顧曉薇 徐建宇 賈澤藩 韓繼寶 陳亮霄 阿如日

(1.東北大學(xué)智慧水利與資源環(huán)境科技創(chuàng)新中心,遼寧 沈陽 110819;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

鐵尾礦是我國鐵礦山排放的主要副產(chǎn)物之一,其產(chǎn)量隨著鋼鐵需求量的增大而逐年遞增,成為了我國年排放量和累計堆存量最大的固體廢棄物之一[1-2]。受磨礦設(shè)備及技術(shù)水平限制,早期鐵礦石的粉磨程度較低,產(chǎn)出的鐵尾礦顆粒粒徑較大,可以直接作為骨料應(yīng)用于混凝土中。近年來,為高效回收有價金屬,選廠通過超細(xì)磨技術(shù)提高礦物單體解離度,導(dǎo)致目前產(chǎn)出的尾礦越來越細(xì),難以直接作為普通混凝土的骨料。

超高性能混凝土是一種新型的水泥基材料,具有優(yōu)良的力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度＞120 MPa)和耐久性能[3]。為保證材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)堆積最緊密,其所用固體材料均為粉料或細(xì)顆粒材料(粒徑一般小于2 mm)。目前,已有不少學(xué)者開展了利用鐵尾礦砂制備超高性能混凝土的相關(guān)研究[4-5],然而已有的研究主要是利用粒徑較細(xì)的鐵尾礦去取代粒徑較粗的河砂,未考慮粒徑對混凝土性能的影響,其中鐵尾礦發(fā)揮的主要作用為微填充效應(yīng)。

遼寧省本溪市歪頭山鐵礦屬高硅型鐵礦,礦物組成較為簡單,其排放的鐵尾礦以石英態(tài)的二氧化硅為主[6],在常溫狀態(tài)下不具備火山灰活性,難以與其他物質(zhì)反應(yīng),不宜作為混凝土摻合料利用,但與標(biāo)準(zhǔn)河砂或石英砂的粒徑和成分相似,有望取代天然河砂制備超高性能混凝土。因此,本研究以歪頭山極細(xì)高硅型鐵尾礦為細(xì)骨料,探究鐵尾礦摻量對超高性能混凝土性能的影響,以期制備一種低成本、環(huán)保的超高性能水泥基材料,緩解砂石骨料市場緊缺的局面。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用鐵尾礦砂取自遼寧省本溪市歪頭山鐵礦尾礦庫;膠凝材料包括水泥(遼寧省大連市小野田水泥廠,P·II 52.5級)、粉煤灰(鞍山鋼鐵廠,Ⅱ級)和硅灰。

試驗(yàn)所用原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果和粒徑累計分布曲線分別見表1和圖1。

表1 試驗(yàn)原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of experimental raw materials %

圖1 試驗(yàn)原料粒徑累計分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of experimental raw materials

由表1可知,鐵尾礦砂主要化學(xué)成分為SiO2。進(jìn)一步的XRD分析結(jié)果(圖2)表明,鐵尾礦砂主要礦物成分為石英和堇青石,其他雜質(zhì)含量較少。

圖2 鐵尾礦砂XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the iron tailings sand

圖3展示了鐵尾礦砂微觀形貌,可以看出:鐵尾礦砂的顆粒形狀不規(guī)則、多棱角,與近球形和橢球形的天然河砂區(qū)別極大。此外,鐵尾礦砂的比表面積(43.85 m2/kg)要大于天然河砂(24.10 m2/kg)。

圖3 鐵尾礦砂SEM圖Fig.3 SEM image of iron tailings sand

為了制備超高性能混凝土,基于國內(nèi)外的研究結(jié)果,本次試驗(yàn)中所用的水灰比為0.18。考慮到低水灰比下漿體的流動性較差,難以攪拌均勻,因此加入一定量聚羧酸型減水劑調(diào)整漿體的流動度。

1.2 配合比設(shè)計及養(yǎng)護(hù)制度

1.2.1 配合比設(shè)計

本文基于最緊密堆積理論Andreasen&Andersen模型(A&A模型)[7],根據(jù)固體材料的粒徑組成和分布,通過三維堆積模型公式計算其理論上的最佳堆積效果,并以此確定所用固體材料各自的摻量。其最優(yōu)堆積模型的目標(biāo)函數(shù)為

