侯云芬，趙思儒

(北京建筑大學(xué)材料工程系，北京，100044)

目前尾礦已成為我國產(chǎn)出量最大、綜合利用率最低的固體廢棄物。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國由于礦產(chǎn)資源開發(fā)而產(chǎn)生的尾礦累積堆存量已超過100 億t，年綜合利用量不足2 億t。如此低的綜合利用率不僅是資源的一種浪費(fèi)，而且構(gòu)成對(duì)環(huán)境的巨大威脅［1－2］。

鐵尾礦作為一種大量排放的工業(yè)固體廢棄物，同時(shí)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和礦產(chǎn)資源持續(xù)供給的作用，所以如何有效利用鐵尾礦是人們主要的研究方向［3－9］。將具有一定細(xì)度的鐵尾礦粉作為礦物摻合料應(yīng)用于混凝土中，可充分發(fā)揮鐵尾礦粉顆粒特性的“填充效應(yīng)”和“形態(tài)效應(yīng)”。本文在對(duì)鐵尾礦粉性能全面研究的基礎(chǔ)上，將其作為混凝土礦物摻合料配制不同強(qiáng)度的混凝土，研究其對(duì)混凝土性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥:采用金隅42.5 普通硅酸鹽水泥。礦渣粉:試驗(yàn)所用的礦渣粉性能見表1。

表1 礦渣粉性能

鐵尾礦粉:化學(xué)組成和礦物組成見表2 和表3。從表中可知鐵尾礦粉主要化學(xué)組成為SiO2，礦物組成為晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的綠泥石和石英等，活性較低。試驗(yàn)采用鐵尾礦原粉(比表面積為340m2/kg)和磨細(xì)鐵尾礦粉(比表面積為680m2/kg)。

表2 鐵尾礦粉的化學(xué)組成

表3 鐵尾礦粉的礦物組成

減水劑:所用的減水劑為聚羧酸減水劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 配合比設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用鐵尾礦粉與礦渣粉雙摻技術(shù)，鐵尾礦粉和礦渣粉比例分別為2:8、4:6 和6:4，鐵尾礦粉與礦渣粉總摻量為膠凝材料總量的30%、40%和50%，設(shè)計(jì)水膠比為0.5、0.4 和0.3，調(diào)整外加劑摻量，控制拌合物坍落度為(200 ±30)mm，配合比見表4。

1.2.2 混凝土性能測(cè)試 根據(jù)《普通凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080－2002 測(cè)定混凝土拌合物性能。依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081－2002 進(jìn)行試件制作及抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。

表4 混凝土配合比 /(kg/m3)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵尾礦粉對(duì)混凝土拌合物性能的影響

不同細(xì)度鐵尾礦粉和礦渣粉復(fù)摻制備混凝土拌合物的坍落度及減水劑摻量結(jié)果見表5。比較表5 中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拌合物坍落度控制在(200 ±30)mm 范圍時(shí)，不同配比所用減水劑摻量不同。對(duì)于2 種細(xì)度的鐵尾礦粉而言，3 種摻量及不同復(fù)摻比例制備混凝土，都隨水膠比增大(即用水量增大)減水劑用量減少。當(dāng)復(fù)摻比例和水膠比相同時(shí)，隨著復(fù)合礦物摻合料摻量增加，減水劑用量不同。對(duì)于鐵尾礦原粉而言，減水劑用量增大，如復(fù)摻比例為2:8 時(shí)，3 種摻量所對(duì)應(yīng)配比的減水劑用量為143g，208g 和292g;而采用磨細(xì)鐵尾礦粉時(shí)，減水劑用量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，如復(fù)摻比例為2:8 時(shí)，3 種摻量所對(duì)應(yīng)配比的減水劑用量為143g，125g 和122g。

當(dāng)?shù)V物摻合料摻量和水膠比都相同時(shí)，不同復(fù)摻比例對(duì)應(yīng)減水劑摻量差異較大。對(duì)于鐵尾礦原粉而言，比較發(fā)現(xiàn)，3 種礦物摻合料摻量和3 個(gè)水膠比時(shí)，都是在復(fù)摻比例為4:6 時(shí)減水劑用量較少;當(dāng)采用磨細(xì)鐵尾礦粉時(shí)，摻量為30%和40%時(shí)，復(fù)摻比例為6:4 的配比所用減水劑較少;摻量為50%時(shí)，復(fù)摻比例為4:6 較為合適。

表5 混凝土坍落度和減水劑用量

由原材料試驗(yàn)結(jié)果可知，鐵尾礦原粉、磨細(xì)鐵尾礦粉和礦渣粉的比表面積分別為340m2/kg、680m2/kg和460m2/kg，其中鐵尾礦原粉顆粒最粗，其次是礦渣粉，最細(xì)的是磨細(xì)鐵尾礦粉。無論采用哪種鐵尾礦粉，與礦渣粉復(fù)摻后只要能形成很好的顆粒級(jí)配就能有效降低膠凝材料體系的空隙率，在用水量和坍落度一定的前提下，使外加劑摻量降低，所以試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出在不同礦物摻合料摻量和不同水膠比時(shí)，得到最少減水劑用量的鐵尾礦粉和礦渣粉的復(fù)摻比例不同。

