李 育 昕

(廣州地鐵設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510000)

0 引言

鋼鐵冶煉行業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其年產(chǎn)量逐年增加并在2018年突破9億t。鋼產(chǎn)量提升的同時(shí)，伴隨著每年采礦廢棄物超10億t的排放。鐵尾礦廢石長期以來被視為工業(yè)廢棄物并采用堆存的方式進(jìn)行粗放式管理，這不僅占有土地，破壞生態(tài)環(huán)境，并嚴(yán)重威脅人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。為了能夠?qū)⒐I(yè)廢棄物綠色使用，將鐵尾礦替代自然砂石制備混凝土，不僅可減少天然砂石的采掘，而且可消納廢棄工業(yè)垃圾，滿足我國建筑廢棄物的資源化、無害化和減量化的處理原則，符合我國資源節(jié)省、環(huán)境協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)循環(huán)和可持續(xù)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

近年來，國內(nèi)外科研人員研究鐵尾礦替代天然細(xì)骨料制備混凝土的可行性。北京科技大學(xué)倪文教授等[2,3]開展鐵尾礦化學(xué)成分的測定、鐵尾礦機(jī)械活化制備水泥、鐵尾礦充當(dāng)骨料制備全固廢混凝土及養(yǎng)護(hù)方式對其強(qiáng)度的影響等工作，試驗(yàn)結(jié)果顯示鐵尾礦砂可用于建筑材料，能夠減少CO2的排放和節(jié)約天然砂石資源。沈陽工業(yè)大學(xué)鮑文博課題組[4,5]利用鐵尾礦為水泥基復(fù)合材料的細(xì)骨料制備高韌性水泥基復(fù)合材料，研究結(jié)果表明鐵尾礦水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)異，韌性顯著增高，纖維與尾礦砂基體粘結(jié)牢固。文獻(xiàn)[6]～[8]從宏觀力學(xué)性能與微觀兩方面分析鐵礦砂對混凝土和砂漿力學(xué)性能和水化產(chǎn)物的影響，結(jié)果表明鐵礦砂滿足制備砂漿及混凝土的要求。

國內(nèi)外[9-12]的相關(guān)研究表明將尾礦廢石充當(dāng)混凝土骨料可實(shí)現(xiàn)綠色混凝土的途徑之一，并已制定GB 51032—2014鐵礦砂混凝土的技術(shù)規(guī)范，然而關(guān)于尾礦砂鋼纖維混凝土研究報(bào)道較少，本文采用鐵尾礦和鋼纖維制備一種綠色混凝土，探究尾礦替代率(20%，40%，50%，60%，80%，100%)和纖維摻量(0%，1%，1.5%，2%)對鋼纖維尾礦砂混凝土基本力學(xué)性能的影響，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物資源的循環(huán)再利用和豐富綠色混凝土制備。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及其基本性能

水泥：采用比表面積334 m2/kg的陜西秦嶺P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3.0 g/cm3，初凝時(shí)間110 min，終凝時(shí)間230 min，化學(xué)成分見表1。

粉煤灰：韓城大唐盛龍科技實(shí)業(yè)有限公司提供的Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為2.35 g/cm3，化學(xué)組成見表1。

粗骨料：采用粒徑5 mm～20 mm的涇陽山碎石，表觀密度為2.78 g/cm3，堆積密度為1.65 g/cm3。

天然砂：灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.74，含泥量為0.3%，表觀密度為2.59 g/cm3，堆積密度為1.53 g/cm3。

尾礦砂：采用陜西韓城市平海礦業(yè)有限公司提供的尾礦砂，細(xì)度模數(shù)約為1.3，平均粒徑為0.315 mm～0.15 mm，化學(xué)成分見表1，其中SiO2含量約70%，屬于高硅型鐵尾礦。鐵尾礦的主要礦物有云母、石英和角閃石。

表1 原料的化學(xué)成分 %

鋼纖維：采用蘇州龍宇鋼纖維有限公司生產(chǎn)的鋼纖維，長30 mm，直徑0.5 mm，長徑比為60，抗拉強(qiáng)度大于380 MPa。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，固含量為40%，減水率為30%，堿含量為6.5%，氯離子含量為0.18%。

拌合水：采用實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試塊成型和養(yǎng)護(hù)

