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鐵尾礦砂在混凝土中的應用研究

  • 余春榮等
  • 2016-09-11 13:30
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  • 技術研究,尾礦利用,

摘要:鐵尾礦砂是選礦過程中留下的一種固體廢棄物。本文在國內專家學者研究的基礎上,結合當地鐵尾礦砂的特點,通過試驗分析鐵尾礦砂的摻量對混凝土砂率、工作性、混凝土強度、漿體量、外加劑摻量等因素分析,結合試驗提出自己一些看法,供大家參考。

關鍵詞:鐵尾礦砂;細度模數;砂率;混凝土強度;坍落度;漿體量;外加劑摻量

鐵尾礦砂是鐵礦石精選礦提純、磨細、選鐵礦后產生的一種細度模數穩定,且符合細砂或者特細砂的尾礦廢渣。

鐵尾礦砂含有的細粉大部分為石粉顆粒,屬于堅固成分,有利于混凝土力學性能和耐久性。同時依照JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》相關規定,結合混凝土和鐵尾礦砂的特點,對鐵尾礦砂用作混凝土細集料的可行性和應用范圍進行試驗分析。由于砂石資源匱乏,砂石原材料品質波動較大,很難購買到滿足現行規范要求的天然砂石。主要表現為天然砂中含石率較高(一般在10%?40%),并且含泥量嚴重超出標準。顆粒級配表現為粗顆粒多、細顆粒少、級配十分不合理,給配制中、低強度等級的混凝土帶來很大的困難。用鐵尾礦砂部分取代河砂,既可以減小含石波動對混凝土工作性能的不利影響,又可優化細骨料的顆粒級配。尾礦砂粒徑小于0.15mm的細粉主要是石粉,石粉在性能上不同于河砂中的泥粉,對外加劑吸附較小,摻入部分鐵尾礦砂可以有效降低細骨料的含泥量。應用鐵尾礦砂也可以優化混凝土配合比參數的調整范圍,增加混凝土配合比調整自由度。尤其在膠凝材料相對較少的低強度等級混凝土中加入適量的石粉充當細集料有利于提高混凝土的粘聚性、和易性。

在鐵尾礦砂的與河砂復配使用缺少系統性的研究,另外,對尾礦砂的使用還存在以下困難:

①長期以來,混凝土行業習慣于使用天然河砂,對河砂產生依賴和固定的思維難以改變,對于鐵尾礦砂認識不足。

②鐵礦開采企業對選礦過程中產生鐵尾礦作為廢棄物進行堆積、掩埋等簡單處理。

③對鐵尾礦砂的認識、使用是一個循序漸進的過程。

我國對鐵尾礦砂的使用的研究比較晚,在混凝土中使用鐵尾礦砂的研究近幾年才得到迅速發展,研究的內容主要有:

許發松[1]研究表明:用鐵尾礦配制的混凝土同天然河砂混凝土相比,無堿一骨料反應且抗凍性能良好;卞立波、宋少民[2]研究發現:在石子級配良好、空隙率低的情況下,粉煤灰的使用和采用較低的水膠比,鐵尾礦細砂混凝土具有很強的抗氯離子滲透能力;孫玉良、趙蕓平、閻嘉旺[5]試驗表明:尾礦砂石配制的混凝土的抗凍性與天然砂石混凝土的接近;強度等級較低時,尾礦砂石配制的混凝土抗滲性能低于天然砂石混凝土,尾礦砂石混凝土的抗碳化性能高于天然砂石混凝土的抗碳化性能。

