铁尾矿砂对道路混凝土路用性能的影响

庄园

摘 要：研究并分析了铁尾矿砂的物理性能指标，并采用铁尾矿砂替代天然砂，用于道路混凝土的配制。研究了铁尾矿砂掺量对混凝土工作性、抗压强度、抗压弹性模量、抗弯拉强度、劈裂抗拉强度、抗渗性和干缩性能的影响。结果表明，随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土坍落度降低，粘聚性和保水性变差。抗压强度、抗压弹性模量、抗弯拉强度和劈裂抗拉强度逐渐降低，但降幅不大。铁尾矿砂粒度较细，粉尘含量较高，增加了混凝土的干缩应变，但提高了混凝土的抗渗性能。

关键词：铁尾矿砂；混凝土；路用性能；力学性能；干缩；抗渗

铁尾矿砂是选矿厂在铁矿分选作业过程中产生的固体废弃物之一，常采用尾矿库的形式进行堆存处理。尾矿库通常需筑坝拦截山谷口或在平地起坝，势能较高，在外界环境因素作用下，容易溃坝形成泥石流，威胁人民群众的生命和财产安全[1]。尾矿库占用了大量的土地资源。公开资料表明，截止2005年，我国尾矿库占用的土地资源达到1300万亩，而到2010年，该数字将上升到2300万亩[2，3]。尾矿若未经处理直接堆放于地表或者水源附近，其中的有害组分可能造成严重的水体污染。同时，铁尾矿砂颗粒较细，当尾矿库自然干涸后，表面的尾矿砂往往随风飘扬，严重污染了库区周围的气候。

2013年发布的《中国资源综合利用年度报告（2012）》指出[4]，2011年，我国尾矿产量为15.81亿吨，其中铁尾矿8.06亿吨；而同年的尾矿综合利用量为2.69亿吨，综合利用率为17%。若每吨铁尾矿砂所需的库区建设和运营管理费用按5元计[5]，每年则需投入近80亿元用于铁尾矿的维护。可见，将铁尾矿砂变废为宝进行综合利用，不仅具有良好的社会效益，而且具有巨大的经济效益。

公路工程通常需要消耗大量的建筑材料，特别是高路基工程通常需要消耗大量的土石方。若能将铁尾矿砂应用于道路工程，不仅可以消耗大量的尾矿，而且可以大量减少对河砂等自然资源的消耗，在降低公路工程造价的同时，具有良好的社会和环境效益。为此，文章采用铁尾矿砂替代天然河砂用于道路混凝土的配制，深入研究了铁尾矿砂掺量对道路混凝土路用性能的影响规律，可为铁尾矿砂在道路工程中的应用提供参考和依据。

1 试验原料及试验方法

1.1 试验原料

（1）水泥：南京中联水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，性能符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）的要求。3d抗压强度和抗折强度分别为25.3MPa和4.8MPa，28d抗压强度和抗折强度分别为49.1MPa和8.2MPa。

（2）粗集料：选用产自六合的玄武岩碎石，最大粒径为31.5mm，公称最大粒径为26.5mm，性能符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/T F30-2014）的相关要求。

（3）细集料：选用产自安徽的天然河砂，细度模数2.3，属中砂，性能符合《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/T F30-2014）的相关要求。

（4）减水剂：选用镇江特密斯混凝土外加剂有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，性能符合《混凝土外加剂》（GB8076-2008）要求。

（5）铁尾矿砂：取自南京市梁塘铁尾矿库，性能指标基本满足规范要求，但吸水率为3.07%。

1.2 试验方法

（1）配合比设计：道路混凝土的基准配合比设计遵循《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30-2003），设计弯拉强度标准值取5.0MPa，保证率系数取0.79，弯拉强度样本标准差取0.4MPa，弯拉强度变异系数取0.1。在确定基准配合比后，分别采用20%、40%和60%掺量的铁尾矿砂替代细集料，调整混凝土工作性，并研究铁尾矿砂掺量对混凝土力学性能的影响。试验采用的主要配合比见表1所示。

（2）试验方法：抗压强度、抗弯拉强度、抗压弹性模量、干缩性能和抗渗性能的测试，主要依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）。

2 试验结果与分析

2.1 铁尾矿砂性能分析及其掺量对混凝土工作性的影响

铁尾矿砂的性能基本满足规范的相关要求。但其吸水率较高，而规范的要求为不高于2%。铁尾矿砂颗粒较细，颗粒粒径的主要范围为0.075mm～0.6mm，级配较差。细度模数0.94，属特细砂，比表面积高于天然砂。同时，铁尾矿砂颗粒粗糙多棱角，不利于混凝土流动性提高。因此，在相同条件下，有可能导致混凝土拌合物粘聚性变差。

从表1可见，随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土拌合物的坍落度逐渐降低，保水性和粘聚性也逐渐变差。当铁尾矿砂掺量达到60%时，混凝土出现泌水，粘聚性差，混凝土工作性难以满足要求。为了改善混凝土的工作性，可通过增加单位用水量和胶凝材料用量、降低砂率、增加减水剂用量等方式进行调节。但《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30-2003）对用于面层的混凝土单位用水量进行了严格要求，采用滑膜摊铺机施工的碎石混凝土单位用水量不得高于160kg/m3，采用小型机具摊铺的碎石混凝土单位用水量不得高于150kg/m3。结合基准配合比的单位用水量及经济效益来看，本研究中铁尾矿砂掺量不宜高于40%。

