鐵尾礦砂配制混凝土的應用探析

王艷艷，陳瑛，廖琳，代印印，黃小明，王亞俊

（安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

鐵尾礦資源是一種復合型礦物原料，是鐵礦石經過一系列選礦過程剩下的廢棄物，大量鐵尾礦的堆放，不僅占用大量土地，而且破壞地表植被，還會造成重金屬離子超標、揚塵等問題，嚴重影響自然環境[1-2]。天然砂是一種有限的自然資源，隨著中國經濟的發展，天然砂資源越來越少。各地為了保護環境開始頒布禁止開采天然砂，這使得天然砂越來越昂貴，且其供應不能滿足工程建設的要求[3]。用鐵尾礦砂作為細骨料制備混凝土，可以實現廢棄物的二次利用，既可以提高鐵尾礦砂的利用率，也可以節約有限的自然資源[4]。

鐵尾礦的主要化學成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO，化學成分會因地區差異略有不同，主要礦物組成為石英、赤鐵礦、白云石、長石等，總體上鐵尾礦的化學成分和礦物成分相似[2,5]。對于鐵尾礦砂的研究，張玉琢等人[6]將不同比例的鐵尾礦砂與天然砂混合制備鐵尾礦砂混凝土當鐵尾礦砂的取代率為50%時，混凝土拌合物的工作性良好，達到了預拌混凝土大流動性的施工要求；王玉雅等人[7]將鐵尾礦作為細集料取代天然砂，隨鐵尾礦砂取代率的增加，C50混凝土不同齡期的抗壓強度、劈裂抗拉強度均逐漸降低，當鐵尾礦砂取代率為20%時，C50混凝土的28 d、60 d、90d強度與未摻鐵尾礦砂的基準組相比降幅均較小；仝宵等人[8]對不同摻量鐵尾礦砂和再生骨料再生混凝土性能進行了試驗研究，在鐵尾礦砂取代率為30%時，水化程度最大，鐵尾礦砂對于硬化體系堆積填充作用最為明顯，使混凝土內部結構更加密實。本文以鐵尾礦砂為混凝土細骨料，配制C40混凝土，以實現鐵尾礦的有效利用。

2 試驗設計

2.1 原材料

2.1.1 鐵尾礦砂

本研究中使用的鐵尾礦砂，來源于安徽省馬鞍山市，其外觀如圖1所示，顏色呈灰黑色，通過篩分析試驗測得鐵尾礦砂的細度模數為1.4。按照《鐵尾礦砂》（GB/T31288-2014）[9]標準規定的試驗方法測試了鐵尾礦砂的有害物質含量、堅固性等指標，結果表明這些指標符合GB/T31288-2014[9]的要求。對鐵尾礦砂進行理化性質分析，測得其化學成分和相關物理指標如表1所示，其放射性指標見表2。鐵尾礦砂的放射性指標符合《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）[10]的要求。

圖1 鐵尾礦砂

鐵尾礦砂的化學成分和物理性能 表1

鐵尾礦砂的放射性指標檢測數據 表2

圖2是鐵尾礦砂的XRD圖譜分析，可以確定該鐵尾礦砂的礦物組成，從XRD的各個峰來看，本實驗中所使用的鐵尾礦砂成分較復雜，多個物質晶相中都有SiO2，推測該鐵尾礦砂樣品中SiO2成分含量較多，并且含有CaO，Al2O3，Fe2O3，Na2O，P2O5，MgO，K2O，SO3，MnO等雜質。該樣品中含有CaO，沒有C元素，推測沒有石灰巖成分，CaO·Al2O3·2SiO2推測可能為長石混合物，Ca2SiO3，Na2O·Al2O3·6SiO2推測可能為粘土和石英砂混合物，MgO·MnO·2SiO2推測可能均為含有雜質的石英砂混合物，K2O·MgO·CaO·4SO3推測可能為含有硫化物成分的雜質，Fe5(PO4)3(OH)5推測可能為少量的磁鐵礦及磷化物的混合雜質。

圖2 鐵尾礦砂的XRD衍射圖

依據行業標準《高性能混凝土用骨料》（JG/T568-2019）[11]中的有關人工砂需水量比試驗和石粉流動度比試驗的規定，按照標準中的試驗配合比對鐵尾礦砂做了需水量比和石粉流動度比的試驗，用以判定尾礦砂的級配、粒形、吸水率和石粉吸附性能等指標，試驗結果如表3和表4所示。

