田爾布，康海鑫，連躍宗

（1.三明學院 福建省工程材料與結(jié)構(gòu)加固重點實驗室，福建 三明 365004；2.浙江工業(yè)大學 土木學院，浙江 杭州310014）

鐵尾礦是一種工業(yè)廢渣，是經(jīng)過選礦之后形成的品位較低的以硅酸鹽礦物為主的廢渣[1]。鐵尾礦主要以尾礦庫形式進行堆存，對生態(tài)環(huán)境帶來很大影響，也給礦企帶來生存壓力，所以進行鐵尾礦的資源化綜合利用是迫切問題[2]。根據(jù)相關(guān)研究和鐵尾礦特性，鐵尾礦可被用于改良酸性土壤、制備陶瓷地板磚和墻面磚、加氣混凝土制品、回填料、人工魚礁混凝土、超高性能混凝土等[3-8]。

鐵尾礦組成礦物以石英、氧化鋁和鐵的氧化物為主，具有很高活性潛力[9]。隨著選礦工藝的改進，使得鐵尾礦粒徑越來越細，雖然限制了鐵尾礦的應用范圍，但是卻為鐵尾礦作為活性摻合料提供了可能性[10]。研究表明，機械力粉磨使鐵尾礦活性增強的主要原因是鐵尾礦顆粒尺寸迅速減小，機械能把顆粒晶體結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生的鐵尾礦微粉活性增高[11]。有研究表明，經(jīng)過研磨成粉末的鐵尾礦微粉與其他活性摻合料（如粉煤灰、礦渣粉）復摻對水泥混凝土強度和耐久性均有不同程度的影響[8,12]。但是單摻鐵尾礦微粉作為摻合料取代水泥的相關(guān)研究報道研究甚少。

本文將鐵尾礦微粉作為摻合料取代部分水泥應用于混凝土，研究鐵尾礦微粉對混凝土的力學性能影響，為鐵尾礦微粉的資源應用提供借鑒。

1 原材料與試驗

1.1 鐵尾礦微粉

鐵尾礦微粉來自福建省三明市大田縣湯泉鐵礦廠。根據(jù)最新標準檢測方法測得鐵尾礦微粉的物理化學指標如表1～2。

表1 鐵尾礦微粉的物理指標

表2 鐵尾礦微粉的放射性檢驗結(jié)果

利用激光粒度儀（Mastersizer2000）測試鐵尾礦微粉的粒徑分布，測試結(jié)果如圖1。

圖1 鐵尾礦微粉的粒徑分布

鐵尾礦微粉的粒徑主要分布在1～100 m之間，集中分布45 μm以下。

利用掃描電子顯微鏡對鐵尾礦微粉進行形貌掃描，如圖2所示，可以看到形狀各異，基本無圓形、片狀、針狀顆粒，顆粒棱角明顯。

圖2 放大5000倍的鐵尾礦微粉形貌

1.2 水泥

本研究所用的紅獅P·O42.5R水泥是由福建省三明市大田紅獅水泥公司生產(chǎn)的。其主要的技術(shù)指標均滿足國家的標準規(guī)范要求，具體主要指標和化學成分如表3～4。

表3 紅獅牌P·O42.5R水泥的主要參數(shù)指標

表4 紅獅牌P·O42.5R水泥的主要化學成分

水泥顆粒的粒徑分布如圖3。對比圖1與圖3可以看出，鐵尾礦微粉顆粒比水泥顆粒細。鐵尾礦微粉中，粒徑小于10 m的顆粒占總數(shù)的 60%左右；而水泥中，粒徑小于10 m的顆粒占總數(shù)的45%左右。

圖3 水泥的粒徑分布

1.3 標準砂

標準砂為廈門艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)的ISO標準砂。

1.4 細集料

細集料均為天然河沙，屬于中砂，其主要的技術(shù)指標均滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準(JGJ52-2006)》相關(guān)標準要求，具體的指標如表5。

表5 細集料的主要參數(shù)指標

1.5 粗集料

粗集料為5～10 mm和10～30 mm兩種顆粒級配的碎石按7∶3的比例合配成5～30 mm的連續(xù)級配，并測得碎石的表觀密度為：2 661 kg/m3，堆積密度為1 480 kg/m3，計算得到的空隙率約為42%。碎石的分級篩余和合成級配的累計篩余如表6所示，合成級配曲線如圖4所示，該級配粗集料多，在混凝土里易形成骨架結(jié)構(gòu)。