蔡基偉、封孝信、趙麗[3]試驗表明:使用鐵尾礦砂配制的混凝土與天然河砂混凝土相比流動性差、泌水率大;張少波研究發現:天然河砂配制的混凝土塑性粘度系數均大于鐵尾礦砂混凝土,但屈服應力均小于鐵尾礦砂混凝土;趙蕓平、孫玉良、于濤等[6]研究表明,在相同試驗條件下,尾礦砂石配制的混凝土的坍落度、黏聚性和保水性略差于天然砂石混凝土;何兆芳、鄧初首[7]試驗表明:鐵尾礦砂混凝土的工作性、黏結性、力學性能、抗凍性能和抗滲性能均優于天然砂混凝土,干縮性能和天然砂混凝土相當;廖華平[8]研究發現:隨著砂率的增加,鐵尾礦砂配制的自密實混凝土工作性能良好,但砂率超過45%時,工作性下降,其流動度、填充性和間隙通過性均降低。鐵尾礦砂取代普通砂、石英砂作為細骨料,其基本力學性能較好,且具有一定的早強作用。

混凝土的可持續性發展、綠色生產,也不只是降低水泥用量的技術要求,質量優良的砂石才是配制出低成本、高性能混凝土的前提和保證。砂石質量是影響混凝土質量的關鍵,對砂石的級配必須引起足夠的重視。

利用河砂復配鐵尾礦砂配制的混凝土性能指標是否滿足要求,需要大量是試驗和工作實踐。參照己有的技術研究成果,充分認識鐵尾礦砂對混凝土性能的影響,總結鐵尾礦砂應用的技術規律和技術控制要點,合理使用鐵尾礦砂。

1 試驗所用原材料

1.1 水泥

平頂山市寶豐大地水泥P.O42.5,密度為3000kg/m3,其它物理力學性能見表1。

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1.2 礦物摻合料

粉煤灰:平頂山姚孟電廠II級粉煤灰,密度2200kg/m3,其它性能如表2。礦粉:漯河市臨潁縣“鐵星牌”S95級礦渣粉,密度為2800kg/m3,其它性能指標如表3。

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1.3 粗集料

舞鋼市礦山碎石,其性能指標如表4,得分分析見表5。

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1.4 細集料

平頂山市葉縣辛店鎮河砂,篩分指標見表6。

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1.5 鐵尾礦砂

平頂山市舞鋼尾礦砂,表觀密度為2720kg/m3,篩分指標見表7,化學成分分析見表8。

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從化學成分上看,尾礦砂中有較高的活性化學成分:CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3,它們的總和占83.3%。用于調劑細骨料的細度模數的材料,摻于混凝土中除可優化配合比、改善混凝土的粘聚性、保水性外,這部分尾礦砂與水泥衆體的界表面結合力也是比較強的;尾礦砂中小于0.075mm和小于0.045mm的部分,可作為膠凝材料的補充,增加漿體濃度,甚至直接與水泥水化析出的Ca(OH)2發生二次水化反應。尾礦砂中含有較高的Fe2O3在反應中形成的水化產物水化鐵酸鈣對提高抗折強度有利。鐵尾礦砂在放大鏡下如圖1(a)、(b),鐵尾礦砂顆粒較小較細,粒形不規則,電鏡放表面顆粒粗糙。

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1.6 減水劑

脂肪族復合高效減水劑,其性能指標見表9。

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2 鐵尾礦砂摻量對混凝土的影響

天然河砂細度模數偏大、含石量大,鐵尾礦砂顆粒級配主要集中在0.63?0.15mm之間,粒徑小于0.15mm的細顆粒在15%左右。針對天然河砂與鐵尾礦砂的特點,將鐵尾礦砂與天然河砂混合配制成滿足混凝土生產要求的II區中砂。使用這種混合砂配制混凝土,技術關鍵是混合砂的混合比例怎么確定。其混合比例可按照混凝土工作性、力學性能、混合砂細度模數等技術指標優選出最佳的混合比例,該比例的混合砂應滿足混凝土對普通砂的各項技術要求。試驗時,外加劑摻量適當調整,保證達到要求的工作性,探討鐵尾礦混合砂混凝土的應用技術規律。

