劉娟紅 吳瑞東 李生丁

（1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.福建金磚資源再生有限公司，三明 365104）

隨著冶金工業(yè)的迅速發(fā)展，尾礦的產(chǎn)生量不斷增加。尾礦是在開采、分選礦石之后排放的暫時不能被利用的固體或粉狀廢料，包括礦山尾礦和選礦廠尾礦。當(dāng)前，世界各國每年排出的尾礦量約為50億噸，而我國在2000年尾礦排放量就高達6億噸。在我國，現(xiàn)有大中型的鐵尾礦庫400多個，堆存的鐵尾礦在80億噸以上。隨著尾礦量的增多，尾礦壩越來越高，堆壩和管理工作越來越困難，特別是細(xì)粒尾礦及浮選廠排出的尾礦，對農(nóng)田、水源產(chǎn)生污染，嚴(yán)重影響著環(huán)境[1-4]。我國尾礦綜合利用率僅為7%左右，遠(yuǎn)低于國外60%的利用率，和發(fā)達國家相比差距很大，大量的尾礦只能堆放在尾礦庫。因此，將尾礦加以利用，變廢為寶，是廣大科技工作者十分關(guān)心的問題[5-7]。我國在從尾礦中回收有價金屬與非金屬元素，利用尾礦制作建筑材料，將磁化尾礦作為土壤改良劑和尾礦整體利用等方面已經(jīng)取得了實用性成果[8]。另一方面，隨著綠色高性能混凝土的飛速發(fā)展，礦物摻合料已逐漸成為混凝土中除砂、石、水泥、水、高效減水劑以外不可缺少的第六組分[9]。我國目前用量最大的礦物摻合料是粉煤灰，這導(dǎo)致我國粉煤灰的數(shù)量迅速減少，尤其北京地區(qū)粉煤灰資源緊缺，主要靠來自山東、內(nèi)蒙古等地區(qū)的Ⅱ、Ⅲ級粉煤灰作為礦物摻合料配制混凝土[10]。因此，利用鐵尾礦微粉代替粉煤灰制備混凝土，不僅對保護生態(tài)環(huán)境、減少環(huán)境污染、除危及人民生命及財產(chǎn)的安全隱患等具有重要意義，還解決北京地區(qū)粉煤灰資源緊缺的燃眉之急。

本文利用兩種不同細(xì)度的改性鐵尾礦微粉和粉煤灰，分別配制出C20-C60的大流態(tài)混凝土，研究不同比例的鐵尾礦微粉摻合料對水泥凈漿流動度的影響，并研究鐵尾礦微粉礦物摻和料對不同等級下混凝土和易性、強度發(fā)展規(guī)律及耐久性（碳化試驗、抗?jié)B試驗）的影響。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗原材料包括：P·O42.5水泥（水泥的主要性能指標(biāo)見表1）；Ⅱ級粉煤灰（細(xì)度為10.2、需水量96%）；S95磨細(xì)礦渣粉；兩種不同細(xì)度改性鐵尾礦微粉（其主要性能見表2）；細(xì)骨料為2區(qū)人工砂；粗骨料為5mm~10mm的細(xì)石子與10mm～20mm的粗石子以1:2的比例混合使用；拌合用水為生活用水；減水劑為萘系減水劑（C20-C50混凝土）和西卡聚羧酸減水劑（C55、C60混凝土）。

1.2 試驗方法

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTGE30-2005）中水泥凈漿的制備方法，制成水泥試件，測量其凈漿流動度；按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程測量混凝土的坍落度；混凝土的強度是利用YAW-YAW 2000A型200t微機控制電液伺服壓力試驗機測定的（抗壓強度試驗的加荷速度控制在2400N/s±200N/s速率范圍內(nèi)）?；炷猎嚰叽鐬?00mm×100mm×100mm，1d拆模并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)（室溫20℃+3，相對濕度：90%以下）養(yǎng)護至28d完畢后，60℃干燥48h，移入碳化箱中碳化，經(jīng)14d持續(xù)碳化后再取出試件測定其碳化深度。

1.3 試驗配合比和試驗數(shù)據(jù)

本試驗制備了C20-C60強度等級的混凝土，設(shè)計了兩種鐵尾礦微粉與Ⅱ級粉煤灰的對比，以了解鐵尾礦微粉對混凝土的性能影響。表3中，分別用等量的兩種鐵尾礦微粉、粉煤灰和礦粉，制備混凝土試塊，每組試驗保證鐵尾礦微粉和粉煤灰等量，其他原材料量不變。試驗結(jié)果見表4。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同摻合料對凈漿流動度的影響