2.2 铁尾矿砂掺量对混凝土力学性能的影响

不同铁尾矿砂掺量下，混凝土抗压强度、抗压弹性模量、抗弯拉强度和劈裂强度发展规律如图1所示。从图1可见，随着铁尾矿砂对天然砂取代率的增加，混凝土的力学性能呈现出一定的降低趋势，但总体上看，降低的幅度并不大。

由图1（a）可知，铁尾矿砂对混凝土早期抗压强度有一定影响，7d龄期时，掺入40%和60%铁尾矿砂混凝土的抗压强度比基准组分别降低了11.6MPa和13.4MPa，降幅分别为17.4%和20%。但在90d龄期时，降幅则分别为10.4%和8.0%。值得注意的是，掺入20%铁尾矿砂的混凝土试件，除7d抗压强度略有降低外，其他龄期的抗压强度基本与基准组相同。

由图1（b）可知，铁尾矿砂对混凝土的抗压弹性模量影响较小。由图1（c）和图1（d）可知，与基准混凝土相比，铁尾矿砂掺量为20%、40%、60%时，其抗弯拉强度在90d龄期的降幅分别为9.7%、9.5%和9.3%，而劈裂抗拉强度在90d龄期时的降幅分别为11.6%、12.6%和9.7%。

从材料组成上看，铁尾矿砂0.075mm通过率较高，一定程度上可以提高混凝土的致密性，有利于混凝土强度的提高。但铁尾矿砂中含泥量较高，且其颗粒粗糙、棱角较多，当掺量较高时，容易导致骨料与浆体分离产生离析。另一方面，铁尾矿砂密度明显高于天然河砂，增加了混凝土振捣时下沉的机率，这也导致了铁尾矿砂混凝土的强度低于普通混凝土。

2.3 铁尾矿砂掺量对混凝土干缩性能的影响

不同铁尾矿砂掺量下，混凝土的干缩应变随龄期的发展趋势如图2所示。从图2可知，当掺量较低时，铁尾矿混凝土与普通道路混凝土的干缩性能相似。但在较高的掺量下，混凝土的干缩应变显著增加。当铁尾矿砂掺量为60%时，稳定后的干缩应变比普通混凝土增加了10%。由于钢铁行业选矿工艺的原因，铁尾矿砂中具有较高的粉尘含量，在较高的铁尾矿掺量下，有导致混凝土干缩增加的潜在风险。

2.4 铁尾矿砂掺量对混凝土抗渗性能的影响

不同铁尾矿砂掺量下，混凝土的抗渗性能如图3所示。在低水胶比下，混凝土试件均较为密实，在规范要求的压力和时间内，未发生渗穿现象。因此，采用渗水高度对混凝土的渗透性进行衡量。由图3可见，铁尾矿砂的掺入对混凝土抗渗性的提高具有一定的促进作用，随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土的渗水高度由28.5mm逐渐降低为24mm。这主要归因于铁尾矿砂较高的粉尘含量，可对混凝土内的孔隙进行有效填充，减少大孔和联通孔隙数量，改善孔隙结构和分布情况。

3 结束语

文章对铁尾矿砂原料指标、铁尾矿砂混凝土的力学性能、干缩性能和抗渗性能进行了试验研究，得出如下结论：（1）铁尾矿砂粒度较细，0.075mm～0.6mm之间颗粒含量占73%，属特细砂范畴。铁尾矿砂吸水率较高，超过规范要求的2%，其他性能满足规范的要求。铁尾矿砂颗粒粗糙、棱角多，对混凝土工作性不利。当掺量较高时，容易导致混凝土产生离析和泌水现象。（2）当铁尾矿砂掺量较高时，混凝土7d龄期的抗压强度降幅较大，但90d龄期时的抗压强度降幅有所减小。铁尾矿砂对混凝土抗压弹性模量、劈裂强度和抗弯拉强度影响不大。本试验中，铁尾矿砂掺量为60%时，其抗弯拉强度仍满足规范要求的5.0Mpa。（3）随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土干缩应变逐渐增加，抗渗性能呈现提升的趋势。

参考文献

[1]吕庭刚.尾矿库安全现状综合评价[D].昆明：昆明理工大学，2005.

[2]史利芳，潘利祥，郭炜，等.尾矿综合利用及实例[J].中国矿业，2013，22（4）：137-141.

[3]陈 .我国尾矿问题分析与土地复垦综合利用[J].上海国土资源，2012，33（4）：76-79.

[4]中华人民共和国国家发展和改革委员会.中国资源综合利用年度报告（2012）[R].北京：中华人民共和国国家发展和改革委员会，2013：5-6.

[5]王兴义.铁尾矿砂水泥混凝土路用性能研究[D].大连：大连理工大学，2014.