王子龍，翟文周，潘金敢，趙鋒

（南京中聯(lián)混凝土有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

鐵尾礦是選礦后的工業(yè)固體廢棄物，隨著我國工業(yè)化的迅速發(fā)展，鐵尾礦的產(chǎn)量與日俱增，已成為主要的工業(yè)固體廢棄物[1]。

國內(nèi)外有關(guān)鐵尾礦混凝土的研究較多，但大多集中于實驗室室內(nèi)研究，規(guī)模較小，現(xiàn)場應用研究較少，鐵尾礦利用率低。此外，各礦區(qū)尾礦品質(zhì)參差不齊，物化性質(zhì)差異大，配制的混凝土性能差別明顯，研究結(jié)果具有一定的獨特性。試驗使用閃長玢巖骨料大摻量（50%和100%）替代石灰?guī)r骨料配制C30和C40混凝土，對混凝土工作性能、力學性能以及骨料吸水率展開研究，目的是為了提高鐵尾礦二次資源無害化利用率，降低商品混凝土的生產(chǎn)成本，為鐵尾礦骨料混凝土大規(guī)模應用于實際工程提供理論指導。

1 試驗

1.1 試驗原料

水泥采用南京中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的52.5普通硅酸鹽水泥，實測3 d抗壓強度為35.7 MPa，28 d抗壓強度為56.6 MPa；粉煤灰采用南京華能粉煤灰有限公司生產(chǎn)的F類級灰，45 m篩篩余量為7.5%，需水量比為94%，活性指數(shù)為81%；礦粉采用馬鞍山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的S95礦粉，3 d活性指數(shù)為73%，28 d活性指數(shù)為98%；試驗用砂為混合砂，細度模數(shù)為2.6，級配Ⅱ區(qū)；對照組碎石采用安徽石灰?guī)r骨料（L1和L2），鐵尾礦碎石采用安徽閃長玢巖骨料（D1和D2）；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸類高效減水劑；拌合水取自實驗室普通自來水。

圖1為D1和L1碎石粒徑分布，圖2為D2和L2碎石粒徑分布，可知D1和L1碎石都接近于5~31.5 mm連續(xù)級配，但大顆粒較多。L2碎石屬于5~16 mm連續(xù)級配，D2碎石接近于5~16 mm連續(xù)級配。

圖1 D1和L1碎石粒徑分布

圖2 D2和L2碎石粒徑分布

閃長玢巖D1和D2碎石的主要化學組成見表1，由于只存在破碎粒徑的不同，兩者化學組成基本沒有差異，主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3等。圖3為閃長玢巖碎石粉末的X射線衍射圖譜，由圖3可知，閃長玢巖中的主要晶相有長石、方解石、磁鐵礦、綠泥石、石英和透閃石。

表1 閃長玢巖碎石化學組成

圖3 閃長玢巖碎石晶相組成

1.2 混凝土配合比

C30和C40混凝土具體試驗配合比見表2、3。

表2 C30混凝土配合比 單位：kg/m3

1.3 試驗方法

按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》JGJ 52—2006對試驗用砂、石的顆粒級配（細度模數(shù)）、吸水率進行測試；按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T 50080—2016對新拌混凝土的坍落度進行測試；按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T 50081—2019對混凝土進行攪拌、成型、養(yǎng)護和強度測試。

2 試驗結(jié)果與討論

表3 C40混凝土配合比 單位：kg/m3

2.1 鐵尾礦骨料對混凝土坍落度的影響

混凝土良好的和易性和流動性是保證施工順利進行的關(guān)鍵，圖4和5分別為20°C下C30和C40混凝土在2 h內(nèi)的坍落度及其擬合曲線，表4和5分別為兩類混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)。

圖4 C30混凝土坍落度（20 °C）

圖5 C40混凝土坍落度（20 °C）

表4 C30混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)（20 °C）

表5 C40混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)（20 °C）

由圖4、5可知：C30和C40混凝土流動性良好，初始坍落度大于190 mm和210 mm，隨著靜置時間的延長和閃長玢巖骨料摻量的增加，坍落度總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但2 h后坍落度大于150 mm和180 mm，滿足C30和C40混凝土坍落度要求。閃長玢巖粗骨料在飽水12 h后可顯著改善混凝土的流動性，C30WD1100%和C40WD1100%D2100%初始坍落度分別為220 mm和230 mm，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別增大約15.8%和9.5%，2 h后的坍落度分別為180 mm和200 mm，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別增大約20.0%和11.1%。C30混凝土流動性從大到小依次為C30WD1100%＞C30＞C30D50%＞C30D1100%，C40混凝 土流動性從大到小依為C40WD1100%D2100%＞C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%，兩類混凝土漿體包裹性良好，不存在泌水和離析現(xiàn)象，具有良好的粘聚性和保水性。

