鐵尾礦砂對(duì)水工高性能混凝土的試驗(yàn)研究

董 亮

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

鐵尾礦是指鐵礦山企業(yè)在選礦分選作業(yè)中排放的工業(yè)固體廢棄料，其礦物主要成分是硅酸鹽。隨著山西省鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鐵尾礦在固體工業(yè)廢棄物中所占的比例也越來(lái)越大，而鐵尾礦的大量堆存也給大自然及人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)一些困擾：占用土地資源、污染環(huán)境以及潰壩帶來(lái)的安全隱患問(wèn)題，尤其是資源的浪費(fèi)[1]。因此，如何將鐵尾礦再次利用，成為我們亟待解決的問(wèn)題[2- 3]。

高性能混凝土，是一種具有卓越耐久性的優(yōu)質(zhì)混凝土[4- 5]，其卓越性能主要表現(xiàn)在高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、良好的工作性能與體積的高穩(wěn)定性[6]，而水工高性能混凝土又因水利工程獨(dú)特的施工使用環(huán)境，對(duì)其耐久性有特殊的技術(shù)要求[7]。

本研究擬采用鐵尾礦砂取代天然砂配制水工高性能混凝土，既可以解決尾礦堆積帶來(lái)的資源浪費(fèi)問(wèn)題，又大大減少河砂的開(kāi)采量，對(duì)環(huán)境也起到了一定的保護(hù)作用。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

高性能水工混凝土的主要特點(diǎn)之一是低水膠比，為了有效確保其良好的流動(dòng)性，應(yīng)在水泥中摻入高效減水劑[8]，因此水泥應(yīng)合理地選擇低水膠比的水泥，本試驗(yàn)擬選用425#硅酸鹽水泥[9]，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；減水劑將采用中道弘/CDA—1，減水率一般為10%～15%；粉煤灰選用I級(jí)低鈣(F)粉煤灰[10]；粗骨料主要采用天然礦山碎石5～10mm、10～20mm二級(jí)級(jí)配[10]；細(xì)骨料采用天然細(xì)砂、人工機(jī)制砂及靈丘縣豪洋礦業(yè)鐵尾礦砂，鐵尾礦砂主要化學(xué)成分及性能檢測(cè)見(jiàn)表2。

表1 425#硅酸鹽水泥化學(xué)成分表 單位：%

表2 鐵尾礦砂主要成分及性能檢測(cè)表

1.2 配合比設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)試驗(yàn)根據(jù)DLT 5330—2015《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及已有的資料和相關(guān)科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)資料[11]，對(duì)鐵尾礦砂水工高性能混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，配合比各參數(shù)試用范圍見(jiàn)表3。

表3 配合比各參數(shù)取值范圍表

在進(jìn)行混凝土配合比試配前，將對(duì)使用階段投入的各項(xiàng)準(zhǔn)備原材料質(zhì)量進(jìn)行了一次比較試驗(yàn)以及結(jié)果的定期檢測(cè)和綜合分析，以保證各項(xiàng)使用階段原材料的主要結(jié)構(gòu)組成部分、化學(xué)成分、物理性能及使用原材料的整體化學(xué)性能均勻并可以完全滿足水工高性能混凝土準(zhǔn)備用料的安全性技術(shù)要求[12- 13]。

首先在上述試驗(yàn)中確定的基準(zhǔn)混凝土配合比試配基礎(chǔ)上[14]，粗骨料將選用優(yōu)質(zhì)石灰石，分析研究不同種類(lèi)的細(xì)骨料(天然細(xì)砂、人工機(jī)制砂和鐵尾礦砂)及鐵尾礦砂與天然砂不同選用比例摻量的混合砂對(duì)混凝土各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能的直接影響變化[16]。根據(jù)上述配合比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在試配方案的基礎(chǔ)上，本次試驗(yàn)分成以下6組細(xì)骨料混合試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，具體試驗(yàn)情況見(jiàn)表4。

表4 配合比組合試驗(yàn)表

2 組合試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拌和性能試驗(yàn)結(jié)果分析

由表5可知，無(wú)論使用的是鐵尾礦砂配制的混凝土還是不同比例的混合砂配制的混凝土，和易性和黏聚性均較好且基本無(wú)析水滲漏情況發(fā)生，坍落度及擴(kuò)展度結(jié)果也足夠滿足規(guī)范施工要求，因此，使用鐵尾礦砂配制水工高性能混凝土，其拌和泵送性能比較適宜。

