阮小龍 林朝飛

(攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

0 引言

高爐除塵灰是用除塵設(shè)備將工廠排放的顆粒煙塵收集得到的排棄物。它是高溫條件下的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，其性質(zhì)發(fā)生變異，利用難度較大，囤積容易揚(yáng)塵，在運(yùn)輸過(guò)程中及風(fēng)季季節(jié)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，其含有的重金屬物質(zhì)對(duì)人類健康危害大。目前對(duì)除塵灰回收利用是提取可用金屬元素和制灰砂磚，但由于金屬提取技術(shù)不足、成本過(guò)高，一直未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，且灰砂磚利用量較小，故不能有效快速消耗掉大量囤積的除塵灰。目前采取填埋處理方式，易產(chǎn)生二次污染嚴(yán)重，高爐粉灰上覆土過(guò)薄會(huì)產(chǎn)生塌陷，堆積過(guò)厚會(huì)產(chǎn)生滑坡危害，安全隱患嚴(yán)重。

尾礦砂是選礦廠將礦石磨細(xì)選取有用成分后排放的廢棄物。目前有企業(yè)利用頁(yè)巖與礦渣按比例混合生產(chǎn)保溫隔熱性能好的多孔節(jié)能磚，但使用量少，不能有效消耗掉每年大量排放出的尾礦砂，尾礦砂逐年囤積于尾礦壩，占據(jù)耕地，并造成環(huán)境污染。僅以釩鈦磁鐵礦及鋼鐵工業(yè)城市攀枝花為例，礦渣年排出量超過(guò)50萬(wàn)t，雖有少部分加以回收利用，但利用方式單一。從圖1可以看出，尾礦壩的囤積量逐年增加，尾礦砂回收利用問(wèn)題亟待解決。

混凝土細(xì)骨料所用天然砂日益匱乏，其占混凝土重量約30%，若以尾礦砂作為天然砂的替代品，既解決了混凝土集料匱乏問(wèn)題，還可以大量減少尾礦砂囤積，減少尾礦壩中礦渣的庫(kù)容量，降低尾礦壩的安全隱患，同時(shí)減少了對(duì)環(huán)境的污染。

本試驗(yàn)通過(guò)四川省工業(yè)固態(tài)廢棄物綜合利用實(shí)驗(yàn)室立項(xiàng)，研究高爐除塵灰替代水泥，尾礦砂替代天然砂石作為混凝土的細(xì)骨料，形成一種新型復(fù)合混凝土，通過(guò)試驗(yàn)研究其強(qiáng)度、變形性能是否達(dá)到工程使用要求。

1 制備方案

本試驗(yàn)項(xiàng)目混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30;水泥：P.O42.5普通水泥,密度3 100 kg/m3；碎石：最大粒徑20 mm，密度2 800 kg/m3,中砂：級(jí)配良好，密度2 600 kg/m3；尾礦砂：表觀密度2 700 kg/cm3，比表面積480 m2/kg，含泥量2.3%；高爐除塵灰:細(xì)度5.2%，燒矢量3.23%，表觀密度2 100 kg/cm3。

根據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程計(jì)算出基準(zhǔn)配合比為水泥∶用水量∶細(xì)砂∶石子=Mco∶Mwo∶Mso∶Mgo=1∶0.57∶1.84∶2.59。

等量取代法規(guī)則是在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上用相等量的粉煤灰和尾礦砂分別取代等量的水泥及天然砂。根據(jù)GB/T 50146—2014粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，當(dāng)水灰比大于0.4時(shí)，普通硅酸鹽水泥礦渣摻量最大45%，除塵灰借鑒粉煤灰最大摻量30%，由于替代率不同于摻入量，高爐除塵灰和尾礦砂設(shè)計(jì)替代率分別為0%，5%，10%，20%，30%五個(gè)等級(jí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用HYE-300B型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，最大壓力300 t，加載速率0.5 MPa/s，根據(jù)設(shè)計(jì)替代率有25個(gè)組合，每組3個(gè)試塊，試驗(yàn)共計(jì)75個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)土立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。加載試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

圖3對(duì)比五組不同替代率養(yǎng)護(hù)28 d后的立方體試塊，發(fā)現(xiàn)隨著替代率的增加混凝土逐漸開(kāi)裂，替代率越高開(kāi)裂現(xiàn)象越明顯，這由于高爐除塵灰凝結(jié)強(qiáng)度不足和尾礦砂中含有一定量的泥所導(dǎo)致的開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)75個(gè)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，各替代率混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值和極差統(tǒng)計(jì)于表1中。

