鐵尾礦基透水混凝土路用性能研究

王建偉

（天津市建筑科學(xué)研究院有限公司，天津 300393）

礦山在開采選礦后殘渣形成的尾礦[1]，是工業(yè)固廢的一種。我國鐵尾礦的排放量比較大，不僅占用土地，而且存在環(huán)境安全風(fēng)險[2～3]。鐵尾礦可以用于道路混凝土的鋪筑，尤其適用于透水混凝土路面，不但能夠?qū)崿F(xiàn)鐵尾礦規(guī)模化利用，降低對土地資源的浪費；而且還能很大程度減少對天然砂石骨料的消耗，節(jié)約成本。付祎等[4]通過調(diào)整合成骨料的取代率，制備的鐵尾礦透水混凝土28 d強度可以達到20.0～33.6 MPa，透水系數(shù)為1.8～6.0 mm/s。丁園鵬等[5]研究表明鐵尾礦等多元固廢材料制備的透水混凝土強度為36.5 MPa，透水系數(shù)為10 mm/s。任才富等[6]通過調(diào)整集灰比和細集料摻量，制備的鐵尾礦石透水混凝土強度為32.2 MPa，透水系數(shù)為2 mm/s。

本文針對鐵尾礦砂和鐵尾礦粉在透水混凝土的利用，通過分析骨料級配、目標空隙率、水膠比3個因素對鐵尾礦基透水混凝土的性能影響，研究膠粉摻量、膠凝材料組成、膠骨比對抗壓強度和透水系數(shù)的影響，得出鐵尾礦透水混凝土的最佳配合比，從而為鐵尾礦在透水混凝土中的應(yīng)用提供理論依托和技術(shù)支持。

1 原材料

1.1 鐵尾礦基粉

來自天津市某石料廠，鐵尾礦篩余，粒徑＜0.075 mm的粉料。見表1和見圖1。

表1 鐵尾礦粉的化學(xué)成分（質(zhì)量比） %

圖1 鐵尾礦粉SEM微觀形貌（5 000倍）

鐵尾礦砂的粒徑范圍2.36～4.75 mm，表觀密度2 877 kg/m3、松 散 堆 積 密 度1 577 kg/m3、空 隙 率48.76%，針片狀顆粒含量5.3%，符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂的有關(guān)規(guī)定》。

1.2 硅灰

由河北靈壽縣山川礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的硅灰。見表2和見圖2。

表2 硅灰的化學(xué)成分（質(zhì)量比） %

圖2 硅灰SEM微觀形貌（30 000倍）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鐵尾礦基透水混凝土制備及其性能研究

采用85%的P.O42.5水泥、10%的粉煤灰、5%的硅灰作為膠凝材料，水膠比0.26～0.28。基于利用細顆粒鐵尾礦的目的，設(shè)置鐵尾礦級配見表3。

表3 鐵尾礦粒徑級配分布 %

采用正交法設(shè)計配合比，簡化試驗數(shù)量、優(yōu)化試驗方案：骨料級配（A）、目標空隙率（B）、水膠比（C）3種影響因素，每種影響因素分為3種水平，共9組，以保證每種因素水平等概率出現(xiàn)；再研究設(shè)計孔隙率、骨料級配、水膠比3種因素下透水系數(shù)、28 d抗壓強度、連續(xù)孔隙率的情況。見表4-表6。

表4 3因素3水平正交試驗

表5 透水混凝土正交試驗設(shè)計

表6 透水混凝土性能正交試驗結(jié)果

2.2 透水混凝土性能分析

根據(jù)表6數(shù)據(jù)，利用極差分析法對試驗結(jié)果進行分析。見表7。

表7 極差分析結(jié)果

在正交試驗中，某一因素的極差越大，對透水混凝土性能影響越起主導(dǎo)作用。根據(jù)表7的結(jié)果，對3種不同影響因素各水平條件下透水混凝土性能取平均數(shù)值。見圖3。

圖3 3種因素不同水平下透水混凝土性能

由圖3可以看出，骨料級配對透水混凝土28 d抗壓強度、連續(xù)孔隙率影響明顯，起到主導(dǎo)作用；目標孔隙率主要影響連續(xù)孔隙率和28 d抗壓強度，對其他性能影響較小；而水膠比在本試驗條件范圍內(nèi)，總體來說對透水混凝土性能影響不大。試驗組T1、T9配合比相對優(yōu)良，即級配A1、目標空隙率B1、水膠比C3或者級配A3、目標孔隙率B3、水膠比C1時，制備的透水混凝土性能較為優(yōu)良。