圖4 碎石的合成級配曲線

表6 合成后的石子篩余情況

1.6 減水劑

試驗所用的減水劑采用福建省建筑科學研究院生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為35%，其各項性能滿足《混凝土外加劑（GB/T8076-2008）》的相關(guān)技術(shù)要求。

1.7 水

自來水，滿足《混凝土用水標準（JGJ63-2006）》要求。

1.8 試驗方法

水泥凈漿流動度試驗：試驗按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法（GB/T8077-2012）》進行測試。

水泥膠砂強度試驗：試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）（GB/T17671-1999）》進行測試。本試驗使用YAW-300微機控制抗折抗壓試驗機進行試驗。

新拌鐵尾礦微粉混凝土成型及混凝土抗壓抗折試驗：抗壓試驗成型采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試模，標準養(yǎng)護（溫度在（20±2）℃、相對濕度在95%的條件下）7、28 d；抗折試驗成型采用150 mm×150 mm×450 mm的長方體試模，標準養(yǎng)護（溫度在（20±2）℃、相對濕度在95%的條件下）7、28 d。本試驗采用YAW-2000B微機控制電液式壓力試驗機進行混凝土抗壓試驗,另外采用WAW-2000B微機控制電液伺服萬能試驗機進行混凝土抗折試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦微粉對水泥凈漿流動度的影響

鐵尾礦微粉摻量（等量取代水泥）與減水劑摻量會對混凝土的流動性產(chǎn)生重大影響，二者的兼容性直接影響混凝土的坍落度測試值。通過水泥凈漿流動度的試驗方法，確定最佳減水劑摻量。本試驗鐵尾礦微粉的摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%、30%；減水劑的摻量 （與水泥質(zhì)量之比） 分別為：0%、0.4%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%。試驗結(jié)果如下圖5。

圖5 水泥凈漿流動度的試驗結(jié)果

從圖5可以看出，隨著減水劑摻量的增加，水泥凈漿流動度整體呈先上升后穩(wěn)定趨勢。盡管鐵尾礦微粉的摻量不同，水泥凈漿流動度趨勢沒有明顯變化，說明鐵尾礦微粉摻量在30%以內(nèi)，鐵尾礦微粉與減水劑之間的兼容性良好。當減水劑摻量達0.9%時，不摻鐵尾礦微粉的水泥凈漿流動度首先達到最大值；鐵尾礦微粉摻量越大，流動度相對小一點，但是在減水劑摻量達到1.2%時，均達到最大值，說明鐵尾礦微粉摻量對凈漿流動度具有一定影響。對于后續(xù)試驗，當鐵尾礦微粉摻量在30%范圍內(nèi)，減水劑摻量在1.2%時為最佳摻量。

2.2 鐵尾礦微粉對水泥膠砂強度的影響

圖6～7為標準養(yǎng)護條件下，不同鐵尾礦微粉摻量的水泥膠砂抗折、抗壓強度的影響曲線。

圖6 鐵尾礦微粉對水泥膠砂抗折強度的影響

圖7 鐵尾礦微粉對水泥膠砂抗壓強度的影響

由圖6～7可知，在標準養(yǎng)護條件下，隨著標準養(yǎng)護時間的增加，水泥膠砂抗折、抗壓強度都呈增長趨勢；但是在相同的標準養(yǎng)護時間下，隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，水泥砂漿抗折、抗壓強度有小范圍的波動，但是總體呈下降趨勢。不管鐵尾礦微粉的摻量多少，3、7 d屬于早期強度，均比較低，28、56 d屬于后期強度，均有明顯增長。但是隨著鐵尾礦微粉的摻量增加，特別是早期強度的下降速率明顯，3d的抗折、抗壓強度下降最大的分別達到53%、47%，7 d的抗折、抗壓強度下降最大的分別達到26%、42%；而后期強度下降速率較小，28d的抗折、抗壓強度下降最大的為16%、36%，56 d的抗折、抗壓強度下降最大的為15%、29%。隨著齡期增長，膠砂的抗折、抗壓強度整體下降幅度減少，說明鐵尾礦微粉可能參與二次水化作用，使膠砂在后期強度增長上得到補償。

根據(jù)圖7中鐵尾礦微粉30%取代水泥的抗壓強度，計算可知測得鐵尾礦微粉7d活性指數(shù)（《礦物摻合料應用技術(shù)規(guī)范》（GBT 51003-2014））為57%（＞55%），達到礦物摻合料活性指數(shù)二級；28d活性指數(shù)為63%（＜65%），未達到礦物摻合料活性指數(shù)二級。