表5 拌和性能結(jié)果試驗(yàn)表

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室制作尺寸為 150mm×150mm×150mm的鐵尾礦砂水工混凝土試塊[15]，試件制作成型，將其按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后脫模并將其表面覆蓋，最后裝入壓力機(jī)試驗(yàn)，按規(guī)范要求分析試塊力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，如圖1～圖3所示。

圖1 不同細(xì)集料混凝土的抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖2 不同細(xì)集料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系

圖3 不同細(xì)集料混凝土的彈性模量關(guān)系

從以上力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，無(wú)論是鐵尾礦砂混凝土還是不同摻量鐵尾礦砂的混合砂混凝土，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水工混凝土的要求。

2.3 耐久性能試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)抗凍性

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作成型的 100mm×100mm×400mm 棱柱體試塊，脫模后放入18～22℃的水中連續(xù)浸泡 4d，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至 28 d即可取出，測(cè)量每個(gè)基頻試件的縱向基頻初始化的質(zhì)量和確定試件的橫向基頻。然后將試件放在混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)中，進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 抗凍性試驗(yàn)結(jié)果表

由表7可知，全尾礦砂配制水工高性能混凝土的整體抗凍性優(yōu)于天然砂混凝土的抗凍性，由機(jī)制砂和尾礦砂混合配制的水工高性能混凝土的抗凍性可達(dá)到F260，由天然河砂和尾礦砂配制的混凝土的抗凍性能達(dá)到F270，尾礦砂對(duì)水工高性能混凝土的抗凍能并無(wú)明顯的負(fù)面影響。

(2)抗?jié)B性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室抗?jié)B儀型號(hào)及規(guī)范要求制作的150mm×150mm圓柱體試件，將制作好的試件脫模并按規(guī)定養(yǎng)護(hù)28d[17]，取出后刷去表面水泥漿膜放入抗?jié)B儀進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果表

由表8可知，全尾礦砂配制的水工高性能混凝土的整體抗?jié)B透性稍弱于天然砂混凝土的抗?jié)B透性，由機(jī)制砂和尾礦砂混合配制的水工高性能混凝土的抗?jié)B透性性能略優(yōu)于由天然河砂和尾礦砂配制的混凝土(且均大于W8)，尾礦砂對(duì)水工高性能混凝土的抗?jié)B性能并無(wú)明顯的負(fù)面影響。

3 結(jié)論

(1)鐵尾礦砂單獨(dú)作為細(xì)集料用于水工混凝土，按照特細(xì)砂混凝土配制原則采取低砂率、足夠膠凝材料體系，適當(dāng)引入微量氣泡增加和易性等技術(shù)措施，可以配制出滿足水工結(jié)構(gòu)使用要求的高性能混凝土。

(2)與機(jī)制砂組成混合砂：機(jī)制砂偏粗，尾礦砂則較細(xì)，將他們搭配組成混合砂，只要完善優(yōu)化顆粒級(jí)配，就可以配制出性能優(yōu)良、力學(xué)等性能達(dá)到水工結(jié)構(gòu)使用要求的高性能混凝土。

(3)與天然砂組成混合砂：鐵尾礦砂與機(jī)制砂組成混合砂做細(xì)集料用于配制水工混凝土，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整二者混合比例搭配成級(jí)配合理的混合砂，就可以配制出性能優(yōu)良、力學(xué)等性能達(dá)到水工結(jié)構(gòu)使用要求的高性能混凝土。對(duì)于水工高性能混凝土，通過(guò)合理搭配混合砂比例使用優(yōu)質(zhì)礦物摻和料和聚羧酸減水劑可以配制出 28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到94MPa、抗凍F280及抗?jié)BW8的高性能混凝土，證明了鐵尾礦砂可以應(yīng)用于水工高性能混凝土中。

通過(guò)一系列對(duì)比試驗(yàn)研究，從鐵尾礦砂混凝土和鐵尾礦混合砂混凝土拌合物性能、基本力學(xué)性能和耐久性能等試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鐵尾礦砂配制混凝土只要級(jí)配合理、配合比設(shè)計(jì)科學(xué)，各項(xiàng)性能指標(biāo)可以滿足混凝土結(jié)構(gòu)施工的基本技術(shù)要求，能達(dá)到水工高性能混凝土相關(guān)性能指標(biāo)水平。但鐵尾礦砂配制的水工混凝土能否應(yīng)用于大規(guī)模水利工程中，還需通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工程實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。