總之，當(dāng)鐵尾礦粉和礦渣粉組成的礦物摻合料具有良好的顆粒級(jí)配時(shí)，可使膠凝材料達(dá)到較為緊密的堆積狀態(tài)，減少減水劑用量。

2.2 鐵尾礦粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

不同細(xì)度鐵尾礦粉和礦渣粉復(fù)摻制備混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度見表6。從表6 中可知，當(dāng)?shù)V物摻合料摻量及復(fù)摻比例相同時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度都隨水膠比增大而降低。當(dāng)復(fù)摻比例和水膠比相同時(shí)，隨著復(fù)合礦物摻合料摻量增加，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度多數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，如水膠比為0.4 及復(fù)摻比例為4:6 時(shí)，礦物摻合料為30%、40%和50%時(shí)所對(duì)應(yīng)28d 抗壓強(qiáng)度分別為50.5MPa、43.6MPa 和39.5MPa，又如水膠比為0.3，復(fù)摻比例為2:8 時(shí)，礦物摻合料為30%、40%和50%是所對(duì)應(yīng)28d 抗壓強(qiáng)度分別為73.7MPa、66.2MPa 和52.9MPa。因?yàn)殡S著礦物摻合料摻量增加，相應(yīng)減少水泥摻量，必然導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低，尤其是早期強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)V物摻合料摻量和水膠比都相同時(shí)，隨鐵尾礦摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度降低，如礦物摻合料摻量為30%，水膠比為0.3 時(shí)，復(fù)摻比例分別為2:8、4:6和6:4 時(shí)試塊28d 抗壓強(qiáng)度分別為73.7MPa、65.7MPa 和60.8MPa，對(duì)于磨細(xì)鐵尾礦粉也有類似的結(jié)果。從礦物組成結(jié)果可知，鐵尾礦粉中不含活性成分，屬于非活性摻合料，其活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦渣粉，所以隨著鐵尾礦粉摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

比較發(fā)現(xiàn)，摻磨細(xì)鐵尾礦粉試塊的強(qiáng)度多數(shù)大于摻鐵尾礦原粉試塊的強(qiáng)度，如礦物摻合料摻量為50%，復(fù)摻比例為4:6 時(shí)，0.3、0.4 和0.5 三個(gè)水膠比對(duì)應(yīng)鐵尾礦原粉試塊的28d 抗壓強(qiáng)度分別為49.8MPa、39.5MPa 和34.0MPa;對(duì)應(yīng)鐵尾礦細(xì)粉試塊28d抗壓強(qiáng)度分別為55.5MPa、44.2MPa 和34.9MPa。一方面由于粉磨的機(jī)械活化作用使鐵尾礦粉顆粒表面晶格畸變程度增加，結(jié)晶度降低而表面能增加，使得磨細(xì)鐵尾礦粉具有一定的反應(yīng)活性，可以緩慢發(fā)生二次水化;但是更主要的原因是適量的磨細(xì)鐵尾礦粉摻入混凝土中，起到微集料效應(yīng)，即粒徑很小的顆粒，填充水泥漿體的微細(xì)孔隙中，改善膠凝材料的級(jí)配，有助于提高混凝土強(qiáng)度。

表6 混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度 /MPa

綜上所述，無論摻何種礦物摻合料和摻量多少，對(duì)混凝土強(qiáng)度影響最大的因素仍然是水膠比;而礦物摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響程度主要取決于其活性(如礦渣粉)，對(duì)于活性較小的礦物摻合料而言，顆粒尺寸對(duì)強(qiáng)度有一定的影響，較小的顆粒(如磨細(xì)鐵尾礦粉)可以通過微填充作用影響混凝土的強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

無論礦物摻合料復(fù)摻比例及摻量多少，水膠比仍然是影響鐵尾礦粉混凝土流動(dòng)性和強(qiáng)度的主要因素，即隨水膠比增大流動(dòng)性提高，強(qiáng)度降低。當(dāng)將鐵尾礦粉和礦渣粉復(fù)摻時(shí)，復(fù)摻比例及礦物摻合料總量對(duì)流動(dòng)性的影響取決于復(fù)摻后顆粒的搭配情況，當(dāng)顆粒搭配合理時(shí)，即形成了較為緊密堆積，混凝土拌合物的流動(dòng)性最好。由于鐵尾礦粉活性低，所以其摻量增大，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相比鐵尾礦原粉，磨細(xì)鐵尾礦粉有助于提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

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