不同種類尾礦對(duì)制備混凝土試塊力學(xué)性能的影響研究*

嚴(yán)凱 萬海飛 牛智勇

宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院 安徽 宿州 234000

引言

近年來，我國大宗工業(yè)固廢產(chǎn)量呈不斷增長的趨勢，且呈現(xiàn)種類較為集中的特點(diǎn)，主要有鐵礦石尾礦、花崗石尾礦、廢棄煤矸石及廢棄煤渣四種。尾礦長期堆積的危害除了占用土地資源、污染環(huán)境外，其自身含有的少量有毒性或者放射性物質(zhì)會(huì)不斷浸入到地面以下，進(jìn)而影響尾礦堆積區(qū)周圍耕地和地下水資源，給近礦區(qū)居民的正常生活帶來不利影響[1-3]。近年來，相關(guān)科研工作者為解決尾礦污染環(huán)境、緩解天然砂石骨料緊缺問題，開展了廢棄尾礦資源化利用成為混凝土再生骨料的研究，通過不斷試驗(yàn)與改進(jìn)，最終制得的尾礦砂混凝土力學(xué)性能可以滿足建筑結(jié)構(gòu)的基本使用要求[4-8]。尾礦資源二次利用具有很大前景，鐵礦石尾礦、花崗石尾礦、廢棄煤矸石、廢棄煤渣都為我國大宗礦業(yè)固廢常見的尾礦，具有材料來源廣的特點(diǎn)。本文基于宿州市埇橋區(qū)某獨(dú)立礦區(qū)礦產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的大量尾礦，采用室內(nèi)試驗(yàn)的研究方法，探索出適合應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的新型混凝土，有利于實(shí)現(xiàn)宿州市廢棄尾礦砂的資源化利用，在減少廢棄尾礦砂堆砌的同時(shí)保護(hù)了寶貴的土地資源，有效節(jié)約天然砂石骨料，利于實(shí)現(xiàn)大宗固廢資源化利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本試驗(yàn)用制作混凝土塊原材料有水、水泥、粉煤灰、廢棄尾礦、減水劑、河砂。①水泥：試驗(yàn)用由宿州海螺水泥廠生產(chǎn)P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。②粉煤灰：試驗(yàn)用粉煤灰由靈壽縣泰岳礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)。③細(xì)骨料：試驗(yàn)用骨料為宿州市埇橋區(qū)某獨(dú)立礦區(qū)工作產(chǎn)生的大量不同種類的尾礦，包括鐵礦石尾礦、花崗石尾礦、廢棄煤矸石、廢棄煤渣。經(jīng)粉碎后粒徑級(jí)為4.75mm以下，級(jí)配良好。④減水劑：試驗(yàn)用減水劑由淘寶萬山集團(tuán)生產(chǎn)的萘系減水劑。⑤河砂：試驗(yàn)用河砂由淘寶萬山集團(tuán)生產(chǎn)的天然水洗砂，表觀密度2562kg/m3，堆積密度為1410kg/m3，顆粒級(jí)配良好。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用100×100×100mm的立方體試塊，混凝土經(jīng)過機(jī)械攪拌，后澆筑進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型，將裝有混凝土的模具放置于振動(dòng)臺(tái)上經(jīng)振搗后密實(shí)，并于24 h后拆模，將拆模后的混凝土立方體試塊放入溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d。試驗(yàn)水灰比0.4，減水劑量執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB8076-76《混凝土外加劑》，取水泥摻量的2%。同時(shí)設(shè)置對(duì)照組，對(duì)照組的配合比設(shè)計(jì)遵循JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。

混凝土單軸壓縮試驗(yàn)按照 GB /T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。制成的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件單軸壓縮試驗(yàn)采用數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)（圖1），此試驗(yàn)機(jī)利用10t荷載傳感器量測荷載數(shù)據(jù)，以量程為30 mm的電子位移計(jì)量測試件豎向全長位移。試驗(yàn)結(jié)果由數(shù)顯單軸壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)、實(shí)時(shí)采集施加荷載與混凝土試塊位移數(shù)據(jù)，同時(shí)以圖形的形式來顯示應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 數(shù)顯單軸壓力試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)分析及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)材料設(shè)計(jì)配合比