表1 各替代率混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值 MPa

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1)當(dāng)高爐除塵灰替代率為0%時(shí)，尾礦砂替代率在30%及以下對(duì)復(fù)合混凝土強(qiáng)度影響甚微；當(dāng)高爐除塵灰替代率為5%時(shí)，尾礦砂替代率在20%及以下復(fù)合混凝土強(qiáng)度滿足要求。由此可見(jiàn)，尾礦砂完全可以替代天然砂石，替代率控制在10%～20%左右為宜。

2)當(dāng)尾礦砂替代率為0%時(shí)，復(fù)合混凝土強(qiáng)度在除塵灰替代率為10%及以下時(shí)滿足要求；當(dāng)尾礦砂替代率為5%～20%時(shí)，復(fù)合混凝土強(qiáng)度在高爐除塵灰替代率為5%及以下時(shí)滿足要求。可見(jiàn)，高爐除塵灰對(duì)復(fù)合混凝土強(qiáng)度影響較大，替代率不可太高，控制在5%～10%左右為宜。

3)尾礦砂替代率恒定時(shí)，除塵灰替代率變化對(duì)強(qiáng)度影響較大，強(qiáng)度極差平均值高達(dá)10.7 MPa。除塵灰替代率恒定時(shí)，高爐除塵灰尾礦砂替代率變化對(duì)強(qiáng)度影響較小，強(qiáng)度極差平均值4.5 MPa。

2.2 強(qiáng)度隨替代率變化趨勢(shì)對(duì)比分析

為了更清晰的分析除塵灰替代率和尾礦砂替代率對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響效果，繪抗壓強(qiáng)度隨各替代率變化趨勢(shì)圖如圖4,圖5所示。

由圖4可以看出，尾礦砂同一替代率時(shí)，復(fù)合混凝土抗壓強(qiáng)度隨高爐除塵灰替代率增加而大幅度減小，變化趨勢(shì)線呈現(xiàn)直線型下降趨勢(shì)，說(shuō)明高爐除塵灰粘結(jié)力較水泥相差較大，只能作少量替代，不能夠大量替代水泥。其抗壓強(qiáng)度隨除塵灰替代率變化呈現(xiàn)直線趨勢(shì)，變化趨勢(shì)線線性回歸方程表達(dá)式：

y=-k0x+b

(1)

其中，y為抗壓強(qiáng)度，MPa；x為除塵灰替代率，%；k0取值范圍：4.63～4.949；b取值范圍：40.47～45.651。

由圖5可以看出，高爐除塵灰同一替代率時(shí)，復(fù)合混凝土抗壓強(qiáng)度隨尾礦砂替代率變化平緩，平均極差僅為4.6 MPa，對(duì)強(qiáng)度影響非常小，變化趨勢(shì)線呈現(xiàn)對(duì)數(shù)型或冪指數(shù)型下降趨勢(shì)，說(shuō)明尾礦砂可以作為天然砂的替代品。其抗壓強(qiáng)度隨尾礦砂替代率變化趨勢(shì)冪指數(shù)或?qū)?shù)型變化，趨勢(shì)線線性回歸方程表達(dá)式：

1)抗壓強(qiáng)度隨尾礦砂替代率冪指數(shù)變化趨勢(shì)線性回歸方程：

y=-Klnx+B

(2)

其中，y為抗壓強(qiáng)度，MPa；x為尾礦砂替代率，%；K取值范圍：0.398～5.04；B取值范圍：19.32～39.643。

2)抗壓強(qiáng)度隨尾礦砂替代率對(duì)數(shù)型變化趨勢(shì)線線性回歸方程：

y=Cx-k

(3)

其中，y為抗壓強(qiáng)度，MPa；x為尾礦砂替代率，%；C取值范圍：19.738～39.644；k1取值范圍：0.01～0.159。

3 結(jié)論

1)本項(xiàng)目通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著高爐除塵灰和尾礦砂替代率增加，復(fù)合混凝土強(qiáng)度均不同程度降低，隨除塵灰替代率增加而降低幅度略大。

2)高爐除塵灰比較適宜的替代率是5%～10%，尾礦砂比較適宜的替代率是10%～20%，強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)混凝土的要求，但其在構(gòu)件中的其他性能尚需繼續(xù)研究。

3)隨著高爐除塵灰和尾礦砂替代率的增加，混凝土逐漸出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，替代率越高開(kāi)裂越多?？紤]到尾礦砂中含泥、高爐除塵灰粘結(jié)力不強(qiáng)導(dǎo)致復(fù)合混凝土開(kāi)裂的問(wèn)題，除塵灰和尾礦砂替代率均要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

4)在替代率超過(guò)一定范圍之后，復(fù)合混凝土強(qiáng)度雖達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，但可以適用于一些輔助性的建筑用材，比如地基找平層、人行道鋪蓋板、室外找平層等范圍。