本次試驗(yàn)按照GB/T 50107—2010混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)中材料制備的相關(guān)規(guī)定制備鋼纖維混凝土，配合比見表2。首先將水泥、粉煤灰和骨料(粗骨料和細(xì)骨料)干拌2 min，隨后加水?dāng)嚢? min，再加已備好的減水劑并攪拌5 min，此時(shí)混凝土漿體具備良好地黏聚性和流動性，最后將鋼纖維加入并攪拌5 min。鋼纖維混凝土漿料分兩層制備立方體試塊(150×150×150)和梁(400×100×100)試塊，每次振搗1 min，試件完成澆筑后做標(biāo)記并蓋上塑料薄膜以防止水分揮發(fā)。24 h拆模，放入濕度90%以上，溫度(20±3) ℃的養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到試驗(yàn)天數(shù)后取出并晾干，每組建筑試塊3個(gè)。

表2 制備方案

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

尾礦砂和天然砂按比例混合后細(xì)度模數(shù)的測定依據(jù)JGJ 52—92的規(guī)定；抗壓和劈裂試驗(yàn)參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，加載速度為0.4 MPa/s～0.5 MPa/s；抗彎試驗(yàn)采用JAW-500K型號的電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)加載，加載示意圖見圖1，加載速度0.05 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合細(xì)骨料顆粒級配和鋼纖維尾礦砂混凝土和易性

本次試驗(yàn)依據(jù)JGJ 52—2006普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，選取細(xì)度模數(shù)為2.8的天然石英砂和細(xì)度模數(shù)為1.1的尾礦砂制備混合細(xì)骨料，各替代率下混合細(xì)骨料的顆粒級配曲線見圖2a)。依據(jù)混合細(xì)骨料級配曲線知，兩條粗黑線曲線之間為2區(qū)級配的砂，當(dāng)篩分結(jié)果曲線圖中左上偏時(shí)表示砂的粒徑較細(xì)。由圖知：

1)尾礦砂替代率為80%和100%時(shí)，混合細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)會下降，屬于細(xì)砂；

2)尾礦砂替代率60%和40%時(shí)，粒徑0.315 mm以下的累計(jì)篩余結(jié)果較大，說明混合細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)偏小，制備時(shí)應(yīng)該適當(dāng)?shù)慕档蜕奥剩?/p>

3)尾礦砂替代率20%和0%時(shí)，混合細(xì)骨料的級配曲線分布在級配2區(qū)，是制備鋼纖維尾礦砂混凝土?xí)r的最佳比例。

圖2b)為本次試驗(yàn)測得的鋼纖維混凝土坍落度曲線。研究表明未摻鋼纖維的尾礦砂混凝土的坍落度值介于184 mm～223 mm，純尾礦砂組較純天然砂組降低13%；鋼纖維的摻入使得尾礦砂混凝土流動時(shí)的阻力增大，因此坍落度值降低，當(dāng)鋼纖維摻量為1%，1.5%和2%時(shí)的坍落度較純天然砂組降低12.4%，15.31%和17.34%。結(jié)果表明：

1)尾礦砂混凝土的坍落度因鐵尾礦的比表面積大，吸水率高等原因使得基體的和易性隨替代率的增加而降低，但尾礦砂的替代率為0%～60%時(shí)，材料的工作性滿足混凝土的制備要求。

2)鋼纖維的摻入使得尾礦砂混凝土的坍落度值降低，試驗(yàn)測得坍落度值最小為153 mm，滿足施工要求?；w中鋼纖維摻量越多，尾礦砂混凝土流動時(shí)阻礙越明顯，因此基體的流動性越差。

3)不同纖維摻量坍落度曲線在尾礦砂替代率為40%～60%時(shí)近乎平行，因此此區(qū)間替代率對混凝土和易性影響最小。

2.2 鋼纖維尾礦混凝土的力學(xué)性能

未摻鋼纖維的尾礦砂混凝土的破壞規(guī)律基本相同，隨著荷載逐漸增大并達(dá)到極限荷載，裂縫迅速出現(xiàn)并擴(kuò)展，當(dāng)裂縫貫通時(shí)混凝土表面發(fā)生剝落和掉渣，最終導(dǎo)致尾礦砂混凝土的碎裂狀破壞狀態(tài)，其具有典型的脆性破壞特征。鋼纖維的摻入明顯改善尾礦砂混凝土的破壞形態(tài)，當(dāng)荷載約為0.7倍極限荷載時(shí)，鋼纖維尾礦砂混凝土試件側(cè)面呈現(xiàn)輕微鼓脹和出現(xiàn)多條微裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，試件發(fā)生破壞但并未發(fā)生嚴(yán)重碎片脫落現(xiàn)象，其破壞具有塑性破壞的特征。圖3a)為混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量、尾礦砂替代率的強(qiáng)度變化曲線。結(jié)果表明鋼纖維摻量為1%～2%時(shí)，不同尾礦砂替代率混凝土的抗壓強(qiáng)度較對照組降低率為3.3%～18.3%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)椋轰摾w維的摻入影響水泥水化物與骨料的粘結(jié)效果；鋼纖維在基體中的搭接、交叉等現(xiàn)象使得其不能較好的與水泥漿體粘結(jié)并共同承擔(dān)外力；鋼纖維在尾礦砂混凝土中雜亂分布降低尾礦砂混凝土的密實(shí)度，并且隨纖維摻量的增大而變化顯著。