造成透水混凝土物理性能差異的原因有多方面，透水混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、骨料顆粒間黏結(jié)強度、水泥和骨料拌和的均勻程度以及透水混凝土結(jié)構(gòu)斷裂方式等都可能影響透水混凝土性能。見圖4。

圖4 3種不同級配下透水混凝土結(jié)構(gòu)斷裂方式

級配A1制備的透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂基本上是從骨料黏接點的漿體部分發(fā)生的，斷裂的骨料數(shù)量多、面積小；級配A2制備的透水混凝土斷裂主要是從連接骨料的水泥漿體部分發(fā)生的，這種斷裂方式占絕大部分，骨料顆粒間的斷裂面積比級配A1骨料間的斷裂面積大；而級配A3的透水混凝土主要是骨料連同水泥漿體斷裂，斷裂面積大、整體性強。由透水混凝土的斷裂方式可以判斷，級配A3的斷裂強度要普遍高于另外兩種級配，試驗數(shù)據(jù)也驗證了這一點。

2.3 透水混凝土配比優(yōu)化

在上述配合比基礎(chǔ)上，進一步研究膠凝材料組成、膠粉摻量、膠骨比對透水混凝土性能的影響。

2.3.1 可分散膠粉摻量

可分散膠粉可以有效提升混凝土韌性及抗收縮能力，降低開裂風(fēng)險，少量降低混凝土彈性模量。試驗設(shè)計配合比：水泥∶硅灰∶粉煤灰85∶5∶10、減水劑10%、骨膠比0.21。通過添加可分散膠粉來改善透水混凝土性能，膠粉摻量分別為0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%。

膠粉摻量從0.1%增加到0.75%時，坍落度值逐漸變大且在摻量為0.75%時達到最高值；而維勃稠度值隨著摻量的增加逐漸減小；說明拌和物的流動性逐漸變大，同時也表明了坍落度和維勃稠度對于流動性的表征是一致的；但是，當膠粉摻量達到1.0%時，拌和物黏度過大，流動性反而變差。隨著膠粉摻量的增加，透水混凝土試樣的3、7、28 d抗壓強度都呈逐漸增大的趨勢，膠粉摻量達0.5%時，28 d抗壓強度可達25.8 MPa，隨著膠粉摻量繼續(xù)增加抗壓強度增大趨勢變緩。見圖5。

圖5 可分散膠粉摻量對透水混凝土影響

乳化后，膠粉可以形成膜狀物質(zhì)，附著在水泥凝膠和未水化的水泥顆粒狀之間并在水泥中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，填充孔隙通道，提高水泥石的致密性。加入可分散乳膠粉，使骨料和水泥基材料界面性能大大改善，從而保證了膠結(jié)材與基體之間良好的黏結(jié)強度，最終提高了透水混凝土的力學(xué)性能及抗開裂能力。因此，綜合透水混凝土拌和物流動性和抗壓強度并考慮成本因素，將膠粉的摻量定為0.5%。

2.3.2 膠凝材料組成

粗粒徑鐵尾礦可替代部分砂石骨料用于混凝土工程，而細顆粒鐵尾礦尚無較好的利用途徑。基于最大化提升鐵尾礦利用率的考慮，采用粒徑＜0.75μm的鐵尾礦粉作為礦物摻合料，與水泥、硅灰、粉煤灰共同組成復(fù)合膠凝材料。見表8。

表8 不同膠凝材料組成的透水混凝土配合比設(shè)計

對比B0、B3和B5，隨著鐵尾礦摻量的增加，復(fù)合膠凝材料制備的透水混凝土強度下降，尤其是7 d強度下降幅度更明顯，但28 d強度均≥20 MPa，滿足透水混凝土路面的要求。隨著鐵尾礦摻量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)呈增大趨勢，這是因為鐵尾礦粉的粒徑較粉煤灰大，因此其填充效應(yīng)不顯著，以其制備的透水混凝土密實度降低。見圖6。

圖6 膠凝材料組成對透水混凝土的影響

不同組成的膠凝材料水化產(chǎn)物相似，均以Ca( OH)2和少量C-S-H凝膠為主。可見鐵尾礦粉摻量的改變對膠凝材料的水化產(chǎn)物幾乎沒有影響，但會對水化產(chǎn)物的強度有影響。見圖7。

