鐵尾礦砂再生混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

袁益欣　朱倩　陳記豪　葉棟山

摘 要：與天然骨料制備的傳統(tǒng)混凝土相比，采用建筑垃圾制備的再生混凝土對(duì)于建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在本研究中，采用鐵尾礦砂作細(xì)骨料，以處理后的廢棄混凝土為粗骨料制備鐵尾礦砂再生混凝土，測(cè)試不同再生骨料取代率下的混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)，并制備普通混凝土與之進(jìn)行對(duì)比分析，從而選出最佳再生骨料取代率。結(jié)果表明：當(dāng)鐵尾礦砂作為細(xì)骨料時(shí)，隨著再生粗骨料取代率的增加，鐵尾礦砂再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度逐漸減小，但是劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中再生粗骨料取代率為50%時(shí)，鐵尾礦砂再生混凝土的綜合力學(xué)性能最佳。

關(guān)鍵詞：鐵尾礦砂;再生骨料;力學(xué)性能;取代率

中圖分類號(hào)：TU528 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）4-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.017

Experimental Research on the Mechanical Properties of Iron Tailings Recycled Concrete

YUAN Yixin ZHU Qian CHEN Jihao YE Dongshan

（1. North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China;

2. Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： Compared with traditional concrete made from natural aggregates， recycled concrete made from construction waste is of great significance to the sustainable development of the construction industry. In this study， iron tailings sand was used as the fine aggregate， and the treated waste concrete was used as the coarse aggregate to prepare iron tailings recycled concrete，And the concrete with river sand as the fine aggregate was used as the control group，Test mechanical indexes such as cubic compressive strength， flexural strength and split tensile strength of concrete under different recycled coarse aggregate replacement rates， Then select the best recycled aggregate replacement rate .The results show that when iron tailings sand is used as fine aggregate， with the increase of the replacement rate of recycled coarse aggregate， the compressive strength of iron tailings recycled concrete gradually decreases， but the split tensile strength and flexural strength first increase and then decrease. When the replacement rate of recycled coarse aggregate is 50%， the comprehensive mechanical properties of recycled concrete with iron tailings are the best.

Keywords： iron tailings;recycled aggregate;mechanical properties;replacement rate

0 引言

隨著我國工程建設(shè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有建筑、道路、橋梁、水工結(jié)構(gòu)的拆除、維護(hù)和加固產(chǎn)生的廢棄混凝土越來越多。建筑垃圾是許多國家的主要環(huán)境問題之一。以前處理建筑垃圾的一般方法是扔進(jìn)垃圾填埋場(chǎng)，占用了大量珍貴的土地資源，并造成了環(huán)境污染問題。

廢棄混凝土是建筑垃圾中最重要的組成部分，再生骨料是廢棄混凝土經(jīng)過破碎、篩分、清洗后得到的骨料，再生粗骨料一般指粒徑為5～20 mm的骨料。陳旭勇等[1]采用兩種不同的再生粗骨料，分別以不同的摻量代替天然粗骨料制備了再生骨料混凝土（簡(jiǎn)稱為RAC），研究了不同再生粗骨料的品質(zhì)和摻量對(duì)RAC的物理力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明RAC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著再生粗骨料摻量的增加而降低。從廢棄混凝土中獲得的再生粗骨料具有較高的砂漿含量，使用它們配制的RAC的天然碎石含量比天然骨料混凝土（簡(jiǎn)稱為NAC）低。而且在加工過程中，再生骨料會(huì)產(chǎn)生微裂紋和微孔隙等缺陷，所以與NAC相比，RAC的強(qiáng)度較差?？梢酝ㄟ^強(qiáng)化再生骨料[2]、調(diào)整再生骨料取代率[3]、改變水灰比[4]、添加礦物摻合料[5]等方法來提高RAC的力學(xué)性能和耐久性。

鐵尾礦是鐵礦經(jīng)過精煉、磨礦、選鐵后剩余的固體廢物[6]。鐵尾礦的粒度小于4.75 mm，稱為鐵尾礦砂。鐵尾礦砂與河砂相比，二者化學(xué)成分相似，但是外觀形貌略有不同。Zhang等[7]指出鐵尾礦砂的篩分曲線和細(xì)度模數(shù)與河砂相似，可100%替代河砂用于混凝土中。柴洪俊等[8]分別用鐵尾礦砂和天然砂配制混凝土，對(duì)比得出：隨著鐵尾礦砂細(xì)度模數(shù)的增加，鐵尾礦砂混凝土的強(qiáng)度會(huì)略高于天然砂混凝土。

