高恒昌，俞沁林，陳德鵬,1b，胡 敏，冉程程

(1.安徽工業(yè)大學(xué)a.建筑工程學(xué)院，b.綠色建材研究所，安徽馬鞍山243032；2.中國礦業(yè)大學(xué)國際學(xué)院，江蘇徐州221116；3.安徽麗豐集團(tuán)有限公司，安徽阜陽236000)

隨著我國礦山工業(yè)的快速發(fā)展，礦山廠的規(guī)模越來越大，尾礦排放量越來越多，造成了尾礦堆積數(shù)量大、污染嚴(yán)重和尾礦處理困難等問題。將鐵尾礦應(yīng)用于混凝土當(dāng)中，不僅可以解決資源環(huán)境問題，更有利于循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)。目前，我國累積鋼渣堆存總量多達(dá)10億t。大量的鋼渣堆積致使耕地占用、環(huán)境污染、生態(tài)破壞。對鋼渣進(jìn)行規(guī)模化、高值化、資源化利用，已經(jīng)成為解決鋼渣大量積存所帶來的環(huán)境污染問題的關(guān)鍵。近年來，已有將鐵尾礦砂作為細(xì)集料配制水泥混凝土的相關(guān)研究，包括高強混凝土[1]及自密實混凝土[2]，也有研究者認(rèn)為鐵尾礦的摻入可以在一定程度上提高混凝土力學(xué)性能[3]及耐久性能[4]。此外，廢棄尾礦還可以用于填筑高速公路路基[5]，在解決尾礦堆積問題的同時也可以推廣其在高速公路路基的應(yīng)用。

相對于鐵尾礦，國內(nèi)外對于鋼渣的研究更為廣泛，可利用鋼渣取代部分[6]普通砂石充當(dāng)混凝土粗細(xì)集料配制鋼渣集料混凝土并通過加入廢舊輪胎顆粒改善鋼渣集料混凝土的體積穩(wěn)定性[7]。此外，也有研究者考慮利用鋼渣配制泡沫混凝土[8]、透水混凝土[9]、再生混凝土[10]、高強度耐磨混凝土[11]。

鐵尾礦砂混凝土和易性不良、鋼渣混凝土體積穩(wěn)定性不良已經(jīng)成為制約鐵尾礦、鋼渣大宗量建材資源化利用的主要原因。因此，本文考慮開展鐵尾礦-鋼渣集料混凝土力學(xué)性能、早期抗裂性能、中長期體積變形試驗研究，以期揚長避短，綜合發(fā)揮兩種工業(yè)固體廢棄物的性能優(yōu)勢，從而開辟鋼渣、鐵尾礦大宗量建材資源化利用的新途徑。

1 試驗

1.1 原材料

試驗所用水泥均為安徽海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分和性能指標(biāo)見表1，2。

表1 水泥化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical components of cement,w/%

表2 水泥性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of cement

試驗所用細(xì)集料為安徽馬鞍山南山礦業(yè)提煉礦石所產(chǎn)生的鐵尾礦砂和普通河砂，河砂屬于∏區(qū)中砂。同時取a,b兩組各500 g鐵尾礦砂進(jìn)行篩分析，鐵尾砂級配情況見表3，篩余曲線見圖1。

表3 鐵尾礦砂篩分析Tab.3 Sieve analysis of iron tailings

圖1 鐵尾礦篩余曲線Fig.1 Sieve residue curves of iron tailings

將表3中數(shù)據(jù)分別代入細(xì)度模數(shù)計算式(1)中。

其中：MX為細(xì)度模數(shù)；A1～A6分別為通過孔徑為4.75，2.36，1.18，0.60，0.30，0.15 mm的試驗篩的累計篩余百分比。計算得出鐵尾礦砂的細(xì)度模數(shù)為2.50和2.64，取平均值2.57。根據(jù)細(xì)度模數(shù)和篩余曲線分析，試驗用鐵尾礦屬于II區(qū)中砂范圍。

對鐵尾礦進(jìn)行化學(xué)成分分析(XRD)結(jié)果見表4。本文使用的粗骨料為石灰質(zhì)碎石和馬鞍山鋼鐵股份有限公司煉鐵產(chǎn)生的鋼渣，鋼渣存放時間為3 a，其化學(xué)成分和吸水率見表5,6。

為了使混凝土拌合物能夠滿足工作性能(主要是流動性)的要求，實驗加入了一定量由江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的萘系減水劑。