將鐵尾礦微粉分別取代0%、10%、20%、30%和40%的水泥用量，制成水泥試件，測定凈漿流動度，結(jié)果曲線圖見圖1。

從試驗曲線可以看出，兩種鐵尾礦微粉形成的水泥圓餅的直徑基本隨著鐵尾礦微粉替代水泥的比例的增加而增大。由于鐵尾礦微粉的水化速度不如水泥水化速度快，需水量小于95%，摻入鐵尾礦微粉（取代等量水泥）的水泥泥漿，初凝時間和終凝時間均可延長。適當(dāng)延長水泥凝結(jié)時間，對大體積混凝土非常有利，可防止水化熱集中釋放。凈漿擴展度隨著鐵尾礦微粉摻量的增加而增大，能使施工時混凝土拌合物的流動性增大、和易性改善、泵送能力增強?？傊?，以鐵尾礦微粉作為摻合料制備的混凝土，與Ⅱ級粉煤灰混凝土相比，流動性和保水性更好。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

表2 鐵尾礦微粉主要性能

表3 鐵尾礦微粉（或粉煤灰）和礦粉配制各等級混凝土的配合比（Kg/m 3）

表4 粉煤灰和鐵尾礦微粉對混凝土工作性能的影響

圖1 鐵尾礦微粉摻和的凈漿流動度

2.2 不同摻合料對混凝土工作性的影響研究

根據(jù)表4中的試驗測試結(jié)果可以看出，用鐵尾礦微粉作為摻合料制備混凝土，混凝土坍落度都很好，均大于200mm；在用水量和水膠比相同、外加劑用量基本相同的情況下，鐵尾礦微粉一、二混凝土的坍落度大于粉煤灰混凝土；在每個強度等級下，坍落度達到最大值的試塊基本都摻入了鐵尾礦微粉。綜合考慮，鐵尾礦微粉一、二混凝土試樣的流動性、和易性大于粉煤灰混凝土試樣，在坍落度、擴展度、和易性、流動性上都有較好的工作性能，滿足混凝土要求的工作性能。

2.3 不同摻合料對混凝土強度的影響研究

根據(jù)圖2可知，混凝土抗壓強度隨著時間的增長呈增加的趨勢，且鐵尾礦微粉的摻入和粉煤灰一樣，都對混凝土強度提高有很大影響，對一些強度等級的混凝土提高比例甚至大于Ⅱ級粉煤灰。結(jié)合表4中部分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出，摻入了鐵尾礦微粉的混凝土試樣，其強度比之Ⅱ級粉煤灰的混凝土強度基本相當(dāng)，鐵尾礦微粉一比Ⅱ級粉煤灰的強度還有所提高。因此，用鐵尾礦微粉代替粉煤灰對混凝土的強度基本沒有影響。

2.4 不同摻合料對混凝土碳化深度的影響研究

試驗針對摻有等量尾礦微粉和粉煤灰的不同強度等級的混凝土，分別測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后，其在標(biāo)準(zhǔn)碳化條件下的碳化深度。碳化試驗結(jié)果見表5。

由試驗可得出，隨著混凝土強度的增大，混凝土碳化深度的變化總趨勢為減小。在較低強度等級混凝土中，鐵尾礦微粉混凝土的碳化深度比Ⅱ級粉煤灰混凝土的碳化深度略有增加；在較高強度等級混凝土中，鐵尾礦微粉混凝土的碳化深度比Ⅱ級粉煤灰混凝土的碳化深度反而更小。綜合以上分析，鐵尾礦微粉在抗碳化性能上與Ⅱ級粉煤灰基本相當(dāng)，對于耐久性影響不大。

結(jié)論

（1）凈漿擴展度隨著鐵尾礦微粉摻量的增加而增大，能使施工時混凝土拌合物的流動性增大、和易性改善、泵送能力增強，摻入鐵尾礦微粉的水泥泥漿，初凝時間和終凝時間均延長地更為明顯，對大體積混凝土非常有利；

圖2 不同種類摻合料配制的混凝土強度

表5 鐵尾礦微粉和粉煤灰制備各級混凝土的碳化深度

（2）摻入鐵尾礦微粉的混凝土坍落度經(jīng)時損失減小，坍落度保留值增加，鐵尾礦微粉的摻入可以有效地改善水泥攪拌時的流動性，延長水泥凝結(jié)時間，并且隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，凝結(jié)時間延長；

（3）混凝土試樣的抗壓強度隨著時間的增長呈增加的趨勢，且鐵尾礦微粉的摻入和粉煤灰一樣，都對混凝土強度提高有很大影響，甚至提高比例大于粉煤灰；

（4）鐵尾礦微粉一、二抗碳化能力基本與Ⅱ級粉煤灰相當(dāng)，對耐久性影響不大。

由上述結(jié)論可知，鐵尾礦微粉的摻入使混凝土的流動性增大、和易性改善、泵送能力增強；在保證混凝土工作性、強度、耐久性方面，鐵尾礦微粉可以代替粉煤灰作為摻合料。

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