某鐵尾礦砂石對混凝土力學性能的影響研究*

何 芮

（閩西職業技術學院）

我國礦山企業鐵尾礦存量高，需要尾礦庫堆放，繼而產生了占據大面積土地資源、污染生態環境及潰壩安全等問題。建筑工程中常用到的天然骨料，需要經過開采才能利用，開采過程中不僅會破壞生態環境，污染水源，并且會嚴重影響河道行洪度汛及堤防安全。同時，因天然骨料產品質量不穩定、含泥量過高、級配不合理等原因，給工程建筑埋下諸多安全隱患。隨著天然骨料開采的深入，逐漸出現了資源枯竭現象，市場上早已處于供不應求的狀態；而鐵尾礦具有材料豐富、成本低廉和綠色環保等優勢，可極大地促進固體廢棄物的綜合利用，對鐵尾礦的轉化利用具有重要意義。

礦山企業的廢棄鐵尾礦可取代部分建筑材料，例如破碎后的鐵尾礦石可代替混凝土粗骨料，細粒鐵尾礦砂可以代替混凝土細骨料［1］，具有廢物二次利用、節能環保等多重效果。陳杏婕等［2］在制備高強度混凝土時用鐵尾礦石作為粗骨料，研究結果表明，鐵尾礦石符合Ⅰ級碎石標準，完全可以替代天然砂石粗骨料。黃正均等［3］用鐵尾礦砂作為細骨料加入混凝土中，得出鐵尾礦砂替代細骨料的比例為20%時，混凝土的凝結時間、和易性最優，塊體密度最大，耐久性最好。

鐵尾礦砂石是通過專業設備制出的符合工業要求的人造砂石［4］，隨著天然砂石資源的日漸枯竭，工程建設中對鐵尾礦砂石的需求量將會越來越大。不同地區的鐵尾礦成分及制成的混凝土性能差異較大。龍巖某礦山企業為了研究鐵尾礦砂石代替天然骨料后對建筑物的影響，采用5～15 mm 粒級鐵尾礦石代替混凝土粗骨料，采用1～5 mm粒級鐵尾礦砂按0%，25%，50%，75%，100%的比例代替混凝土細骨料，通過試驗研究了鐵尾礦石和不同鐵尾礦砂含量對混凝土抗拉強度、立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量和坍落度等指標的影響。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

試驗材料主要包括水泥、砂子、鐵尾礦砂、鐵尾礦石及減水劑等，其中水泥選用華潤牌42.5 級普通硅酸鹽水泥（表1），試驗用鐵尾礦砂和鐵尾礦石均來源于龍巖某礦山企業的鐵尾礦，鐵尾礦砂粒徑為1～5 mm，細度模數為1.72，各項指標見表2，鐵尾礦石粒徑為5～15 mm，各項指標見表3。

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鐵尾礦砂石混凝土的物理力學性能主要受混凝土養護時間、初始抗壓強度、用水量、水泥消耗量、鐵尾礦砂石摻量等因素的影響，且其性能隨著養護時間的延長而增強。由于混凝土的基本性能和質量會受多種因素的影響，故此為了保證混凝土的基本性能，需在攪拌混凝土期間加入適量的減水劑，以達到降低用水量的目的，以此加快混凝土的成型速度。常見混凝土減水劑包括高性能、高效化和普通減水劑，若以組成材料為依據，減水劑又可分為多環芳香族鹽類、木質素磺酸鹽類和聚羧酸鹽系高效減水劑類等。該試驗選擇含氣量3.0%、泌水率比20%、含固量39%、減水率22%的聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗設備

鐵尾礦砂石混凝土的攪拌過程中，利用攪拌機充分攪拌鐵尾礦砂、鐵尾礦石、砂子和水泥等，并運用篩分試驗儀器和烘箱設備，進行鐵尾礦砂和鐵尾礦石的表觀密度、吸水率、含泥量試驗。制作混凝土試件過程中，利用專業化的工具將拌和物放置于非標準試模內，再通過振搗臺振搗密實，24 h 即可拆除試模，并按照要求對試塊標準化養護［5］。然后，測定養護28 d的5組混凝土試塊的劈裂抗拉強度、立方體抗壓強度和軸心抗壓強度值和彈性模量等。

2 配合比設計

試驗以普通混凝土配合比設計要求為基礎，水灰比統一取0.4，制作5 組混凝土試塊，每組試塊12個。選用鐵尾礦石替代天然粗骨料，鐵尾礦砂等量替代天然細骨料，摻量分別為0%，25%，50%，75%，100%，試塊分組標記為RC-0、RC-25、RC-50、RC-75、RC-100。

配合比設計過程中，滿足建筑物耐久性要求、施工和易性要求、強度等級要求，所涉及的參數為水灰比、減水率及砂率等。具體設計流程中確定混凝土配制強度參考公式

式中，fcu，0為混凝土配制強度，MPa；fcu，k為混凝土立方體強度標準值，取30 MPa；σ為混凝土骨料強度標準差，查《普通混凝土配合比設計規程》，取5.0 MPa。

選取水灰比為0.52，結合使用的鐵尾礦砂骨料特點，摻加1.7%的聚羧酸高性能減水劑，減水率22%，確定用水量以及水泥用量；參考砂石狀態參數以及拌和物的和易性能，確定砂率40%；選擇體積法計算粗、細骨料的需求量。根據現有資源科學化調整配合比［6］，物料配合比見表4。