2.1 鐵尾礦砂混凝土試驗配合比

新拌混凝土的和易性,也稱工作性,是指拌合物易于攪拌、運輸、澆搗成型,并獲得質量均勻密實的混凝土的一項綜合技術性能。通常用流動性、粘聚性和保水性三項內容表示。流動性是指拌合物在自重或外力作用下產生流動的難易程度;粘聚性是指拌合物各組成材料之間不產生分層離析現象;保水性是指拌合物不產生嚴重的泌水現象。通常情況下,混凝土拌合物的流動性越大,則保水性和粘聚性越差,反之亦然,相互之間存在一定矛盾。和易性良好的混凝土是指既具有滿足施工要求的流動性,又具有良好的粘聚性和保水性。因此,不能簡單地將流動性大的混凝土稱之為和易性好,或者流動性減小說成和易性變差。在評價混凝土工作性時,用坍落度結合坍落流動度(用拌合物坍落穩定時所鋪展的直徑表示,也稱擴展度),參考圖2[9]進行評價。

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坍落度與擴展度的比值也稱為坍擴比,從圖中可以看出坍擴比在0.4左右混凝土的工作性較好;大于0.4時,混凝土工作性粘稠;小于0.4時,混凝土工作性差,易出現泌水、離析。坍擴比與0.4的差值越大,工作性越差,坍擴比可以作為工作性評價的簡易方法。

鐵尾礦砂中小于0.15mm的細顆粒可以調節砂子的級配,充當粉體填充料,填充混凝土骨料間的空隙,提高混凝土保水性和粘聚性,改善離析、泌水現象,使得混凝土易于密實成型。尤其在低強度等級的混凝土中,作用更加明顯。低強度等級混凝土膠凝材料用量少,摻用鐵尾礦砂后,補充粉體材料,有效解決工作性差的缺點。為了系統了解鐵尾礦砂摻量變化對不同膠凝材料用量、水膠比的混凝土性能影響,采用表10的混凝土配合比進行試驗。

2.2 尾礦砂摻量對砂率的影響

在混凝土拌合物坍落度一定的條件下,若砂率小,為保證有足夠的砂漿包裹潤滑粗骨料,必須增加膠凝材料漿體的用量才能保證足夠的砂漿量。同樣,若砂率過大,要增加過多的膠凝材料漿體來包裹、填充、潤滑骨料。因此,砂率是控制混凝土拌合物工作性的重要參數,砂率選用的是否合理直接影響混凝土的工作性和質量。鐵尾礦砂在顆粒級配上與河砂有顯著的區別,河砂的細度模數較大,粗顆粒較多,細顆粒不足,而鐵尾礦砂中粗顆粒較少,細顆粒偏多。單獨使用鐵尾礦砂配制混凝土,細顆粒多,比表面積大,膠凝材料料漿體用量大,同樣,單獨使用河砂配制混凝土,由于缺少細顆粒,保水性和粘聚性變差,易泌水、離析。

鐵尾礦砂與河砂混合使用可以克服河砂細顆粒不足的弊端,使混凝土的細顆粒增加,另外鐵尾礦砂中小于0.15mm的石粉顆粒,也可以使混凝土粉體材料增加,改變總漿體量、漿體稠度及水粉比(用水量與細粉量的比值)。為了研究鐵尾礦砂混合比例的變化對混凝土砂率的影響,按照表10所給出的配合比,鐵尾礦砂摻量分別為0%、20%、40%進行試驗。考慮到鐵尾礦砂摻量的增加改變了原有粉體的數量及漿體的稠度,在鐵尾礦砂摻量的同時,適當提高減水劑的摻量,保證混凝土拌合物具有良好的工作性,其試驗結果如表11。

在用水量和膠凝材料用量相同的情況下,隨著鐵尾礦砂摻量的增加,通過調整砂率均可以獲得滿意的工作性能。鐵尾礦砂摻量為0%、混凝土砂率為45%時,坍擴比為0.41,工作性較好;鐵尾礦砂摻量為20%、混凝土砂率為42%時,坍擴比為0.40,工作性較好;鐵尾礦砂摻量為40%、混凝土砂率為39%時,坍擴比為0.40,工作性較好。表現出隨著鐵尾礦砂的摻量的增加,混凝土砂率隨之降低。