試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）計(jì)算普通混凝土配合比，但由于現(xiàn)行的再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)方法大都參照普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)，本試驗(yàn)的鐵礦石尾礦、花崗石尾礦、廢棄煤矸石與廢棄煤渣存在微裂隙較多、吸水率較高等自身缺陷，故其配合比設(shè)計(jì)有所調(diào)整。

本試驗(yàn)以水灰比比值為0.4、砂灰比比值為2.0為前提，分別設(shè)計(jì)了一組對(duì)照組，四組試驗(yàn)組（表1）。為不摻任何尾礦的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照組，C0；鐵礦石尾礦-河砂為2:3的試驗(yàn)組，C1；花崗石尾礦-河砂為2:3的試驗(yàn)組，C2；廢棄煤矸石-河砂為2:3的試驗(yàn)組C3、廢棄煤渣：河砂為2:3的試驗(yàn)組C4。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比

將標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件置于壓力試驗(yàn)機(jī)之間，啟動(dòng)機(jī)器，標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件在受到單軸施加的壓力后，豎向出現(xiàn)明顯縮短現(xiàn)象，同時(shí)橫向呈現(xiàn)向外擴(kuò)張之態(tài)。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度后，積累的能量突然釋放，試件破壞伴、側(cè)面砂漿開始脫落。

2.2 廢棄礦砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)分析

對(duì)照組及四種廢棄礦砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響如表2所示。由上表可以看出，未摻入任何尾礦的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的軸心抗壓峰值強(qiáng)度為38.26MPa，谷值為37.86MPa，平均值為38.02MPa；摻入鐵礦石尾礦的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的軸心抗壓峰值強(qiáng)度為42.65MPa，谷值為42.42MPa，平均值為42.55MPa；摻入花崗石尾礦的軸心抗壓峰值強(qiáng)度為40.73MPa，谷值為40.54MPa，平均值為40.65MPa；摻入廢棄煤矸石的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的軸心抗壓峰值強(qiáng)度為41.34MPa，谷值為41.19MPa，平均值為41.27MPa；摻入廢棄煤渣的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的軸心抗壓峰值強(qiáng)度為40.21MPa，谷值為39.47MPa，平均值為39.88MPa。各組試塊強(qiáng)度見圖2，由圖也可明顯得知，四種常見的廢棄尾礦分別摻入混凝土中對(duì)混凝土強(qiáng)度提高效應(yīng)為：鐵礦石尾礦最為明顯，廢棄煤矸石次之，花崗石尾礦排第三，廢棄煤渣最差。

表2 各組試塊的強(qiáng)度（單位：MPa）

基于以上數(shù)據(jù)得出折線圖如圖2所示。

圖2 各組試塊強(qiáng)度平均值

鐵礦石尾礦使混凝土強(qiáng)度提高的主要原因是：在控制水灰比相同的條件下，鐵尾礦砂的加入使得細(xì)骨料的表面積增大，繼而使得更多的自由水吸附在鐵尾礦砂表面，和其他材料共同作用時(shí)使得水泥的水化自由水減少，降低了水灰比，混凝土強(qiáng)度得以提高。相比而言花崗石尾礦和廢棄煤矸石吸附自由水的能力沒有鐵礦石尾礦的能力好，但也能顯著提高混凝土試塊的強(qiáng)度。由折線圖得知：摻有花崗石尾礦和廢棄煤矸石的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度相似，但摻有廢棄煤矸石的抗壓強(qiáng)度要稍強(qiáng)于摻有廢棄煤渣的強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

固定水灰比、砂灰比及減水劑的含量時(shí)，摻入鐵礦石尾礦、花崗石尾、廢棄煤矸石及廢棄煤渣對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件的強(qiáng)度較未摻入時(shí)強(qiáng)度均有不同程度的提高。

固定水灰比、砂灰比及減水劑的含量時(shí)，鐵礦石尾礦對(duì)混凝土強(qiáng)度提高效益最佳；廢棄煤矸石次之；花崗石尾礦第三；廢棄煤渣效應(yīng)最差。

固定水灰比、砂灰比及減水劑的含量時(shí)，鐵尾礦砂吸附自由水的能力高于廢棄煤矸石、花崗石尾礦及廢棄煤渣，即利用尾礦砂取代部分天然砂，對(duì)提高混凝土的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)廢棄尾礦砂的資源化利用，減少廢棄尾礦砂堆砌，節(jié)約天然砂石骨料有重大意義。