尾矿砂高性能混凝土力学性能的研究

段国伟， 林双艮， 张亮

（1.河北建研工程技术有限公司，石家庄 050227；2.河北省固废建材化利用科学与技术重点实验室，石家庄 050227；3.北京华夏建龙矿业科技有限公司，北京 100070）

0 引言

我国铁矿资源丰富，多年开采积累了大量铁尾矿。截止2016年，全国铁尾矿总堆存量超过100亿吨，其中当年总产生量7.98亿吨，而河北省就占到了41%，位居第一[1]。

目前国内外能大宗消纳铁尾矿砂，处理工艺成熟又不产生二次污染最佳途径就是将其应用在预拌混凝土中作细集料[2-5]。如果把铁尾矿砂利用与大规模的预拌混凝土生产结合起来，既解决了铁尾矿砂的综合利用问题，又缓解了混凝土行业天然砂资源的匮乏压力，存在很大的研究利用价值。虽然国家已经开始力推铁尾矿砂资源的循环再利用，但因不同地区不同类型矿床产生的尾矿成分、粒形、石粉含量等差异较大，限制了铁尾矿砂在混凝土中的应用[6-9]。因此有必要针对区域内的铁尾矿砂资源开展性能调查及其在混凝土中的应用研究，推动区域内铁尾矿资源的应用，解决环境污染问题，促使企业实现可持续发展、产生可观的经济效益。

1 试验原材料与试验方法

1.1 试验原材料

试验室自来水；石家庄曲寨水泥有限公司生产的P·O42.5水泥；金泰成公司生产的S95级矿渣粉比表面积429kg/m2活性指数101%；凝灰岩；石灰岩；标准砂。

1.2 试验方法

（1） 用自制条形孔筛把机制砂中的片状颗粒筛出，再与无片状颗粒的机制砂混合，使片状颗粒含量分别为0%、10%、20%、30%用于胶砂试验，分析片状颗粒含量对胶砂和混凝土流动性与强度的影响。

（2） 设计不同掺量石粉配合比及胶砂流动度试验结果，研究不同石粉掺量对胶砂抗折抗压强度影响。

（3） C30基准混凝土配合比：水泥286kg、粉煤灰123kg、机制砂773kg、石粉含量4%、碎石984kg、水185kg、减水剂4.09kg；C35基准混凝土配合比：水泥328kg、粉煤灰82kg、机制砂731kg、石粉含量8%、碎石1053kg、水 168kg、减水剂 4.1kg。

2 试验结果及分析

2.1 机制砂片状颗粒含量对胶砂和混凝土流动性与强度的影响

文中用自制条形孔筛把机制砂中的片状颗粒筛出，再与无片状颗粒的机制砂混合，使片状颗粒含量分别为0%、10%、20%、30%用于胶砂试验，配合比如表1，在W/B=0.5、W/B=0.45时，采用凝灰岩和石灰岩机制砂做胶砂流动度和强度实验，其流动度如表2所示。

表1 胶砂配合基准比

表2 片状颗粒含量对砂浆流动度的影响

表2为砂浆在0.5、0.45两种水胶比条件下不同片状颗粒含量对凝灰岩、石灰岩流动度试验，结果表明随着片状颗粒的增加，两种砂浆流动度均减小，并且凝灰岩减少幅度高于石灰岩砂浆减小幅度；两种砂浆，水胶比越小流动性减少幅度越大；由于颗粒容易聚集到一起，降低了砂浆的均匀性，砂浆流动性变差，随着片状颗粒增加，流动性减小越明显；由于石灰岩颗粒表面光滑，凝灰岩颗粒由于静电作用，颗粒表面吸附更多细颗粒，导致石灰岩砂浆流动性高于凝灰岩砂浆流动性。

表3为不同片状颗粒含量对石灰岩与凝灰岩机制砂C30与C35混凝土坍落度影响，从同强度混凝土坍落度来看，随着片状颗粒含量的增加，两种混凝土的坍落度均减小，C35混凝土坍落度降低幅度小于C30混凝土坍落度幅度。图1为在不同片状颗粒对相同流动度下用水量拟合曲线，片状颗粒与用水量之间明显为线性关系，相关系数为0.9956，表明相关程度较高。由试验可得，保持相同流动性，每增加10%的片状颗粒，增加的用水量基本在0.45g左右。

表3 不同片状颗粒含量对机制砂C30、C35混凝土坍落度影响

图1 不同含量片状颗粒对不同机制砂C30、C35混凝土坍落度影响拟合曲线

表4、表5为W/B=0.5时不同掺量片状颗粒，石灰岩与凝灰岩砂浆3、28d砂浆抗折、抗压强度试验结果，对于两种岩型的机制砂来说，随着片状颗粒的增加，砂浆的抗折与抗压强度不断下降趋势，在片状颗粒掺量为0%时，石灰岩砂浆的强度略高于凝灰岩砂浆，但是随着片状颗粒掺量的增加，凝灰岩强度略高于石灰岩。由于凝灰岩片状颗粒表面比石灰岩比表面颗粒粗糙，导致凝灰岩砂浆抗折与抗压强度略高于石灰岩砂浆强度。因此混凝土用机制砂一定要控制其片状颗粒含量，否则会影响混凝土力学性能，针对凝灰岩机制砂中片状颗粒宜在10%以下。