圖7 不同膠凝材料組成的水化產(chǎn)物XRD

復(fù)合膠凝材料水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣、Ca( OH)2。鐵尾礦粉摻量為0時，其內(nèi)部孔隙較少、更為密實，連續(xù)的凝膠物質(zhì)相互連結(jié)構(gòu)成一個較為完整的平面，因此水化更為完全；鐵尾礦粉摻量為5%和15%，結(jié)構(gòu)明顯沒有鐵尾礦粉摻量為0時致密，尤其是鐵尾礦粉顆粒較粗，不能夠有效降低水泥石的孔隙；因此，隨著尾礦粉摻量的增加，以其制備的透水混凝土的力學(xué)性能也略有下降。綜合考慮透水混凝土的力學(xué)性能和透水系數(shù)，確定鐵尾礦粉的摻量為10%。見圖8。

圖8 不同鐵尾礦粉摻量復(fù)合膠凝材料28 d的SEM

2.3.3 膠骨比

膠骨比對透水混凝土性能有很大影響。基于鐵尾礦骨料的特性及最大化提升鐵尾礦利用率的考慮，在優(yōu)化膠凝材料組成、膠粉摻量的情況下，為了實現(xiàn)鐵尾礦在透水混凝土中的最高摻比，研究不同的膠骨比對透水混凝土性能的影響。見表9。

表9 膠骨比對透水混凝土性能影響試驗配比

隨著膠骨比的逐漸變大，透水混凝土抗壓強度逐漸增大，當透水混凝土的膠骨比達到0.25后，強度提升速度減緩。膠骨比為0.19～0.21時，透水混凝土中的漿體量較少，漿體不能夠均勻地包裹住骨料，導(dǎo)致混凝土中的骨料間黏結(jié)界面厚度變小，而且易導(dǎo)致界面呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)，從而無法獲得較高的強度；當透水混凝土的膠骨比逐漸升高至0.23～0.25時，其漿體量比較適中，基本可以均勻包裹住粗骨料的表面，在確保合理孔隙率的同時，強度能夠大幅提升。透水系數(shù)隨著膠骨比的變化與抗壓強度呈相反趨勢，當透水混凝土的膠骨比為0.27時，28 d強度達27.1 MPa，強度雖高，但透水系數(shù)大幅偏低。見圖9。

圖9 膠骨比對透水混凝土性能的影響

當透水混凝土的膠骨比較大時，漿體富余量會大幅提升，而富余的漿體可以進一步填充骨料之間空隙，增大骨料間的黏結(jié)界面厚度，使混凝土原來連通的孔隙減小甚至變得不連通，整個骨架透水的通道變小，導(dǎo)致混凝土透水性降低；因此，膠骨比的提高雖然可以增大透水混凝土的強度，但對透水性的影響過大也會影響透水混凝土的工作性能。另一方面，隨著膠骨比的提高，骨料含量逐漸減少，僅會產(chǎn)生流漿現(xiàn)象，影響新拌透水混凝土的黏聚性和保水性。因此，綜合考慮，選用0.23～0.25的膠骨比較為適宜。

2.4 鐵尾礦透水混凝土最佳配比

充分考慮鐵尾礦粉的最佳利用率，通過綜合因素優(yōu)化，得到鐵尾礦透水混凝土的最佳配比，見表10。

表10 推薦的鐵尾礦透水混凝土配比

3 結(jié)論

1）骨料級配、目標空隙率、水膠比3個因素，骨料級配對透水混凝土的28 d抗壓強度、連續(xù)孔隙率影響明顯，起到主導(dǎo)作用。

2）在水泥摻量70%、硅灰10%、粉煤灰10%、鐵尾礦粉10%、水膠比0.25、減水劑摻量0.8%、膠粉摻量0.5%的基礎(chǔ)上，當膠骨比0.23時，鐵尾礦透水混凝土28 d抗壓強度為23.5 MPa，透水系數(shù)為4.0 mm/s；當膠骨比為0.25時，鐵尾礦透水混凝土28 d抗壓強度為25.9 MPa，透水系數(shù)為3.4 mm/s。

3）在鐵尾礦透水混凝土的制備中，摻加粒徑＜0.075 mm的鐵尾礦粉料時，粉料對膠凝材料的水化產(chǎn)物幾乎沒有影響，但會對水化產(chǎn)物的強度有影響。