圖3b)和圖3c)為混凝土劈裂性能和抗彎性能隨鋼纖維摻量、尾礦砂替代率的強(qiáng)度變化曲線。由圖知當(dāng)尾礦砂替代率為0%～60%時(shí)，鋼纖維尾礦砂混凝土具有良好的抗裂與抗彎性能。由試驗(yàn)結(jié)果知：鋼纖維摻量為1%時(shí)，鋼纖維尾礦砂混凝土的抗劈裂性能和抗彎性能較素混凝土分別提高6%～12.5%和21.5%～37%；鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，鋼纖維尾礦砂混凝土的抗劈裂性能和抗彎性能較素混凝土分別提高15%～18%和74%～76%；鋼纖維摻量為2%時(shí)，鋼纖維尾礦砂混凝土的抗劈裂性能和抗彎性能能較素混凝土分別提高34.5%～44.6%和100%。結(jié)果表明:鋼纖維的摻入增強(qiáng)尾礦砂混凝土破壞后的整體性，限制荷載作用下裂縫的擴(kuò)展，提高基體的抗劈裂性能和抗彎性能；尾礦砂替代率約為40%～60%時(shí)，鋼纖維尾礦砂混凝土呈現(xiàn)良好的抗劈裂性能和抗彎性能。

2.3 鋼纖維尾礦混凝土的增強(qiáng)機(jī)理

根據(jù)纖維間距理論，鋼纖維從三個(gè)方面強(qiáng)化尾礦砂混凝土的抗彎性能和抗劈裂性能：鋼纖維的前期的阻裂效應(yīng)主要體現(xiàn)在尾礦砂混凝土硬化時(shí)的水化收縮和減輕尾礦砂混凝土在加載初期原生裂縫的擴(kuò)展，減少基體在彈性階段裂縫的數(shù)量，見圖4a)；隨著荷載的增大，尾礦砂混凝土內(nèi)的裂縫逐漸增大并在其附近產(chǎn)生新的微裂縫，如圖4b)所示，此時(shí)，鋼纖維較大的剛度和良好的延伸率可分擔(dān)外部荷載，減弱外部荷載對尾礦砂混凝土基體的破壞；隨荷載的繼續(xù)增大及至極限值時(shí)，尾礦砂混凝土的抗拉強(qiáng)度及基體與鋼纖維的粘結(jié)界面難以抵抗外載對其產(chǎn)生的拉應(yīng)力，進(jìn)而使得當(dāng)纖維被從基體中拔掉，最終導(dǎo)致試件變形加劇直至破壞，鋼纖維尾礦砂混凝土此階段的破壞形式及裂縫開展裝填如圖4c)所示。由于鋼纖維較高的剛度、良好的延伸率及其與水泥水化產(chǎn)物良好的粘結(jié)作用使得尾礦砂混凝土在荷載作用下延長縫隙向裂縫的擴(kuò)展時(shí)間和增大基體的變形，增強(qiáng)基體的韌性并使其呈現(xiàn)延性破壞特征。

3 結(jié)論

1)尾礦砂和天然砂按一定比例混合形成混合骨料的顆粒級配和細(xì)度模數(shù)滿足混凝土的制備要求，且有變廢為寶和保護(hù)自然的作用。

2)尾礦砂的替代率為0%～60%時(shí)，尾礦砂摻量對混凝土的物理力學(xué)性能的影響并不顯著。鑒于尾礦砂的有效使用和混凝土的流動性及基本力學(xué)性能，建議尾礦砂的替代率為40%～60%。

3)鋼纖維在尾礦砂混凝土基體中雜亂分布改善基體的破壞形態(tài)，增強(qiáng)基體的韌性和抑制其裂縫的擴(kuò)展，建議鋼纖維的體積摻量為1.5%。