高性能鐵尾礦細骨料混凝土配合比優化措施研究

屈琳琳

(河北石油職業技術大學 建筑工程系,河北 承德 067000)

礦石經過選別、綜合利用處理后,其主要有用組分富集成精礦,而其它剩余固體廢料稱為尾礦[1]。尾礦中含有一定數量的有用金屬和礦物,具有儲量大、堆存相對集中、顆粒細小、成本較低、可利用性大的特點。尾礦已成為我國目前產出量最大、堆存量最多的固體廢棄物,尾礦堆存不僅造成了土地資源的巨大浪費,而且帶來了嚴重的環境問題和安全隱患,對水源造成嚴重威脅[2]。混凝土是目前工程建設使用中最大宗的建筑結構材料,在當代土木工程中得到了廣泛的應用,將尾礦作為細骨料應用在混凝土上是解決尾礦大量堆存問題的有效途徑,不僅可以降低建筑材料成本,還可以實現尾礦減量化、資源化、土地節約和環境保護。據統計,尾礦砂的細度模數多在1.3～1.8,屬于細砂或特細砂,直接配制混凝土會嚴重影響拌合物的工作性能,故與機制砂配制成合理比例的混合砂作為細骨料是目前尾礦綜合利用制備混凝土的有效途徑。本文針對承德周邊鐵尾礦砂資源,以鐵尾礦砂與機制砂復合作為細集料配制不同強度的高性能混凝土,對其工作性能、力學性能進行試驗研究分析,繼而進行配合比優化措施的探討與研究。

1 試驗材料及配合比設計

1.1 試驗材料

1)水泥為普通硅酸鹽水泥,強度等級42.5,符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的相關要求規定。

2)粗集料為人工碎石,粒徑范圍為6～20 mm,連續級配。

3)細集料中的機制砂為碎石破碎后的砂子,細度模數為3.16,符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)中Ⅱ區砂的級配要求。

1.2 試驗過程

C40～C60高性能混凝土設計配合比如表1所示。

表1 C40～C60高性能混凝土設計配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

為更好地分析尾礦機制砂復合細骨料混凝土的相關性能指標,將尾礦在細骨料中的摻和比例(10%、20%、30%)作為試驗參考數據,試驗結果見表2及圖1～圖3。其中混凝土的工作性能試驗測定方法參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002),混凝土力學性能試驗測定方法參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)。

由表2可以看出,鐵尾礦在細集料中的所占比例對高性能尾礦砂混凝土的力學性能影響不大,以10%、20%、30%作為不同比例參數時,混凝土的各齡期強度均呈現一定程度的變化,但變化幅度不明顯。從力學性能的角度來看,混凝土在配制過程中,采用細集料為鐵尾礦與機制砂合成的復合砂,其混凝土強度要求滿足規范規定。

表2 C40-C60高性能混凝土強度試驗結果

根據混凝土的配制經驗得知,處于Ⅱ區中砂的細集料配制出來的混凝土工作性能表現較好。鐵尾礦砂細度模數過小,單獨作為細集料進行混凝土配制,得到的混凝土各項性能較差,同時易出現流動性差以及泌水現象[3],將鐵尾礦砂與機制砂進行混合后,尾礦砂所占比例越大,其細度模數相應也越小。從圖1～圖3中可知,采用尾礦機制復合砂作為細集料來配制的混凝土在坍落度和性能方面,已基本符合拌合混凝土的施工要求。從試驗結果中可以明顯看出,C40～C60混凝土中,隨著尾礦占細集料比例的增加,坍落度數值表現逐漸變差,流動性相對降低。尾礦含量占比在10%～30%時,隨著占比的增加,坍落度數值也增大。分析其原因,可能由于鐵尾礦機制復合砂的細度模數與單純機制砂相比偏小,導致混凝土比表面積加大,使得達到目標坍落度時的需水量增加,從而影響了混凝土的流動性能[4]。試驗過程中高性能尾礦機制復合砂混凝土未出現泌水現象,工作性能良好,其為鐵尾礦在高性能混凝土領域的的綜合利用提供試驗基礎。

