符合 GB/T 14685—2011《建設用碎石卵石》中相關性能指標的要求。

表5 碎石技術指標測試結果

（6）外加劑：本項目采用聚羧酸系高性能減水劑，型號 HK-1，其性能測試結果符合 GB 8076—2008《混凝土外加劑》中相關性能指標的要求。

（7）水：本項目采用自來水，符合 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》中混凝土拌合用水相關性能指標的要求。

1.2 儀器設備

本項目混凝土試驗采用 HJW-60 型單臥軸強制式混凝土攪拌機。

2 試驗方案、配合比及試驗方法

2.1 試驗方案

我公司日常生產多為 C15～C50 范圍內的中低強度等級混凝土，項目組本次試驗研究首次嘗試配制 C60高強度等級鐵尾礦砂混凝土。采用鐵尾礦粗、細砂配制強度等級 C20、C35、C60 混凝土，試驗研究其對新拌混凝土和易性的影響；分別進行硬化試件的抗壓強度、抗折強度、劈拉強度、軸心抗壓、彈性模量、碳化試驗、抗凍試驗和收縮試驗，研究鐵尾礦砂對不同強度等級混凝土力學性能和耐久性能的影響。

鐵尾礦粗砂缺少細顆粒，若單獨使用，所配制的混凝土漿體粘聚性較差，容易出現離析、泌水等現象，需要增加大量膠凝材料。根據我公司實際生產經驗，項目組在鐵尾礦粗砂中摻入一定比例的鐵尾礦細砂混合使用，完善細骨料顆粒級配。表 6 為我公司推薦采用的不同強度等級混凝土細骨料中鐵尾礦細砂摻量范圍。

表6 不同等級混凝土中細骨料鐵尾礦細砂建議摻量

2.2 混凝土配合比

試配選用 C20、C35、C60 三個強度等級，將鐵尾礦砂粗砂和細砂混合作為細骨料使用。由于鐵尾礦砂的顆粒形狀多成針片狀，含有大量裂隙，對混凝土的流動性有一定的影響，而且鐵尾礦砂中也有一定量的石粉，需要增加拌合用水，才能使配制的混凝土坍落度達到天然砂混凝土的程度。而且由于鐵尾礦砂的表觀密度比天然砂大，所以混凝土配合比中砂率適當提高。C20 混凝土配合比中膠凝材料總量為 340kg/m3，礦粉、粉煤灰摻量均為 20.6%，砂率為 48%，水膠比為 0.60，細骨料中鐵尾礦細砂占 30%；C35 混凝土配合比中膠凝材料總量為 400kg/m3，礦粉摻量為 23%，粉煤灰摻量 18%，砂率為 45%，水膠比為 0.50，細骨料中鐵尾礦細砂占30%；C60 混凝土配合比中膠凝材料總量為 540kg/m3，礦粉摻量為 19%，粉煤灰摻量為 11%，砂率為 42%，水膠比為 0.31，細骨料中鐵尾礦細砂占 27%。三個不同強度等級的鐵尾礦砂混凝土配合比見表 7。

表7 混凝土試配配合比 kg/m3

2.3 試驗方法

新拌混凝土坍落度檢測依據 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》；混凝土力學性能檢測依據 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量、劈裂抗拉強度及抗折強度的試驗方法進行；混凝土耐久性檢測按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中混凝土抗碳化性能、抗凍融性能（慢凍法）和收縮性能的試驗方法測試。

3 試驗研究結果分析

3.1 混凝土拌合物性能

鐵尾礦砂混凝土拌合物和易性及坍落度測試結果見表 8。

表8 試配坍落度擴展度記錄表

測試結果表明采用鐵尾礦砂配制不同強度等級混凝土的坍落度都超過 200mm，隨著混凝土強度等級的增大，膠凝材料的增加，水膠比的降低，混凝土拌合物的粘度逐漸增加。C20 混凝土略微有泌水現象。不同強度等級混凝土坍落度測試見圖 1。

圖1 鐵尾礦砂混凝土拌合物坍落度測試結果

3.2 混凝土力學性能

鐵尾礦砂混凝土力學性能測試結果見表 9。

表9 混凝土力學性能測試結果（28d）

鐵尾礦砂混凝土力學性能測試結果表明：在提高水膠比和砂率的前提下鐵尾礦砂混凝土試件 28d 抗壓強度均達到設計強度；由于鐵尾礦砂顆粒表面粗糙，增加與水泥漿體的機械咬合力，所以鐵尾礦砂混凝土劈拉強度和抗折強度比相同強度等級天然砂混凝土略大；三個強度等級鐵尾礦砂混凝土彈性模量與天然砂混凝土相近。

3.3 混凝土耐久性能

鐵尾礦砂混凝土抗凍性和碳化試驗測試結果見表10，干燥收縮試驗結果見圖 2。

表10 鐵尾礦砂混凝土抗凍性能（慢凍法）和抗碳化性能測試結果（28d）

圖2 天然砂、混合砂混凝土干燥收縮測試結果

耐久性能測試結果表明：鐵尾礦砂混凝土 50 次凍融循環后試件質量、抗壓強度損失較小；鐵尾礦砂混凝土碳化深度隨著混凝土強度等級的提高、密實度的增加而減小；C60 鐵尾礦砂混凝土經過 28d 沒有被碳化；三個強度等級鐵尾礦砂混凝土的干燥收縮率規律相近，90d 之后基本穩定。

4 生產應用情況

我公司自使用鐵尾礦砂以來，取得了相當好的效益，近兩年來，鐵尾礦砂混凝土年產量達 80 萬方，其中大項目包括：中冶天工集團沐景園項目，使用尾礦混凝土約 15 萬方，天津小站建筑公司采微雅苑項目，約24 萬方。經過現場各方面檢測驗證，強度性能相當理想，完全滿足設計要求。鐵尾礦砂混凝土在生產使用過程中，力學性能較好，雖然生產用水量略有增加，但通過一年的實體驗證強度完全滿足要求。圖 3 為施工現場表觀狀態，與普通河砂混凝土外觀無差別。工程現場實體回彈結果顯示實體強度完全符合設計要求。

圖3 中冶項目實物尾礦砂配制 C35 混凝土

5 結論

（1）將鐵尾礦粗砂和細砂混合，作為混凝土細骨料，適當提高水膠比和砂率，制備出的混凝土具有良好的和易性和工作性。

（2）三個強度等級的鐵尾礦砂混凝土力學性能均達到設計強度；鐵尾礦砂混凝土劈拉強度和抗折強度比相同強度等級天然砂混凝土略高；混凝土彈性模量與天然砂混凝土相近。

（3）鐵尾礦砂混凝土抗凍融、抗碳化性能良好；三個強度等級鐵尾礦砂混凝土的干燥收縮率規律相近，90d 之后基本穩定。

（4）通過我公司近八年大量應用證明，鐵尾礦砂作為細骨料制備混凝土，具有與普通混凝土基本相同的性能，用鐵尾礦砂代替天然砂配制混凝土是可行的。