表4 鐵尾礦化學(xué)成分，w/%Tab.4 Chemical components of iron tailings,w/%

表5 鋼渣化學(xué)成分，w/%Tal.5 Chemical components of steel slags，w/%

1.2 混凝土配合比

試驗采用鋼渣等量替代混凝土粗集料，鐵尾礦砂等量替代混凝土細(xì)集料制備鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土，以普通混凝土作為對照組，各組混凝土配合比見表7。

表6 鋼渣吸水率結(jié)果Tab.6 Water absorption results of steel slags

表7 混凝土配合比Tab.7 Mix proportion of concrete

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土強度

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)對混凝土進(jìn)行攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)和試驗測試，并按照《混凝土強度檢測評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50107—2010)進(jìn)行強度評定。

1.3.2 混凝土工作性能

按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080—2002中坍落度測定方法，對新拌鐵尾礦-鋼渣集料混凝土拌合物的坍落度進(jìn)行測量，從而評價其工作性能。

1.3.3 早期抗裂性能

采用《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》CCES 01—2004中介紹的平板法開展混凝土早期抗裂性能試驗，試驗裝置見圖2。本試驗選取強度試驗效果較好的6組進(jìn)行，試驗時，為了使混凝土更早的出現(xiàn)裂縫，用碘鎢燈在裝置上方進(jìn)行照射，并布設(shè)電風(fēng)扇模擬混凝土自然服役環(huán)境。試驗過程中用風(fēng)速儀和溫度計記錄混凝土表面風(fēng)速和溫度，試驗環(huán)境見圖3。

圖2 早期抗裂性能試驗裝置Fig.2 Device forearly crack resistance test

圖3 早期抗裂性能試驗環(huán)境Fig.3 Experiment environment ofearly crack resistance test

試驗持續(xù)24 h，在試驗進(jìn)行過程中記錄各試件裂縫總數(shù)量與起裂試件，并用裂縫測寬儀測量裂縫最大寬度，用直尺測量裂縫總長度。

1.3.4 中長期體積變形性能研究

采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中所述接觸法開展鐵尾礦-鋼渣集混凝土中長期變形監(jiān)測并取強度試驗效果較好的六組混凝土，試驗方法如下：

1)配制鐵尾礦-鋼渣混凝土，普通混凝土作為對照，將拌好的混凝土裝入模具；

2)拌合物裝入模具后，在試件中布置金屬銅頭，相距250 mm，每端距邊緣距離相等，試件示意圖見圖4；

圖4 預(yù)埋探頭布置圖Fig.4 Layout diagram of pre-buried probes

3)將成型后的試塊在普通環(huán)境下放置24 h后拆模，再將試塊放進(jìn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)；

4)測定初始長度，每次測量長度前先量出儀器配套桿的標(biāo)準(zhǔn)長度，記錄數(shù)據(jù)；

5)每隔兩天測量一次數(shù)據(jù)，總計測量60 d，測量30次；

6)整理數(shù)據(jù)，分析試驗結(jié)果。

在該試驗中，儀器采用滄州中德偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YB-25手持應(yīng)變儀，基距250 mm,位移計量程±5 mm，儀器的最小刻度為40 με，儀器中標(biāo)準(zhǔn)針距尺的線膨脹系數(shù)α幾乎為零，具體大小為1.5×10-6℃-1。

手持應(yīng)變儀是一種機械式應(yīng)變測量儀，標(biāo)準(zhǔn)針距尺不隨溫度變化。測量之前，測量標(biāo)準(zhǔn)針距尺的長度，再測量所要測試的物體長度，兩個數(shù)值相減得出的差值即為所求試件的體積變形值。應(yīng)變值計算如式(2)。

式中：ΔL為絕對變形量，mm；L為粘貼在試件上的兩個固定銅頭間的實際基距，mm，通常情況下與儀器的標(biāo)準(zhǔn)尺距是不完全相符的。其中：

式中：L1為儀器標(biāo)準(zhǔn)針距尺的標(biāo)距，為250±0.05 mm；L'為試件變化后粘貼在試件上的固定銅頭之間的距離。一般情況下ΔL1≠0，算法見圖5。

圖5 變形計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of deformation calculation