目前，對(duì)于鐵尾礦砂和再生粗骨料組合摻入混凝土中，尤其是鐵尾礦砂100%摻入混凝土中的力學(xué)性能的研究尚不充分。本研究選用不同摻量的再生粗骨料替代天然粗骨料制備鐵尾礦砂-再生混凝土，取代率分別為0%、30%、50%、70%、100%，并制備河砂-再生混凝土與之進(jìn)行對(duì)比分析，取代率分別為0%、100%。通過測(cè)試其立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，研究鐵尾礦砂再生混凝土的力學(xué)性能變化。

1 試驗(yàn)項(xiàng)目

1.1 試驗(yàn)材料

膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥（新興水泥廠，PO42.5）和粉煤灰（新鄉(xiāng)長垣同力建材的電廠原灰），減水劑是PCA?-Ⅷ系列聚羧酸高性能減水劑（江蘇蘇博特公司，減水率25%）。

細(xì)骨料采用鐵尾礦砂（洛陽嵩縣的鐵礦廠）。根據(jù)細(xì)度模數(shù)（2.4）判斷為中砂。粗骨料是由天然石子和再生骨料組成的，通過篩分得到10～20 mm（大粒徑）和5～10 mm（小粒徑）兩種粒徑的粗骨料。根據(jù)規(guī)范《建筑用卵石、碎石》（GB 14685—2011）的要求，再生粗骨料的大小粒徑的混合比例為7∶3。天然粗骨料的大小粒徑的混合比例為6∶4。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

由1.1知，制備了鐵尾礦砂再生混凝土，再生粗骨料取代率為0%、30%、50%、70%、100%。另外，制備了河砂再生骨料混凝土與之進(jìn)行對(duì)比分析，再生粗骨料取代率分別為0%、100%?；炷恋呐浜媳热绫?所示，水膠比為0.4，減水劑摻量為水泥的0.8%。其中附加用水量等于再生粗骨料的質(zhì)量乘以它的吸水率（5.23%）。

1.3 試驗(yàn)方法

澆筑混凝土前，應(yīng)先稱量再生粗骨料和附加水的質(zhì)量，二者充分混合后，靜置30 min，再稱量其他材料的質(zhì)量。然后將粗骨料、細(xì)骨料、水泥依次加入攪拌機(jī)中，干攪拌60 s，最后加入含有減水劑的水，攪拌180 s。攪拌完成后，即刻測(cè)量新拌混凝土的坍落度，然后將混拌合物澆筑在100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的模具中，等待48 h后開始脫模，試件拆模后應(yīng)立即放入溫度為（20±2） ℃、相對(duì)濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

本研究采用萬能試驗(yàn)機(jī)（WDW-100V）對(duì)混凝土進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)。混凝土的力學(xué)性能測(cè)定按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50081—2019）進(jìn)行，加載速率為0.5 MPa/s。本試驗(yàn)中試塊為非標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組測(cè)試三個(gè)樣品求平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度如圖1所示，圖中（x）代表再生粗骨料的取代率。當(dāng)細(xì)骨料采用鐵尾礦砂時(shí)，隨著再生粗骨料的取代率的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。相比于0%取代率組，當(dāng)取代率為30%、50%、70%、100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為基準(zhǔn)組的88.83%、87.97%、78.57%、67.96%。強(qiáng)度損失可能是因?yàn)閺U棄混凝土破碎過程中，形成的再生骨料含有微裂縫和微孔隙，所以抗壓強(qiáng)度逐漸減小。而A50-B的抗壓強(qiáng)度僅比R30-IT小0.38 MPa，未見明顯的強(qiáng)度損失，這是因?yàn)槿〈试?0%～50%之間，粗細(xì)骨料之間形成最佳骨料混合比。此時(shí)鐵尾礦砂均勻地填充在再生骨料之間的空隙，使得混凝土內(nèi)部骨架更加密實(shí)。

當(dāng)再生粗骨料取代率為0%時(shí)，相比于河砂混凝土（A0-C），鐵尾礦砂混凝土（A0-B）的抗壓強(qiáng)度增大了3.79%，這是由于鐵尾礦砂所含的細(xì)粉大部分是石粉顆粒[9]，屬于堅(jiān)固的組分，有利于提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度如圖2所示，圖中（x）代表再生粗骨料的取代率。當(dāng)鐵尾礦砂作為細(xì)骨料時(shí)，隨著再生粗骨料的取代率的增大，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)再生粗骨料摻量為70%時(shí)，混凝土（A70-B）的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，比再生骨料取代率為0%、30%、50%的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了19.7%、14.5%、1.8%。僅從劈拉強(qiáng)度的角度考慮，100%的鐵尾礦砂和70%的再生粗骨料形成最佳骨料混合比，這主要是因?yàn)殍F尾礦砂和再生石子表面都比較粗糙、棱角多，二者結(jié)合增加了骨料之間的摩擦力，所以抵抗劈拉應(yīng)力的能力增強(qiáng)。

