王子龍，翟文周，潘金敢，趙鋒

（南京中聯(lián)混凝土有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

鐵尾礦是選礦后的工業(yè)固體廢棄物，隨著我國工業(yè)化的迅速發(fā)展，鐵尾礦的產(chǎn)量與日俱增，已成為主要的工業(yè)固體廢棄物[1]。

國內(nèi)外有關(guān)鐵尾礦混凝土的研究較多，但大多集中于實驗室室內(nèi)研究，規(guī)模較小，現(xiàn)場應(yīng)用研究較少，鐵尾礦利用率低。此外，各礦區(qū)尾礦品質(zhì)參差不齊，物化性質(zhì)差異大，配制的混凝土性能差別明顯，研究結(jié)果具有一定的獨特性。試驗使用閃長玢巖骨料大摻量（50%和100%）替代石灰?guī)r骨料配制C30和C40混凝土，對混凝土工作性能、力學(xué)性能以及骨料吸水率展開研究，目的是為了提高鐵尾礦二次資源無害化利用率，降低商品混凝土的生產(chǎn)成本，為鐵尾礦骨料混凝土大規(guī)模應(yīng)用于實際工程提供理論指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗原料

水泥采用南京中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的52.5普通硅酸鹽水泥，實測3 d抗壓強(qiáng)度為35.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為56.6 MPa；粉煤灰采用南京華能粉煤灰有限公司生產(chǎn)的F類級灰，45 m篩篩余量為7.5%，需水量比為94%，活性指數(shù)為81%；礦粉采用馬鞍山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的S95礦粉，3 d活性指數(shù)為73%，28 d活性指數(shù)為98%；試驗用砂為混合砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，級配Ⅱ區(qū)；對照組碎石采用安徽石灰?guī)r骨料（L1和L2），鐵尾礦碎石采用安徽閃長玢巖骨料（D1和D2）；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸類高效減水劑；拌合水取自實驗室普通自來水。

圖1為D1和L1碎石粒徑分布，圖2為D2和L2碎石粒徑分布，可知D1和L1碎石都接近于5~31.5 mm連續(xù)級配，但大顆粒較多。L2碎石屬于5~16 mm連續(xù)級配，D2碎石接近于5~16 mm連續(xù)級配。

圖1 D1和L1碎石粒徑分布

圖2 D2和L2碎石粒徑分布

閃長玢巖D1和D2碎石的主要化學(xué)組成見表1，由于只存在破碎粒徑的不同，兩者化學(xué)組成基本沒有差異，主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3等。圖3為閃長玢巖碎石粉末的X射線衍射圖譜，由圖3可知，閃長玢巖中的主要晶相有長石、方解石、磁鐵礦、綠泥石、石英和透閃石。

表1 閃長玢巖碎石化學(xué)組成

圖3 閃長玢巖碎石晶相組成

1.2 混凝土配合比

C30和C40混凝土具體試驗配合比見表2、3。

表2 C30混凝土配合比 單位：kg/m3

1.3 試驗方法

按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 52—2006對試驗用砂、石的顆粒級配（細(xì)度模數(shù)）、吸水率進(jìn)行測試；按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080—2016對新拌混凝土的坍落度進(jìn)行測試；按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019對混凝土進(jìn)行攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度測試。

2 試驗結(jié)果與討論

表3 C40混凝土配合比 單位：kg/m3

2.1 鐵尾礦骨料對混凝土坍落度的影響

混凝土良好的和易性和流動性是保證施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵，圖4和5分別為20°C下C30和C40混凝土在2 h內(nèi)的坍落度及其擬合曲線，表4和5分別為兩類混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)。

圖4 C30混凝土坍落度（20 °C）

圖5 C40混凝土坍落度（20 °C）

表4 C30混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)（20 °C）

表5 C40混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)（20 °C）

由圖4、5可知：C30和C40混凝土流動性良好，初始坍落度大于190 mm和210 mm，隨著靜置時間的延長和閃長玢巖骨料摻量的增加，坍落度總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但2 h后坍落度大于150 mm和180 mm，滿足C30和C40混凝土坍落度要求。閃長玢巖粗骨料在飽水12 h后可顯著改善混凝土的流動性，C30WD1100%和C40WD1100%D2100%初始坍落度分別為220 mm和230 mm，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別增大約15.8%和9.5%，2 h后的坍落度分別為180 mm和200 mm，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別增大約20.0%和11.1%。C30混凝土流動性從大到小依次為C30WD1100%＞C30＞C30D50%＞C30D1100%，C40混凝 土流動性從大到小依為C40WD1100%D2100%＞C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%，兩類混凝土漿體包裹性良好，不存在泌水和離析現(xiàn)象，具有良好的粘聚性和保水性。