2.2 鐵尾礦骨料對混凝土力學性能的影響

抗壓強度是評價混凝土力學性能的重要指標，良好的抗壓強度是安全施工的保障。圖6和7分別為C30和C40混凝土在20°C標準養(yǎng)護條件下3 d、7 d和28 d的抗壓強度。摻入閃長玢巖骨料會略微降低混凝土的抗壓強度，且隨著摻量的增加降低幅度增大，其中閃長玢巖骨料飽水12 h后混凝土強度降低明顯，但隨著齡期的延長降低幅度逐漸減小，所有混凝土的抗壓強度都保持穩(wěn)定增長，滿足C30和C40混凝土強度要求。

圖6 C30混凝土抗壓強度（20 °C）

圖7 C40混凝土抗壓強度（20 °C）

由圖6和7可知：C30D1100%和C40D1100%D2100%在28 d抗壓強度分別為40.3 MPa和45.7 MPa，較準組分別降低約6.9%和3.6%。C30WD1100%和C40WD1100%D2100%在28 d抗壓強度分別為35.5 MPa和44.3 MPa，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別降低約11.91%和3.06%，主要原因是飽水12 h后儲存在碎石里的水量在拌和混凝土時增加了體系的水膠比，從而降低了混凝土的強度。C30混凝土抗壓強度從大到小依次為C30＞C30D50%＞C30D1100%＞C30WD1100%，C40混凝土抗壓強度從大到小依次為C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%＞C40WD1100%D2100%。實際生產(chǎn)中可采用飽水、預潤濕或噴淋工藝改善混凝土的工作性能，采用外加劑或優(yōu)化配合比技術(shù)提高混凝土抗壓強度。

2.3 鐵尾礦骨料微觀結(jié)構(gòu)與吸水率

坍落度和抗壓強度試驗表明混凝土的力學性能和工作性能與骨料的吸水率密切相關(guān)，圖8為20 °C下閃長玢巖碎石在不同飽水時間的吸水率，表6為吸水率測試曲線擬合結(jié)果。由圖8可知，D1和D2碎石的吸水率都隨飽水時間的增加逐漸增大直至達到飽和狀態(tài)，相同飽水時間內(nèi)D2碎石的吸水率明顯高于D1，飽水24 h后D2碎石的吸水率約為2.05%，較D1增大約15.2%。

圖8 閃長玢巖碎石吸水率（20 °C）

表6 閃長玢巖碎石吸水率曲線擬合結(jié)果（20 °C）

骨料的吸水率與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，碎石所含孔體積越大吸水率及飽和吸水量越高[2-3]。閃長玢巖碎石內(nèi)部存在大量孔隙和縫隙結(jié)構(gòu)為其吸水提供了更多途徑，使其具有一定的吸水率。D2碎石吸水率略高于現(xiàn)行國家標準《建設用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅱ和Ⅲ類粗骨料要求（≤2%），對混凝土的工作性能和力學性能無明顯影響，而最新GB/T 14685的征求意見稿中已將Ⅲ類粗骨料的吸水率規(guī)定為≤3.0%，高吸水率骨料也可應用于預拌混凝土，通過配合比優(yōu)化和外加劑使用達到配制混凝土的技術(shù)要求，鐵尾礦骨料可應用于實際生產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）C30和C40混凝土具有良好的流動性和抗壓強度，初始坍落度最小值分別為190 mm和210 mm，2 h后的坍落度最小值分別為150 mm和180 mm，20 °C標準養(yǎng)護條件下28 d抗壓強度最小值分別為35.5 MPa和44.3 MPa，滿足C30和C40混凝土坍落度和強度要求。

（2）閃長玢巖骨料飽水后可顯著改善混凝土的流動性，但降低抗壓強度，實際生產(chǎn)中可采用飽水、預潤濕或噴淋工藝改善混凝土的工作性能，采用外加劑或優(yōu)化配合比技術(shù)提高混凝土的抗壓強度。

（3）閃長玢巖骨料內(nèi)部大量的孔隙和縫隙結(jié)構(gòu)使其具有一定的吸水率，且顆粒粒徑越小，骨料吸水率越高，吸水率變化也越大，D2碎石24 h的吸水率約為2.05%，略高于現(xiàn)行國家標準《建設用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅲ類粗骨料要求（≤2%），但對混凝土工作性能和力學性能的影響不大，可應用于實際生產(chǎn)，實現(xiàn)鐵尾礦二次資源化利用。