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河砂的細度模數為3.1,鐵尾礦砂的細度模數為1.4,隨著鐵尾礦砂摻量的增加,必然引起混合砂細度模數的變化。混合砂的細度模數等于鐵尾礦砂的細度模數與其摻量的乘積加上河砂的細度模數與其摻量的乘積,即:

鐵尾礦砂摻量為20%時,

混合砂細度模數=1.4X20%+3.1X(1-20%)=2.76

鐵尾礦砂摻量為40%時,

混合砂細度模數=1.4X40%+3.1X(1-40%)=2.38

可以看出,鐵尾礦砂摻量增加20%,混合砂的細度模數降低近0.4,砂率降低3%。鐵尾礦砂摻量的增加直接改變混合砂的細度模數,進而影響砂率。因此,在鐵尾礦砂的使用過程中,應關注河砂與鐵尾礦砂細度模數的變化,及時調整砂率。混合砂細度模數變化0.2,砂率要相應調整1%?2%。從外加劑的用量來看,隨著鐵尾礦砂用量的增加,外加劑摻量也相應增加才能獲得良好的工作性。從表6和表7可知,河砂中粒徑小于0.15mm的粉狀顆粒含量為3%,鐵尾礦砂中粒徑小于0.15mm的粉狀顆粒含量為17.8%,即相同質量的情況下鐵尾礦砂含有粒徑小于0.15mm的顆粒較河砂多14.8%。當鐵尾礦砂摻量為20%時,砂率為42%,混凝土工作性較好。此時,細砂用量為154kg/m3、較鐵尾礦砂摻量為0%時,混合砂中粒徑小于0.15mm的粉體顆粒較鐵尾礦砂摻量為0%時增加了154X14.8%=22.8(kg/m3)。從試驗結果可以看出,鐵尾礦砂摻量為0%時,外加劑的摻量為1.9%,如果把增加的這些粉體粒徑在計算外加劑用量時看做粉體材料,外加劑的用量為(360+22.8)X1.9%=7.27(kg/m3)。鐵尾礦砂摻量為20%時,外加劑摻量為2.0%,用量為7.2kg/m3,兩者相差不大。在計算外加劑用量時,應充分考慮砂中含有的石粉對外加劑的影響。

2.3 尾礦砂摻量對混凝土抗壓強度影響

鐵尾礦砂作為一種質量相對穩定的特細砂與河砂混合使用,增加了混凝土配合比設調整的空間。通過混合比例,優化混合砂的顆粒級配,降低空隙率,提高混凝土整體性能。根據表10的配合比參數,對鐵尾礦砂摻量為0%、20%、40%、60%,進行混凝土抗壓強度試驗,其試驗結果如表12所示。

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從表12可以看出,在膠凝材料用量300kg/m3時,鐵尾礦砂摻量為40%時坍落度達到最大值220mm,坍擴比0.4;在膠凝材料用量360kg/m3時,鐵尾礦砂摻量為20%時坍落度達到最大值185mm,坍擴比0.4;在膠凝材料用量420kg/m3時,鐵尾礦砂摻量為0%時坍落度達235mm,坍擴比0.41,鐵尾礦砂摻量增加到20%時,坍落度為225mm,略有減低,坍擴比0.4;膠凝材料增加到480kg/m3時,鐵尾礦砂的加入均降低工作性。

在膠凝材料用量低于420kg/m3時,適當增加鐵尾礦砂摻量能夠改善混凝土的和易性,提高混凝土保水性、抗離析泌水能力,增加混凝土的粘聚性。隨著鐵尾礦砂摻量的增加,混凝土的粘聚性增加,混凝土的坍落度及擴展度先增大后減小。混凝土的漿體在一定的范圍內可以有效填充到骨料的的空隙中,潤滑骨料顆粒,減小表面摩擦力。當漿體中粉體量增大超過一定的范圍時,造成漿體的稠度過大,不能有效克服骨料顆粒間的摩擦力,流動性變差。

