劉 剛 姚少巍 封孝信 胡晨光 楊立榮

河北省無機非金屬材料實驗室，華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063009

利用鐵尾礦制備活性粉末混凝土的研究

劉 剛 姚少巍 封孝信 胡晨光 楊立榮

河北省無機非金屬材料實驗室，華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063009

利用鐵尾礦制備活性粉末混凝土，既可以充分利用鐵礦山固體廢棄物，又可以為建筑工程提供高性能建筑材料，具有非常顯著的社會意義和實用價值。試驗以水泥、硅灰、鐵尾礦為主要原料，在摻入鋼纖維后，將不同配比的活性粉末混凝土（RPC）分別在（20±2）℃標準養(yǎng)護和（80±2）℃蒸汽養(yǎng)護條件下養(yǎng)護，研究養(yǎng)護條件及養(yǎng)護時間對活性粉末混凝土抗折強度、抗壓強度的影響。結(jié)果表明：以鐵尾礦作為骨料，可以制備出活性粉末混凝土；活性粉末混凝土的強度隨養(yǎng)護時間的延長逐漸增大；蒸汽養(yǎng)護的活性粉末混凝土比標準養(yǎng)護的抗壓強度高5%~45%。

鐵尾礦 活性粉末混凝土 鋼纖維 制備方法

0 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是20世紀90年代法國學(xué)者Richard等研究成功的一種超高強、低脆性、耐久性優(yōu)異的新型水泥基復(fù)合材料。它的基本思想是：通過提高組分的細度與活性，將材料內(nèi)部的孔隙、微裂縫等缺陷減到最少，以獲得超高強度和高耐久性。它的主要實現(xiàn)手段包含：去除粗骨料，提高原材料的勻質(zhì)性；優(yōu)化顆粒材料級配，使顆粒混合料體系達到最密實狀態(tài)；優(yōu)選與活性組分相容性良好的高效減水劑，降低水灰比，使?jié){體在最少用水量條件下具有良好的工作性；采用熱養(yǎng)護，改善微觀結(jié)構(gòu)；加入鋼纖維，提高混凝土的韌性和體積穩(wěn)定性[1-9]。

我國是礦產(chǎn)資源大國，但是隨著近年來礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，有限的資源已日漸枯竭[10-14]。鐵尾礦資源的綜合利用是礦產(chǎn)資源開發(fā)的一項重要政策，是保護有限礦產(chǎn)資源、促進經(jīng)濟發(fā)展、保護人類環(huán)境的一種有效手段，這已成為全社會的共識。

目前，關(guān)于利用鐵尾礦制備活性粉末混凝土的研究還在進一步完善，其在工程方面的應(yīng)用還處于探索階段。本文旨在研究利用鐵尾礦制備活性粉末混凝土的試驗方法，以及養(yǎng)護條件對活性粉末混凝土強度的影響規(guī)律。

1 試驗原材料

（1）鐵尾礦砂：取自唐山鐵尾礦砂。鐵尾礦砂的顆粒級配詳見表1。

對試驗用鐵尾礦砂的粒度進行測試，結(jié)果表明，鐵尾礦砂的細度模數(shù)為3.0，屬于中砂，級配達到試驗要求。

（2）硅灰：比表面積為20 000～25 000 m2/kg，密度約為2.1～2.2 g/cm3，松散堆積密度為250～300 kg/m3，硅灰化學(xué)組成詳見表2。

試驗用硅灰的技術(shù)性能符合GB/T 18736《高強高性能混凝土用礦物外加劑》的要求。（3）鋼纖維：鋼纖維的主要技術(shù)指標詳見表3。試驗用鋼纖維的技術(shù)指標符合YB/T 151《混凝土用鋼纖維》的要求。

（4）水泥：取自唐山冀東啟新水泥廠P·O52.5R普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標符合GB 175《通用硅酸鹽水泥》的要求。

表1 鐵尾礦砂的顆粒級配

表2 硅灰的化學(xué)組成

表3 鋼纖維的主要技術(shù)指標

2 試驗方法

活性粉末混凝土的制備：將鐵尾礦、水泥、硅灰等粉末材料倒入攪拌鍋內(nèi)，干拌3 min，將混有減水劑的水倒入一半，攪拌3 min，再倒入最后一半水攪拌3 min，然后緩緩加入鋼釬維，再攪拌6 min。將三聯(lián)試模固定在振動臺上，把攪拌好的混凝土裝入三聯(lián)試模中，開動振動臺振動搗實，抹平表面后標號。

標準養(yǎng)護：將成型后的混凝土試件移入養(yǎng)護室(20±2) ℃，養(yǎng)護(24±2) h后拆模，放在(20± 2)℃養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護到3 d、28 d。