2.3 鐵尾礦微粉對混凝土力學性能的影響

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程（JGJ55-2011）》設計要求，水灰比取0.37，膠凝材料用量為390kg/m3，鐵尾礦微粉摻量分別為10%、20%、30%。力學試驗配合比及強度如表7所示。

表7 混凝土力學試驗配合比及強度

2.3.1 鐵尾礦微粉對混凝土抗折試驗的影響

鐵尾礦微粉摻量在0%～30%的變化范圍內(nèi)對混凝土抗折強度的試驗結(jié)果如表7、圖8所示。

圖8 不同鐵尾礦微粉摻量下的混凝土抗折強度

由表7、圖8可知，標準養(yǎng)護的齡期為7、28 d，摻有鐵尾礦微粉的混凝土抗折強度均低于普通混凝土，且隨著鐵尾礦微粉摻量增大，抗折強度逐漸減??；另外，隨著鐵尾礦摻量增加，由7～28 d齡期的抗折強度增長幅度由不摻鐵尾礦的1.2 MPa下降至摻量30%的1.03 MPa，但是7～28 d的后期抗折強度增長率由沒摻鐵尾礦的29.6%增長到33%。說明鐵尾礦微粉的摻量對混凝土抗折強度雖然影響明顯，但是由于鐵尾礦微粉可能參與二次水化反應，使其后期強度得到更多的增長補償。

2.3.2 鐵尾礦微粉對混凝土抗壓試驗的影響

鐵尾礦微粉摻量在0%～30%的變化范圍內(nèi)對混凝土抗壓強度的試驗結(jié)果如表7、圖9所示。

圖9 不同鐵尾礦微粉摻量下的混凝土抗壓強度

通過表7、圖9可知，7 d混凝土抗壓強度大于30 MPa，28 d混凝土抗壓強度大于40 MPa。與抗折強度類似，不同鐵尾礦微粉摻量的混凝土抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增長；隨著鐵尾礦微粉摻量提高，混凝土抗壓強度總體呈現(xiàn)減小趨勢，但是鐵尾礦微粉混凝土后期的抗壓強度增長率逐漸提高，主要是因為鐵尾礦微粉參與了二次水化反應。圖9同樣說明鐵尾礦微粉摻量對混凝土抗壓強度雖然影響明顯，但后期強度因為鐵尾礦微粉可能參與二次水化反應而得到更大程度的增長補償。

2.3.3 鐵尾礦微粉對混凝土抗折/抗壓強度之比的影響

由圖10可以看出隨著鐵尾礦微粉的摻量增大，7、28 d的抗折與抗壓強度之間比值整體均呈下降趨勢。鐵尾礦摻量為0%、10%時抗折與抗壓強度之間比值最大，均約11.2%。

圖10 混凝土抗折/抗壓強度之比

混凝土抗折強度主要來自于凈漿粘結(jié)強度，而抗壓強度除了來自于凈漿粘結(jié)強度外，骨料的骨架結(jié)構(gòu)對抗壓強度產(chǎn)生有利影響。隨著鐵尾礦微粉的摻量增加，混凝土粘結(jié)強度會逐步降低，同時由圖4可知本研究的級配為骨架結(jié)構(gòu)，因此隨著鐵尾礦微粉的摻量增加到10%以上時，混凝土抗折強度的下降速度大于抗壓強度的下降速度，結(jié)果如圖10所示：當鐵尾礦微粉摻量大于10%時，抗折強度與抗壓強度的比值呈現(xiàn)明顯下降趨勢。

3 結(jié)論

通過鐵尾礦微粉取代部分水泥，進行水泥凈漿流動性試驗，水泥膠砂強度、混凝土力學性能試驗的測試與分析，可得3點結(jié)論。（1）鐵尾礦微粉摻量對凈漿流動度具有一定影響，當鐵尾礦微粉摻量在30%范圍內(nèi)，高效減水劑摻量在1.2%時為最佳摻量。（2）在相同的標準養(yǎng)護時間下，隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，整體呈下降趨勢；鐵尾礦微粉參與二次水化作用，使膠砂抗折、抗壓后期強度得到補償性增長。7 d活性指數(shù)達到礦物摻合料活性指數(shù)二級；28 d活性指數(shù)未達到礦物摻合料活性指數(shù)二級。（3）隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，混凝土的抗折、抗壓強度呈減小趨勢；鐵尾礦微粉摻量超過10%時，混凝土抗折強度的下降速度大于抗壓強度的下降速度，抗折強度與抗壓強度的比值呈現(xiàn)明顯下降趨勢。