表4 凝灰岩片状颗粒掺量对砂浆强度影响（水胶比为0.5）

表5 石灰岩片状颗粒掺量对砂浆强度影响（水胶比为0.5）

表6为W/B=0.45时不同含量片状颗粒，石灰岩与凝灰岩砂浆3、28d砂浆抗折、抗压强度，不同片状颗粒对砂浆强度的影响试验结果。由表4～表6可得水胶比为0.45的砂浆强度高于水胶比为0.5砂浆的强度。主要原因是水胶比降低，增加了砂浆中空隙含量，提高了砂浆强度。

表6 片状颗粒含量对凝灰岩浆强度影响（水胶比为0.45）

表7、表8为不同片状颗粒对石灰岩与凝灰岩C30、C35混凝土3、28d抗压强度影响的试验结果表明，随着片状颗粒的增加，两种混凝土的3、28d强度不断降低，另外凝灰岩机制砂混凝土强度略高于石灰岩混凝土强度。是由于片状颗粒的机制砂强度比规则的机制砂强度低，而且与片状颗粒的定向排列也有关系，随着片状颗粒的增加，片状颗粒在浆体中定向排列，使得砂浆中空隙增加，导致砂浆强度增加。

表7 针片状颗粒含量对石灰岩C30、C35混凝土强度影响

表8 针片状颗粒含量对凝灰岩C30、C35混凝土强度影响

2.2 不同含量石粉对砂浆流动性、混凝土强度影响

表9是不同掺量凝灰岩石粉配合比设计及胶砂流动度试验结果，随着石粉掺量的增加，胶砂流动度从168mm降低到150mm。表10是不同石粉掺量对胶砂抗折抗压强度影响结果，随着掺量增加，砂浆的7、28d强度逐渐降低，在石粉掺量为10%以内，掺加了凝灰岩石粉的胶砂比不掺加石粉的强度降低幅度很小，为了保证机制砂有较好的级配，必须含有一定量的石粉，减少混凝土的泌水、提高混凝土的和易性。并且，机制砂在制备过程中，石粉不可能100%去除，在尽量降低石粉量对砂浆流动性与强度影响前提下，机制砂中保留10%以内的石粉，还能优化机制砂去除粉体工艺，降低机制砂制备成本。表11是不同石粉含量对C30、C35混凝土流动性影响实验结果，随着石粉掺量增加，混凝土坍落度与扩展度不断降低，但是石粉掺量为4%、8%时候，坍落度与扩展度降低幅度很小，大于8%时候，混凝土的坍落度与扩展度降低幅度增高。另外，同条件下相比，C35坍落度与扩展度降低幅度大于C30混凝土坍落度与扩展度值。由于凝灰岩石粉的需水量比大于石灰石粉与粉煤灰，使得浆体在相同用水量的情况下，需要的水量更多；其次随着凝灰岩石粉加入，砂浆与混凝土的浆体粘度增加，初始流动度、扩展度减小。

表9 胶砂配合比与胶砂流动度

表10 不同石粉掺量对胶砂强度的影响

表11 不同石粉含量对混凝土流动性影响

表12、表13是不同石粉掺量凝灰岩混凝土对3、7、28d强度的影响，随着石粉掺量的增加，混凝土强度值增加，再降低，在石粉掺量为10%与12%时，两种混凝土强度达到最大，其中C30混凝土强度最大值：3d为 20.2MPa、7d 为 46.6MPa、28d 为 55.2MPa，与石粉掺量为10%时差值很小，C35混凝土强度值最大值，3d为 20.1MPa、7d 为 46.9MPa、28d 为 54.1MPa。由于凝灰岩石粉在砂浆与混凝土中主要起到掺合料作用，由于凝灰岩石粉的活性较低，在水泥水化早期，石粉主要为惰性掺合料，起到微集料填充效应，在C30与C35高水胶比的情况下，对后期砂浆与混凝土强度贡献较小；另外由于石粉需水量比大，石粉在浆体不能有效地分散均匀，导致砂浆与混凝土强度降低。

表12 不同石粉掺量对C30混凝土强度影响

表13 不同石粉掺量对C35混凝土强度影响

3 结语

（1） 机制砂的片状颗粒含量会使拌合物粘滞力增大，流变性能变差，导致混凝土和易性差，坍落度降低。

（2） 随着片状颗粒的增加，砂浆的抗折与抗压强度不断下降；在石粉掺量为0%时，石灰岩砂浆的强度略高于凝灰岩砂浆，但是随着石粉掺量的增加，凝灰岩强度略高于石灰岩；水胶比为0.45的砂浆强度明显高于水胶比为0.5强度。

（3） 凝灰岩石粉掺量为10%与12%时，混凝土强度达到最大。