混凝土拌合物內摩擦阻力,一是來自膠凝材料漿體間的內聚力與粘性,二是來自骨料顆粒間的摩擦力。漿體的粘聚力主要取決于水膠比,即膠凝材料漿體的稠度。水膠比越大漿體的稠度越小,粘聚力越差,無法帶動骨料一起運動,混凝土越容易離析、泌水、分層;水膠比降低,漿體的稠度增大,粘聚力增強,混凝土流動時需要克服屈服剪切力,使得混凝土的擴展度降低,流動性變差。骨料間摩擦力主要取決于骨料顆粒間的摩擦系數及包裹在骨料表面膠凝材料漿體的數量,漿體數量越多,骨料間水泥漿層越厚,骨料之間的摩擦力越小。因此,在原材料一定時,坍落度主要取決于漿體的多少和黏度大小。

鐵尾礦混合砂混凝土拌合物工作性試驗表明,只要混合比例合適,完全可以配制出性能優良的混凝土。混合砂中鐵尾礦砂與河砂的混合比例不是固定的,其隨著強度等級(膠凝材料用量)的變化而變化,即隨著膠凝材料的增加鐵尾礦砂的摻入比例逐漸降低。

從各齡期強度發展規律來看,不同強度等級的混凝土,鐵尾礦砂的摻入比例不同,各齡期強度雖有差異,但波動幅度不大,只要是工作性能良好的混凝土,混凝土強度及發展規律均能滿足要求。

2.4 鐵尾礦砂摻量對坍落度的影響

漿體是由水泥等膠凝材料與水拌合而成,具有流動性和可塑性,膠凝材料漿體使混凝土拌合物中砂石骨料表面具有一層潤滑流體使砂石骨料彼此分開,降低由于混凝土拌合物中石子之間的相互摩擦而形成的摩擦力,膠凝材料漿體量大小直接影響混凝土的和易性。

鐵尾礦砂的細度模數和細粉含量相對穩定,波動范圍較小。鐵尾礦砂中粒徑小于0.15mm的細粉主要是石粉,這些細顆粒在粒徑上類似于粉體膠凝材料,在混凝土膠凝體系中起到補充膠凝體系中的數量,改變混凝土體系的流變性能。在水膠比不變的情況下,隨著鐵尾礦砂摻量的增加,漿體的稠度變大、流動性降低。

為了了解混凝土中鐵尾礦砂摻量對混凝土最大坍落度的影響,混凝土配合比采用表10和表12,進行混凝土試驗,通過調整外加劑摻量使混凝土獲得最大坍落度,試驗結果見表13。

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從表13可以看出,隨著鐵尾礦砂摻量的增加,鐵尾礦砂帶入的細粉量也逐漸增加。鐵尾礦砂摻量每增加20%,混合砂中的總粉量增加15?20kg左右。在用水量、膠凝材料用量不變的情況下,鐵尾礦砂摻量的增加,水粉比減小,漿體的粘聚性增大,拌合物的保水性增強,隨著外加劑摻量的增加混凝土坍落度變大。

在鐵尾礦砂的使用過程中,由于鐵尾礦砂中含有大量粒徑小于0.15mm細粉顆粒,從形態上應把這些細粉顆粒看作膠凝材料的一部分。則混凝土各膠凝材料表觀密度為:水泥表觀密度為3000kg/m3、粉煤灰表觀密度為2200kg/m3、礦粉表觀密度為2800kg/m3,由水泥(60%)、礦粉(20%)、粉煤灰(20%)組成的混凝土膠凝材料表觀密度為:

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式中:

aC、aF、aK——分別為水泥、粉煤灰、礦粉占膠凝材料的質量百分比,%;