2.2 鐵尾礦骨料對混凝土力學(xué)性能的影響

抗壓強(qiáng)度是評價混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)，良好的抗壓強(qiáng)度是安全施工的保障。圖6和7分別為C30和C40混凝土在20°C標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。摻入閃長玢巖骨料會略微降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，且隨著摻量的增加降低幅度增大，其中閃長玢巖骨料飽水12 h后混凝土強(qiáng)度降低明顯，但隨著齡期的延長降低幅度逐漸減小，所有混凝土的抗壓強(qiáng)度都保持穩(wěn)定增長，滿足C30和C40混凝土強(qiáng)度要求。

圖6 C30混凝土抗壓強(qiáng)度（20 °C）

圖7 C40混凝土抗壓強(qiáng)度（20 °C）

由圖6和7可知：C30D1100%和C40D1100%D2100%在28 d抗壓強(qiáng)度分別為40.3 MPa和45.7 MPa，較準(zhǔn)組分別降低約6.9%和3.6%。C30WD1100%和C40WD1100%D2100%在28 d抗壓強(qiáng)度分別為35.5 MPa和44.3 MPa，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別降低約11.91%和3.06%，主要原因是飽水12 h后儲存在碎石里的水量在拌和混凝土?xí)r增加了體系的水膠比，從而降低了混凝土的強(qiáng)度。C30混凝土抗壓強(qiáng)度從大到小依次為C30＞C30D50%＞C30D1100%＞C30WD1100%，C40混凝土抗壓強(qiáng)度從大到小依次為C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%＞C40WD1100%D2100%。實際生產(chǎn)中可采用飽水、預(yù)潤濕或噴淋工藝改善混凝土的工作性能，采用外加劑或優(yōu)化配合比技術(shù)提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

2.3 鐵尾礦骨料微觀結(jié)構(gòu)與吸水率

坍落度和抗壓強(qiáng)度試驗表明混凝土的力學(xué)性能和工作性能與骨料的吸水率密切相關(guān)，圖8為20 °C下閃長玢巖碎石在不同飽水時間的吸水率，表6為吸水率測試曲線擬合結(jié)果。由圖8可知，D1和D2碎石的吸水率都隨飽水時間的增加逐漸增大直至達(dá)到飽和狀態(tài)，相同飽水時間內(nèi)D2碎石的吸水率明顯高于D1，飽水24 h后D2碎石的吸水率約為2.05%，較D1增大約15.2%。

圖8 閃長玢巖碎石吸水率（20 °C）

表6 閃長玢巖碎石吸水率曲線擬合結(jié)果（20 °C）

骨料的吸水率與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，碎石所含孔體積越大吸水率及飽和吸水量越高[2-3]。閃長玢巖碎石內(nèi)部存在大量孔隙和縫隙結(jié)構(gòu)為其吸水提供了更多途徑，使其具有一定的吸水率。D2碎石吸水率略高于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅱ和Ⅲ類粗骨料要求（≤2%），對混凝土的工作性能和力學(xué)性能無明顯影響，而最新GB/T 14685的征求意見稿中已將Ⅲ類粗骨料的吸水率規(guī)定為≤3.0%，高吸水率骨料也可應(yīng)用于預(yù)拌混凝土，通過配合比優(yōu)化和外加劑使用達(dá)到配制混凝土的技術(shù)要求，鐵尾礦骨料可應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）C30和C40混凝土具有良好的流動性和抗壓強(qiáng)度，初始坍落度最小值分別為190 mm和210 mm，2 h后的坍落度最小值分別為150 mm和180 mm，20 °C標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d抗壓強(qiáng)度最小值分別為35.5 MPa和44.3 MPa，滿足C30和C40混凝土坍落度和強(qiáng)度要求。

（2）閃長玢巖骨料飽水后可顯著改善混凝土的流動性，但降低抗壓強(qiáng)度，實際生產(chǎn)中可采用飽水、預(yù)潤濕或噴淋工藝改善混凝土的工作性能，采用外加劑或優(yōu)化配合比技術(shù)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（3）閃長玢巖骨料內(nèi)部大量的孔隙和縫隙結(jié)構(gòu)使其具有一定的吸水率，且顆粒粒徑越小，骨料吸水率越高，吸水率變化也越大，D2碎石24 h的吸水率約為2.05%，略高于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅲ類粗骨料要求（≤2%），但對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響不大，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)，實現(xiàn)鐵尾礦二次資源化利用。