鐵尾礦砂需水量比試驗數據 表3

鐵尾礦砂石粉流動度比試驗數據 表4

根據試驗結果分析可知，鐵尾礦砂的需水量比為162%，說明鐵尾礦砂的吸水率較大。鐵尾礦砂的石粉流動度比為88%，說明鐵尾礦砂中的石粉對所用減水劑有一定的吸附作用。

2.1.2 水泥

水泥是來自安徽銅陵海螺水泥有限公司。其物理性能見表5。

P·O42.5級水泥物理性質 表5

2.1.3 其他原材料

采用F類Ⅰ級粉煤灰，廠家：皖能合肥發電有限公司粉煤灰分公司。S95礦粉，廠家：安徽長江精細硅粉有限責任公司。外加劑為減水劑：聚羧酸高性能減水劑，江蘇某公司生產。拌和水符合《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）[12]混凝土拌和要求。

2.2 試驗方法

2.2.1 C40鐵尾礦砂混凝土制備

依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）[12]，河砂中摻加鐵尾礦砂做細骨料配制C40混凝土配合比見表6，T0～T3采用相同的水灰比去配制C40混凝土，T1～T3鐵尾礦砂的摻量分別為10%、20%、30%。研究鐵尾礦砂摻量對混凝土性能的影響。

C40鐵尾礦砂混凝土設計配合比（kg/m3） 表6

2.2.2 拌合物的工作性能

混凝土的工作性，是混凝土拌合物易于施工操作，并獲得質量均勻、成型密實的混凝土的性能。在混凝土拌合過程中，觀察拌合物的和易性，測定拌合物的坍落度和擴展度，以及1h坍落度和1h擴展度。混凝土拌合物的坍落度試驗、擴展度試驗、坍落度經時損失試驗和擴展度經時損失試驗，按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2016）[13]進行。

2.2.3 試件的抗壓強度

試樣壓力強度測試儀器采用上海三思縱橫機械制造有限公司生產的YAW-2000微機控制壓力試驗機。根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）[12]，制作 100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，進行標準條件養護，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）[14]測定混凝土試塊7d、28 d的抗壓強度。

3 結果與討論

3.1 拌合物的工作性能

混凝土的拌合狀態、初始坍落度、擴展度，以及1h坍落度和1h擴展度見表7。初始坍落度狀態如圖3所示。

混凝土的工作狀態 表7

圖3 混凝土的初始坍落度狀態圖片

鐵尾礦砂摻量達到20%及以上，混凝土拌合物在初始狀態的拌合性能變差，坍落度和擴展度已不滿足泵送條件，經過60 min后測量發現，坍落度和擴展度的經時損失很大，究其原因，一方面，鐵尾礦砂的形狀不規則，棱角多，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，細集料之間以及細集料與水泥漿體之間的嚙合力增加，致使漿體流動性變差[6]；另一方面，鐵尾礦砂的粒徑在0.30mm以下的顆粒較天然砂多，所以隨著鐵尾礦砂摻比的增加，混凝土細骨料的比表面積增大，需水量增加。這一點也符合鐵尾礦砂的需水量比較大的特點。摻比30%的時候，拌合物達到幾乎無法拌合的程度。另外，鐵尾礦砂中的石粉對減水劑有一定的吸附性，也會導致拌合物的坍落度的經時損失較大。

3.2 混凝土試件的抗壓強度

C40混凝土試件抗壓強度值 表8

摻有鐵尾礦砂的混凝土的7d抗壓強度均大于天然砂混凝土。隨著鐵尾礦砂摻量的增加，鐵尾礦砂摻量10%的時候，混凝土的7 d強度稍微增加；鐵尾礦砂摻量20%時，混凝土7 d強度增加明顯，達到15%以上；鐵尾礦砂摻量30%時，混凝土7 d強度增加20%以上。說明鐵尾礦砂的加入會促進混凝土早期強度的增長；但是隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的28 d強度呈略微降低趨勢，但是總體變化不大，原因是鐵尾礦砂的制備過程中的機械破損使其壓碎指標大于天然砂。

4 結論

本文采用鐵尾礦砂部分取代河砂作為混凝土細骨料配制C40混凝土，研究了鐵尾礦砂對混凝土的工作性能和力學性能的影響，結論如下：

①隨著鐵尾礦砂摻比的增加，混凝土拌合物的坍落度和流動性逐漸變差，這與鐵尾礦砂較大的需水量比有關，針對鐵尾礦砂的需水量比較大的特點，可以進一步開展工作；

②鐵尾礦砂的加入會促進混凝土早期強度的增長，鐵尾礦砂摻量30%時，混凝土7d強度增加20%以上，隨著鐵尾礦砂摻比的增加，28d強度呈略微降低趨勢，但是總體變化不大；

③利用鐵尾礦砂用作混凝土細骨料生產混凝土，可以降低混凝土的成本，同時有利于促進固體廢棄物的資源化，提升其利用價值。