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土強度

各摻量的鐵尾礦-鋼渣水泥混凝土的7 d和28 d抗壓強度見表8。

表8 混凝土7 d和28 d立方體抗壓強度Tab.8 Compressive strengths of concrete at 7 d/28 d

從表8可以看出：鐵尾礦砂充當(dāng)細(xì)集料不利于混凝土強度，特別當(dāng)鐵尾礦砂以大摻量(60%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)取代砂子充當(dāng)混凝土細(xì)集料時，其強度較相同配合比水泥混凝土劣化明顯；水泥混凝土強度隨鋼渣(充當(dāng)粗集料)摻量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，鋼渣表面多孔粗糙的特性對于其強度是有改善的，但摻量過高，鋼渣吸水的缺點又得以暴露，因此，鋼渣適合以較小摻量取代混凝土粗集料以提高混凝土力學(xué)性能。

2.2 鐵尾礦鋼渣集料水泥混凝土工作性能

對16組不同摻量鐵尾礦砂及鋼渣水泥混凝土開展坍落度試驗，試驗結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出：隨著鐵尾礦砂和鋼渣取代率的增加，鐵尾礦-鋼渣集料混凝土坍落度顯著下降；由于鋼渣的吸水率較高，當(dāng)鋼渣以大摻量(60%)替代粗骨料時，其流動性性能大大減小；在鐵尾礦砂取代為40%，鋼渣取代率為20%或40%時，鐵尾礦-鋼渣集料混凝土具有良好的工作性能。

圖6 鐵尾礦-鋼渣集料混凝土坍落度Fig.6 Slump of iron tailing-steel slag aggregate concrete

2.3 鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土早期抗裂性能

主要研究鐵尾礦砂和鋼渣在不同比例取代下對混凝土早期開裂的影響，試驗完畢后，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，具體見表9。

表9 不同鐵尾礦-鋼渣取代率下混凝土開裂試驗結(jié)果Tab.9 Cracking test results of concrete with different replacement rates of iron tailings and steel slags

從表9可以看出：鋼渣摻量越多，其吸水的特性導(dǎo)致水分流失嚴(yán)重，故對鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土的早期抗裂性能越不利；相反，鐵尾礦砂能夠改善鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土的早期開裂性能。

2.4 鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土體積變形

6組混凝土在不同齡期的體積變形結(jié)果如圖7。由圖7可知，鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土的體積穩(wěn)定性顯著優(yōu)于相同配合比的普通水泥混凝土。此外，由B、E、F組試驗結(jié)果可以得出，鐵尾礦砂取代部分混凝土細(xì)集料時，隨著取代率增加混凝土收縮率也逐漸減?。挥蒀、D兩組試驗結(jié)果可以得出，用鋼渣取代部分碎石充當(dāng)混凝土粗集料時，摻入比例越多，混凝土體積收縮值越小。

3 結(jié) 論

采用鐵尾礦砂取代河砂充當(dāng)混凝土細(xì)集料、鋼渣取代碎石充當(dāng)混凝土粗集料配制鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土，并對混凝土強度、早期抗裂性能、長期體積變形等性能進(jìn)行相關(guān)試驗研究，得到以下結(jié)論。

圖7 混凝土體積收縮率Fig.7 Shrinkage rate of concrete volume

1)鐵尾礦砂充當(dāng)細(xì)集料不利于混凝土強度，特別當(dāng)鐵尾礦砂以大摻量(60%)取代砂子充當(dāng)混凝土細(xì)集料時，其強度較相同配合比水泥混凝土劣化明顯；同時鋼渣大摻量(60%)充當(dāng)粗集料不利于混凝土的工作性能，嚴(yán)重影響其流動性。

2)水泥混凝土強度隨鋼渣(充當(dāng)粗集料)摻量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，因此，鋼渣適合以較小摻量取代混凝土粗集料以提高混凝土力學(xué)性能。

3)鋼渣的摻量越多，對鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土的早期抗裂性能越不利，相反，鐵尾礦砂能夠改善鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土的早期開裂性能。

4)用鋼渣取代部分混凝土粗集料會引起混凝土收縮率的減小，摻入比例越多，混凝土體積收縮值越小，而鐵尾礦砂取代部分混凝土細(xì)集料時，隨著取代率的增加混凝土收縮率也逐漸減小。

5)綜合考慮鋼渣以小摻量充當(dāng)粗集料時對水泥混凝土的強度提升效應(yīng)及鐵尾礦砂充當(dāng)細(xì)集料時對水泥混凝土的強度劣化效應(yīng)，應(yīng)考慮以小摻量鋼渣及小摻量鐵尾礦砂分別取代水泥混凝土粗、細(xì)集料配制鐵尾礦-鋼渣集料水泥混凝土。