ρBρCρFρK——分別為膠凝材料、水泥、粉煤灰、礦粉的密度,kg/m3。

將水泥、粉煤灰、礦粉的密度代入上式可以計算出膠凝材料密度為2770kg/m3,鐵尾礦砂表觀密度為2720kg/m3。根據表13可以得出表14各配合比粉體總漿體量對應的適宜坍落度。

從表14可以看出,隨著混凝土最大坍落度的增加,混凝土用水量與所有粉體總成的總粉體漿量也相應增大。為了直觀表現出混凝土粉體總漿體量與坍落度的關系,繪制出圖3。從圖中可以看出混凝土坍落度x與混凝土漿體量y有線性關系:

y=0.5651x+203.8;R2=0.9877

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為獲得滿意的工作性,混凝土必須具有一定的漿體,漿體越多,骨料間摩擦力越小,混凝土拌合物越易于流動,混凝土坍落度就越大,反之坍落度變小。若滿足工作性的條件下,漿體過多,就會出現流漿及泌水現象,且膠凝材料用量大也不經濟;若漿體過少,致使不能填滿骨料間的空隙或不夠包裹所有骨料表面時,則混凝土拌合物粘聚性變差,會產生崩塌現象。因此,在鐵尾礦砂的使用過程中,應根據混凝土坍落度的要求、混凝土的強度等級和膠凝材料用量調整鐵尾礦砂在混合砂中的摻量,以找到適合混凝土工作性的漿體用量。

3 不同強度等級混凝土中鐵尾礦砂的摻量

鐵尾礦砂中的細粉顆粒在混凝土漿體中主要起兩方面的作用:其一,增加混凝土漿體的數量,提高包裹在骨料表面漿體的厚度,減小骨料間的摩擦力,增加混凝土的工作性;其二,在水膠比不變的情況下,鐵尾礦砂的細粉顆粒可以增加水粉比,增加混凝土漿體的稠度,使粘聚性、保水性增加。在低強度等級的混凝土中,漿體量少,漿體稠度低,增加鐵尾礦砂的摻量可以增加漿體數量,增加混凝土的粘聚性、保水性。而高強度等級的混凝土拌合物,自身膠凝材料較多、漿體大,再加上水膠比小、漿體稠度大,再加入鐵尾礦砂,漿體的水粉比更低、工作性更差。因此,低強度等級混凝土使用的砂應細度模數小一些,以提高混凝土粘聚性、保水性,高強度等級混凝土使用的砂細度模數大一些,以降低混凝土中細粉的數量,降低混凝土的黏度。由此看來,在鐵尾礦砂與河砂混合使用時,應根據混凝土膠凝材料用量及混凝土工作性要求確定混合比例,對于泵送C10?C60等級混凝土,混合比例可按表15使用。

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使用鐵尾礦砂的過程中應注意對天然砂質量的檢測,根據天然砂的細度模數調整混合比例,在調整過程中,并注意調整砂率及減水劑摻量。

4 結論

從本文的試驗結果可以看出:

(1)鐵尾礦砂的用量對混凝土砂率有影響,鐵尾礦砂摻量大,鐵尾礦砂與河砂組成的混合砂的細度模數降低,砂率應相應降低,保證混凝土良好的工作性。

(2)混凝土中摻入不同比例的尾礦砂,雖然各齡期的強度有所差異,但波動幅度不大,只要混凝土工作性良好,均滿足混凝土強度發展的規律。

(3)鐵尾礦砂用量的增加,使混凝土中小于0.015mm的細粉顆粒增加,漿體用量相應增加,改善混凝土的粘聚性和保水性。但細粉量的增加也增加了對外加劑的吸附,應適當提高外加劑摻量。

(4)鐵尾礦砂的使用比例應根據強度等級和膠凝材料用量的不同而不同,混凝土膠凝材料用量大,鐵尾礦砂摻量小,反之摻量增加。

參考文獻

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[9]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.09:184.

作者:余春榮,耿加會,李國宏

編輯:趙虹旭


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