當(dāng)再生粗骨料取代率為0%時(shí)，相比于河砂混凝土（A0-C），鐵尾礦砂混凝土（A0-B）的劈裂抗拉強(qiáng)度降低了11.3%，說明只摻加鐵尾礦砂對(duì)混凝土的抗劈拉能力是不利的。當(dāng)河砂作為細(xì)骨料時(shí)，相比于普通混凝土（A0-C），再生混凝土（A100-C）的劈裂抗拉強(qiáng)度降低了9.8%，說明只摻加再生骨料也不利于混凝土的抗劈拉能力。但是將鐵尾礦砂和再生粗骨料組合加入混凝土中能夠明顯提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

再生骨料混凝土抗折強(qiáng)度如圖3所示，圖中（x）代表再生粗骨料的取代率。當(dāng)鐵尾礦砂作為細(xì)骨料時(shí)，隨著再生粗骨料取代率的增大，混凝土的抗折強(qiáng)度先減小后增大再減小，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)波浪狀浮動(dòng)，當(dāng)再生粗骨料取代率為50%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)再生粗骨料取代率為0%時(shí)，A0-B的抗折強(qiáng)度（5.46 MPa）比A0-C（5.35 MPa）大2.01%;當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)，A100-B（4.19 MPa）的抗折強(qiáng)度比A100-C（3.69 MPa）大11.93%，說明鐵尾礦砂100%取代天然砂能夠提高混凝土的抗折強(qiáng)度。

當(dāng)河砂作為細(xì)骨料時(shí)，相比于普通混凝土（A0-C），再生混凝土（A100-C）的抗折強(qiáng)度降低了31.1%，說明再生骨料摻量過大會(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度，強(qiáng)度損失可能是因?yàn)樵偕止橇系谋砻鏆埩袅伺f砂漿，導(dǎo)致骨料與新砂漿的結(jié)合界面過渡區(qū)比較薄弱[10]。只從抗折強(qiáng)度的角度考慮，100%的鐵尾礦砂和50%的再生粗骨料形成了最佳骨料混合比，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。

3 結(jié)論

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出兩點(diǎn)結(jié)論。

①相比于A0-C，A100-C的力學(xué)強(qiáng)度明顯下降，說明再生粗骨料摻量過大不利于混凝土的強(qiáng)度。但是相比于A0-C，A0-B的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都明顯提高，說明用鐵尾礦砂完全替代河砂應(yīng)用到實(shí)際工程中是可行的。

②綜合考慮到天然資源的匱乏和再生混凝土的實(shí)際應(yīng)用等情況，A50-B是綜合力學(xué)性能表現(xiàn)最好的混凝土，即100%的鐵尾礦砂和50%的再生粗骨料是最佳的骨料混合方式。這不僅可以滿足混凝土力學(xué)性能要求，而且符合國家生態(tài)環(huán)境要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳旭勇，劉榴，程書凱，等.再生粗骨料品質(zhì)和摻量對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2021（12）：89-93.

[2]宋艷春.化學(xué)強(qiáng)化對(duì)再生骨料及再生混凝土性能的影響研究[J].中國建材科技，2021，30（5）：59-61.

[3]KOU S C， POON C S， ETXEBERRIA M . Influence of recycled aggregates on long term mechanical properties and pore size distribution of concrete[J]. Cement & Concrete Composites， 2011，33（2）：286-291.

[4]LOO Y H， TAM C T， RAVINDRARAJAH R S . Recycled concrete as fine and coarse aggregates in concrete[J]. Magazine of Concrete Research， 1987，39（141）：214-220.

[5]KOU S C， POON C S， AGRELA F.Comparisons of natural and recycled aggregate concretes prepared with the addition of different mineral admixtures[J]. Cement & Concrete Composites， 2011，33（8）：788-795.

[6]田景松.鐵尾礦砂混凝土的配制與應(yīng)用研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[7]ZHANG Z， ZHANG Z，YIN S，et al. Utilization of iron tailings sand as an environmentally friendly alternative to natural river sand in high-strength concrete：shrinkage characterization and mitigation strategies[J]. Materials， 2020，13（24）：5614.

[8]柴紅俊，宋裕增，王星原.鐵尾礦砂的特性及對(duì)混凝土拌和物性能的影響[J].工程質(zhì)量， 2010，28（2）：71-75.

[9]唐可，毛雪松，徐旺，等.摻鐵尾礦砂細(xì)集料的水泥混凝土性能分析[J].工業(yè)建筑，2019，49（8）：153-157.