式中,D為原料的顆粒直徑,μm;P(D)為粒徑范圍小于D的固體顆粒含量,%;Dmax和Dmin分別為所用固體材料粒徑的最大值和最小值,μm。

基于該最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)以及所用固體顆粒的粒徑組成,通過反復(fù)調(diào)整各個組分的含量,保證其組成的粒徑組成曲線最接近于目標(biāo)函數(shù),此時即為考慮最緊密堆積理論的粒徑組成。

在相似粒徑條件下,利用鐵尾礦砂替代天然河砂制備超高性能混凝土,摻量分別為10%、20%、40%和100%,具體配合比設(shè)計見表2。

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計Table 2 Test mixing proportion design

考慮鐵尾礦的摻入對超高性能混凝土顆粒堆積模型的影響,分別計算表2中5組配合比條件下顆粒粒徑累計分布曲線和A&A模型目標(biāo)函數(shù)的相關(guān)性系數(shù)R2,結(jié)果依次為0.955 3、0.957 7、0.959 8、0.963 1、0.967 9?？梢钥闯?隨著鐵尾礦砂摻量的增大,相關(guān)性系數(shù)R2是有較小幅度上升的,從材料最緊密堆積角度來看,利用鐵尾礦砂制備超高性能混凝土是可行的,鐵尾礦砂的摻入對試件的緊密性和致密性有一定的益處。

1.2.2 養(yǎng)護(hù)制度

本試驗(yàn)采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)制備超高性能混凝土,所有原料裝入攪拌鍋中,攪拌均勻后裝入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的模具中,在室溫20℃、相對濕度60%的室內(nèi)環(huán)境下靜置1 d,脫模后轉(zhuǎn)移到20±2℃、相對濕度95%±2%的恒溫標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至特定齡期。

1.3 測試方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》(GB/T 17671—1999)測定超高性能混凝土的流動度、抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度,其中抗折強(qiáng)度測試加載速率為50 N/s,抗壓強(qiáng)度測試加載速率為2.4 kN/s;根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)測試超高性能混凝土的含氣量。

使用AutoPore IV-9500型號的壓汞儀進(jìn)行微觀孔隙測試。試塊養(yǎng)護(hù)28 d后,在試塊中心位置選取約1 cm左右大小的碎塊,在異丙醇中浸泡24 h以中止水泥水化,之后在80±2℃的溫度下烘干4 h,待試塊冷卻至室溫后進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵尾礦砂摻量對砂漿流動度及含氣量的影響

不同鐵尾礦砂摻量下超高性能混凝土砂漿的流動度和含氣量試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 超高性能混凝土漿體流動度及含氣量Table 3 Flow spread and air content of ultrahigh performance concrete slurry

由表3可知,隨著鐵尾礦砂摻量的增大,超高性能混凝土砂漿的流動度逐漸降低。這是由于鐵尾礦砂的顆粒形狀相較于天然河砂更加不規(guī)則,因此在同等粒徑條件下比表面積更大,導(dǎo)致其吸水率高于天然河砂,增加了砂漿的稠度,從而降低了流動性[8-9];同時,由于鐵尾礦砂的棱角較為分明,導(dǎo)致了砂漿剪切力的增大,降低了漿體的流動性[10]。

當(dāng)鐵尾礦的摻量為20%時,超高性能混凝土砂漿的流動度為245 mm,相比于不摻鐵尾礦砂的對照組(T0),流動度損失為12.5%,影響較小;而當(dāng)鐵尾礦砂的摻量達(dá)到40%時,砂漿的流動性大幅降低,對超高性能混凝土的生產(chǎn)和施工帶來明顯的影響。因此從實(shí)際應(yīng)用角度考慮,鐵尾礦砂的摻量應(yīng)不高于40%。

隨著鐵尾礦砂摻量的增大,UHPC漿體的含氣量逐漸增大,這種現(xiàn)象的原因與流動性相似。鐵尾礦砂的高比表面積導(dǎo)致其吸水率更大,因此在顆粒表面更容易形成水膜,吸入更多的空氣,導(dǎo)致漿體整體的含氣量增大。