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3 鐵尾礦砂石混凝土力學性能試驗

3.1 混凝土抗拉性能試驗

當試塊從中間劈裂后，試塊裂紋形成于外表皮砂漿面，通過不斷增加壓力，裂紋向砂漿、鐵尾礦砂石骨料方向延伸，二者間的黏結度下降，最終徹底分開，但整個試驗期間骨料仍處于完整狀態。抗拉性能試驗結果見圖1。

由圖1 可見，隨著鐵尾礦砂取代率的不斷提高，試塊劈裂抗拉強度呈現先升高后降低的趨勢［7］；當鐵尾礦砂取代率為25%時，劈裂抗拉強度為最大值3.51 MPa；當鐵尾礦砂取代率超過25%時，劈裂抗拉強度隨之降低，但均大于普通混凝土的強度，表明鐵尾礦砂石混凝土的抗拉強度符合建筑工程的施工要求。

3.2 混凝土抗壓性能試驗

抗壓性能試驗主要對5 組試塊進行立方體抗壓強度和軸心抗壓強度試驗，觀察立方體和棱柱體的抗壓破壞形態［8］，抗壓性能試驗結果見表5。

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由表5可知，鐵尾礦砂石混凝土在鐵尾礦石完全取代粗骨料、鐵尾礦砂取代率不同的情況下，鐵尾礦砂石混凝土與普通混凝土的抗壓強度差異化明顯；隨著鐵尾礦砂取代率的增加，抗壓性能呈現先上升后下降的特點；當鐵尾礦砂摻量為25%時，立方體試塊處于最大抗壓強度狀態，為39.89 MPa；當取代率分別為0%，50%，75%，100%時，試塊的抗壓強度也大于普通混凝土的強度30 MPa。當鐵尾礦砂摻量為25%時，軸心抗壓強度最高；當鐵尾礦砂摻量超過25%時，隨著取代率的增加，軸心抗壓強度隨之降低，但均大于普通混凝土的強度，與立方體抗壓強度變化情況相類似。另外，當鐵尾礦砂的摻量較大時，隨著摻量的不斷增加，試塊混凝土強度變化緩慢，主要是由于大量的鐵尾礦砂對砂漿與骨料的黏結度造成了影響。試驗結果表明，鐵尾礦砂石混凝土的抗壓強度符合不同建筑工程的施工要求。

3.3 混凝土變形性能試驗

參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2016），以棱柱體抗壓強度為依據，分析試塊彈性模量的變化情況，結果見表6。

由表6 可知，在不同取代率下，鐵尾礦砂石混凝土試塊的彈性模量變化較為明顯；當取代率為75%時，試塊彈性模量的數值最大，但鐵尾礦砂石混凝土的彈性模量均比普通混凝土的彈性模量小，由此說明鐵尾礦砂石混凝土的變形性能較差，抗震性能較好；如果鐵尾礦砂石混凝土的彈性模量太低，則會不利于混凝土的耐久性，因此需要通過不斷改變水灰比和鐵尾礦砂的取代率，將彈性模量控制在一定范圍內，以確保鐵尾礦砂石混凝土的變形性能與普通混凝土相近。

3.4 砂率對混凝土坍落度的影響

試驗過程中，應考慮泵送混凝土施工的需求以及其他施工因素帶來的影響，提前對鐵尾礦砂進行預濕處理，并加入適量的減水劑，試驗結果見表7。

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由表7 可知，當固定砂率為40%時，混凝土的初始坍落度較大，且隨著時間的延長降低；從輕集料層面分析，砂率的降低需要消耗更多的輕集料，產生該現象的主要原因是水泥水化期間輕集料與水泥漿體形成濕度梯度，加入更多的輕集料則內干燥效果顯著；另外，分析鐵尾礦砂石混凝土的抗壓強度和彈性模量時，需考慮砂率對混凝土抗壓強度和彈性模量的影響［9］。

4 試驗結果與分析

（1）鐵尾礦石取代混凝土中的粗骨料，當摻入不同量的鐵尾礦砂后，試塊的劈裂抗拉強度先提高后降低，但均大于普通混凝土的強度，當取代率為25%時，劈裂抗拉強度有最大值。

（2）鐵尾礦砂石混凝土相比普通混凝土，立方體抗壓強度和軸心抗壓強度都得到了有效改善，其中當鐵尾礦砂取代率為25%時，立方體抗壓強度和軸心抗壓強度都有最大值。

（3）鐵尾礦砂石混凝土的彈性模量都比普通混凝土的彈性模量更小，說明鐵尾礦砂石混凝土的變形性能較差，抗震性能較好，當用于建筑中時，需要通過改變水灰比和鐵尾礦砂的取代率，將彈性模量控制在一定范圍內。

（4）分析鐵尾礦砂石混凝土的力學性能時，砂率的影響不容忽視。

5 結 語

（1）在天然骨料匱乏且當代礦山企業尾礦庫越來越難受批的背景下，鐵尾礦的回收利用可有效解決資源短缺、尾砂存量高、土地資源占用、生態環境污染及潰壩安全等問題。因此，加大對鐵尾礦砂石混凝土的研究力度，對實現科學化運用鐵尾礦砂石混凝土意義重大。

（2）通過對鐵尾礦砂石混凝土進行力學性能試驗可知，相比普通混凝土，鐵尾礦砂石混凝土的抗拉強度、立方體抗壓強度及軸心抗壓強度均更高，可滿足不同建筑工程的施工要求；但在使用過程中，需要通過改變水灰比和鐵尾礦砂的取代率，將彈性模量控制在一定范圍內，以提高鐵尾礦砂石混凝土的變形性能和耐久性。