蒸汽養(yǎng)護：將成型后的混凝土試件移入養(yǎng)護室(20±2) ℃，養(yǎng)護(24±2) h后拆模，從室溫開始經(jīng)(6±0.5) h升溫至(80±2) ℃，在(80±2) ℃蒸汽中養(yǎng)護72 h，移入養(yǎng)護室(20±2) ℃養(yǎng)護至28 d。

混凝土試件養(yǎng)護到規(guī)定齡期后，將其取出按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》進行強度的測定。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 基本配合比的確定

為了盡可能多地使用鐵尾礦來制備活性粉末混凝土，首先需要確定制備活性粉末混凝土的基本配合比。試驗確定養(yǎng)護條件為標準養(yǎng)護條件和蒸汽養(yǎng)護條件，成型方法為振動臺振動成型，通過摻加高效減水劑來制備活性粉末混凝土。主要研究養(yǎng)護時間、養(yǎng)護制度、鋼纖維的摻量等因素對活性粉末混凝土抗折和抗壓強度的影響規(guī)律。

試驗共分9組進行，每組配合比分別采用標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護?；钚苑勰┗炷僚浜媳纫姳?。

圖1為不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的抗折強度，其中圖1（a）為養(yǎng)護3 d后的抗折強度，圖1（b）為養(yǎng)護28 d后的抗折強度。

圖2為不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的抗壓強度，其中圖2（a）為養(yǎng)護3 d后的抗壓強度，圖2（b）為養(yǎng)護28 d后的抗壓強度。

由圖1和圖2可以看出，無論是標準養(yǎng)護還是蒸汽養(yǎng)護，隨著養(yǎng)護時間的增長，活性粉末混凝土的抗折強度和抗壓強度均有不同程度的增加。但是，對比不同齡期內(nèi)蒸汽養(yǎng)護條件下的混凝土試件的試驗結(jié)果，可以看出，混凝土試件的3 d強度與28 d強度比較接近，這說明在(80±2) ℃蒸汽中養(yǎng)護72 h后移入(20±2) ℃標準養(yǎng)護條件中養(yǎng)護至28 d，混凝土試件強度增加不明顯。

表4 活性粉末混凝土的配合比

另一方面，由于蒸汽養(yǎng)護有利于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改善，因此蒸汽養(yǎng)護條件下的混凝土試件，其早期強度和后期強度較標準養(yǎng)護條件下的混凝土試件均有較大程度的提高。

通過對試驗結(jié)果的分析可知，標準養(yǎng)護條件下，活性粉末混凝土的抗壓強度最高可達108.3 MPa，蒸汽養(yǎng)護條件下，活性粉末混凝土的抗壓強度最高可達122.7 MPa。為了盡可能多使用鐵尾礦來制備更高強度的活性粉末混凝土，根據(jù)上述試驗結(jié)果調(diào)整試驗方法和配合比，進行下一階段試驗。

圖1 不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的3 d抗折強度和28 d抗折強度

圖2 不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的3 d抗壓強度和28 d抗壓強度

3.2 配合比的優(yōu)化

在第一階段試驗的基礎(chǔ)上，選擇鐵尾礦用量為6 000 g，固定鋼纖維用量，調(diào)整水泥、硅灰、水和外加劑用量，制備活性粉末混凝土。主要研究養(yǎng)護時間、養(yǎng)護制度、水膠比對活性粉末混凝土強度的影響。試驗共分12組進行，每組分別采用標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護，活性粉末混凝土配合比見表5。

圖3為不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的抗折強度，其中圖3（a）為養(yǎng)護3 d后的抗折強度，圖3（b）為養(yǎng)護28 d后的抗折強度。

圖4為不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的抗壓強度，其中圖4（a）為養(yǎng)護3 d后的抗壓強度，圖4（b）為養(yǎng)護28 d后的抗壓強度。

表5 活性粉末混凝土的配合比

圖3 不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的3 d抗折強度和28 d抗折強度

由圖3和圖4可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增長，活性粉末混凝土的強度逐漸增加。此外，對于相同配合比不同養(yǎng)護制度下的活性粉末混凝土，其抗折強度和抗壓強度明顯不同，兩種養(yǎng)護制度中，(80±2) ℃蒸汽養(yǎng)護的抗折和抗壓強度比(20±2) ℃標準養(yǎng)護高。

從圖3和圖4中可以得到如下規(guī)律：當用水量、減水劑用量以及硅灰用量一定時，隨著水泥用量的增加，活性粉末混凝土的強度逐漸增大；當用水量、減水劑用量以及水泥用量一定時，隨著硅灰用量的增加，活性粉末混凝土的強度逐漸增大；當減水劑用量、水泥用量以及硅灰用量一定時，隨著用水量的增加，活性粉末混凝土的強度逐漸減小。