3 配合比優化措施探究

3.1 骨料級配優化

均勻骨料級配不僅對新拌混凝土的工作性能具有顯著影響,而且對硬化混凝土的強度、收縮性能、徐變以及耐久性能的影響也非常重要[5]。摻和骨料級配控制采用骨料粗糙度因子—工作性因子圖方法:X軸為骨料粗糙度因子,Y軸為工作性因子。粗糙度因子反映摻和骨料粗顆粒與中等粒徑顆粒之間的關系,被定義為摻和骨料在9.5 mm篩的篩余與2.36 mm篩的篩余的比值,用百分比來表示。Y軸代表摻和骨料通過2.36 mm篩的百分比。基本圖是依據水泥基材料用量為335 kg/m3建立的,當水泥基材料用量不是335 kg/m3時,應對該圖進行修正,即水泥基材料用量提高或降低時,應相應減少或增加細骨料用量以保持相同的工作性因子。若細集料用量沒有隨水泥基材料用量的變化而變化,則拌合物的工作性能將產生變化。混凝土工作性能控制圖如圖4所示,分為5個區域,根據實際工程經驗,落入每個區域的摻和骨料級配具有以下特征:

區域Ⅰ:該區域為間斷級配區域,由于缺少中間粒徑骨料,混凝土在澆注過程中易產生離析現象。

區域Ⅱ:該區域為優化區域,處于此區域的混凝土呈現出和易性好、質量高的特點。

區域Ⅲ:對于骨料粒徑小于等于12.5 mm的混凝土來說,該區域為優化區域。

區域Ⅳ:該區域骨料過細,在混凝土配制過程中易產生離析沁水現象,抗滲性能差,易出現開裂、翹曲以及剝落等現象。

區域Ⅴ:骨料較多,難澆注。骨料級配優化方法根據骨料粗糙度因子、混凝土工作性因子進行混凝土優化設計,具有簡便而有效的特點,可以同時保證混凝土配制質量以及性能優化。

3.2 原材料優化

混凝土的工作性能與原材料密切相關。高性能尾礦砂混凝土材料主要包括粗骨料、細骨料、摻和物、外加劑、水泥等,在進行配合比優化時,應嚴格控制其原材料的品質質量,并根據規范要求進行檢測。尤其是尾礦砂的化學組成成分,按照《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)標準,砂中SO3的含量必須小于0.5%。因此在每一階段施工結束時都應及時進行原材料抽檢工作,抽檢工作完成后再繼續后續工作的推進,同時,多重檢測可以增加材料的檢測結果準確性[6]。

3.3 更改膠凝材料組成比例

根據工程經驗,正常條件下應確保高性能混凝土中的水膠比控制在0.40以下。在本文試驗過程中,配制的C40混凝土水膠比為0.40、C50混凝土水膠比為0.33、C60混凝土水膠比為0.29。在水膠比確定之后,可根據摻和物來進行混凝土配合比的優化。在強度等級為C50～C70的高性能混凝土配制中,20%～50%的水泥可用15%～30%的礦渣或優質粉煤灰代替[7]。

4 結論

本文通過試驗研究的方式對鐵尾礦含量占比不同的高性能鐵尾礦混凝土進行研究,并探究相關配合比優化方法,得到以下結論:

1)以10%、20%、30%作為不同比例參數時,混凝土的各齡期強度的變化幅度相差不明顯,但鐵尾礦與機制砂合成的復合砂作為細集料配制出的混凝土可以滿足規范規定的混凝土強度要求。

2)C40～C60混凝土中隨著尾礦占細集料比例的增加,坍落度數值表現較差,流動性相對降低。尾礦含量占比在10%～30%時,隨著占比的增加,坍落度數值也增大。

3)基于骨料粗糙度因子—工作性因子的級配優化方法具有簡便而有效的特點,可以同時保證混凝土配制質量以及性能優化,建議在高性能混凝土配制過程中采用。