2.2 鐵尾礦砂摻量對力學(xué)性能的影響

為了討論鐵尾礦砂摻量對超高性能混凝土力學(xué)性能及實(shí)際應(yīng)用的影響,分別測定了不同鐵尾礦砂摻量下 UHPC試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可知,隨著鐵尾礦砂摻量的增大,UHPC試塊7 d抗折強(qiáng)度先小幅上升后基本不變,28 d抗折強(qiáng)度先緩慢上升后快速上升,整體來看,鐵尾礦砂的摻入對UHPC的抗折強(qiáng)度有著促進(jìn)作用。這可能與鐵尾礦砂多棱角的外觀有關(guān),骨料之間的摩擦力更大,有助于UHPC抗折強(qiáng)度的提升[11-13]。

由圖4(b)可知,當(dāng)試塊養(yǎng)護(hù)7 d時,隨著鐵尾礦砂摻量的增大,UHPC試塊的抗壓強(qiáng)度緩慢降低,當(dāng)鐵尾礦砂摻量由40%增加至100%時,試塊7 d抗壓強(qiáng)度快速降低;當(dāng)試塊養(yǎng)護(hù)28 d時,隨著鐵尾礦摻量的增大,UHPC試塊的抗壓強(qiáng)度先緩慢上升后快速下降。以上結(jié)果表明,鐵尾礦砂的摻入對UHPC的早期強(qiáng)度有抑制作用,摻量越高,抑制程度越大,這可能是因?yàn)殍F尾礦砂的吸水率要高于天然河砂,在攪拌過程中吸收了大部分的水,抑制了水泥的早期水化作用[14-16]。28 d強(qiáng)度的提升可能與鐵尾礦的比表面積大于天然河砂有關(guān),較高的比表面積為水泥的水化反應(yīng)提供了足夠的面積,促進(jìn)了水泥的二次水化反應(yīng)[17-19],但隨著鐵尾礦砂摻量的進(jìn)一步增大,鐵尾礦砂自身活性較低的特點(diǎn)抑制水化反應(yīng)的進(jìn)行,抗壓強(qiáng)度快速下降。

圖4 鐵尾礦砂摻量對UHPC力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of iron tailings contents on the mechanical properties of UHPC

2.3 鐵尾礦砂摻量對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

圖5展示了鐵尾礦砂摻入量對超高性能混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

圖5 鐵尾礦砂摻量對UHPC孔隙結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of iron tailings content on the micropore structure of UHPC

由圖5可知,當(dāng)鐵尾礦砂摻量低于40%時,隨著鐵尾礦砂摻量的增大,UHPC試件的累計孔隙含量逐漸減少,孔隙率由8.534 1%下降到7.6886%,這表明鐵尾礦砂的摻入對UHPC內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)是有益處的。

將全部用鐵尾礦砂的UHPC試件(T100)與全部用天然河砂的UHPC試件(T0)比較可以看出,T100內(nèi)部孔隙是比T0要差的,這是由于T100試件的流動性遠(yuǎn)低于T0,較差的流動性會導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的劣化,最終導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。

3 結(jié) 論

(1)使用鐵尾礦替代天然河砂制備UHPC時,隨著鐵尾礦砂摻量的增大,漿體的流動性逐漸降低,且下降的幅度越來越快。當(dāng)鐵尾礦的摻量不超過20%時,流動度損失僅為12.5%,影響較小;而當(dāng)鐵尾礦砂的摻量超過40%時,漿體的流動性會發(fā)生大幅度的降低,對UHPC的生產(chǎn)和施工帶來明顯的影響。

(2)鐵尾礦砂的摻入對UHPC的早期強(qiáng)度有抑制作用。隨著鐵尾礦砂摻量的增大,UHPC的早期抗壓強(qiáng)度降低較明顯,這主要是由于鐵尾礦砂的吸水率較高,抑制了水泥的早期水化,但對UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度有促進(jìn)作用。

(3)鐵尾礦取代天然河砂的比例不宜超過40%,在鐵尾礦摻量達(dá)到40%前UHPC的抗壓強(qiáng)度隨著鐵尾礦摻量的增大而增大,而在鐵尾礦摻量超過40%后隨著鐵尾礦砂的摻量繼續(xù)增大,UHPC的強(qiáng)度發(fā)生了明顯的降低,當(dāng)鐵尾礦砂完全替代天然河砂時,UHPC的抗壓強(qiáng)度下降了14.48%。