圖4 不同養(yǎng)護制度下活性粉末混凝土的3 d抗壓強度和28 d抗壓強度

通過分析以上試驗結(jié)果可知，在標準養(yǎng)護條件下，當水膠比在0.200～0.240范圍內(nèi)時，采用鐵尾礦作為骨料，摻入一定量的水泥、硅灰和鋼纖維，可以制備出100 MPa級以上的活性粉末混凝土，當水膠比為0.200時，其28 d的抗壓強度可以達到138.0 MPa；在蒸汽養(yǎng)護條件下，當水膠比在0.200～0.240范圍內(nèi)時，采用鐵尾礦作為骨料，摻入一定量的水泥、硅灰和鋼纖維，可以制備出120 MPa級以上的活性粉末混凝土，當水膠比為0.196時，其28 d的抗壓強度可以達到152.6 MPa。

4 結(jié)束語

通過研究在盡可能多使用鐵尾礦的前提下，養(yǎng)護時間、養(yǎng)護制度等對活性粉末混凝土抗折強度和抗壓強度的影響，得出以下結(jié)論：

（1）采用鐵尾礦作為骨料，摻入一定量的水泥、硅灰和鋼纖維，加入一定量的減水劑和水，能夠配制活性粉末混凝土。

（2）混凝土配比為鐵尾礦∶水泥∶硅灰∶鋼釬維∶水∶減水劑=8∶4∶1∶0.13∶1∶0.15，水膠比為0.200時，采用標準養(yǎng)護條件制備的鐵尾礦活性粉末混凝土，抗壓強度最大能達138.0 MPa。

（3）混凝土配比為鐵尾礦∶水泥∶硅灰∶鋼釬維∶水∶減水劑=8∶4∶1.11∶0.13∶1∶0.17，水膠比為0.196時，采用蒸汽養(yǎng)護條件制備的鐵尾礦活性粉末混凝土，抗壓強度最大能達152.6 MPa。

（4）采用(80±2) ℃蒸汽養(yǎng)護72 h，活性粉末混凝土的抗折強度、抗壓強度得到大幅提高。

[1] PIERRE RICHARD, MARCEL CHEYREZY. Composition of Reactive Powder Concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(7):1501-1511.

[2] PIERRE RICHARD. Reactive Powder Concrete:A new Ultra high Strength Cementitious Material [A]. The 4th International Symposium On Utilization of High Strength High Performance Concrete[C]. Paris:1996, 1 343-1 349.

[3] 吳中偉, 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京:中國鐵道出版社, 1999.

[4] 閆志剛, 季文玉, 安明結(jié). 活性粉末混凝土低高度梁設(shè)計及試驗研究[M]. 土木工程學(xué)報, 2007, 42(5):96-102.

[5] 高淑平. 活性粉末混凝土在鐵路預(yù)應(yīng)力橋梁中的應(yīng)用[J].商品混凝土, 2007(3):19-21.

[6] 柯開展, 蔡文務(wù). 活性粉末混凝土在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與前景[J]. 福建建材, 2006(2):17-19.

[7] 楊志慧. 不同鋼纖維摻量活性粉末混凝土的抗拉力學(xué)特性研究[D]. 北京:北京交通大學(xué), 2006.

[8] 徐有鄰, 沈文都, 汪洪. 鋼筋輪粘結(jié)錨固性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 1994, 15(3):26-37.

[9] 徐有鄰, 邵卓民, 沈文都. 鋼筋與混凝土的粘結(jié)錯固強度[J].建筑科學(xué), 1988 (4):8-14.

[10] 劉宏, 王化軍, 劉恩松. 鐵尾礦在廢水處理中的應(yīng)用[J].礦業(yè)工程. 2007, (1):48-50.

[11] 徐帥. 我國鐵尾礦綜合利用現(xiàn)狀[J]. 職業(yè)技術(shù). 2011, (3): 94-96.

[12] A. SIRKECI, A GUL, G BULUT. Recovery of Co, Ni and Cu from the tailings of diverge iron ore concentrator[J]. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 2006, 27(2): 131-141.

[13] SAKTHIVEL R, VASUMATHIN, et al. Synthesis of magnetite powder from iron ore tailings[J]. Powder Technology, 2010,(201):187-190.

[14] ZHANG Su, XUE Su, LIU Xi, et a1. Current situation and comprehensive utilization of iron ore tailing resources[J]. Journal of Mining Science, 2006, 42 (4):403-408.

2016-07-20）

TU528

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1008-0473(2016)05-0003-06

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.05.002