不同取代类型铁尾矿混凝土抗压性能试验研究

李　涛,党　斌

(1.商洛学院陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛　726000；2.商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛　726000)



不同取代类型铁尾矿混凝土抗压性能试验研究

李涛1,2,党斌2

(1.商洛学院陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000；2.商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000)

摘要：为了合理地二次利用铁尾矿，设置了2种不同的取代工况，即利用磨碎的粉状铁尾矿取代水泥和利用铁尾矿砂取代细骨料，研究了不同取代率下铁尾矿混凝土的工作性能与抗压性能(3，7，28 d，棱柱体)。试验结果表明，适量的水泥取代率能够使混凝土的流动性能变强，使其各指标抗压强度均出现降低，龄期越大，降低幅度越小；细骨料取代工况下，混凝土的流动性能变差，掺量越高，流动性能损失越大，混凝土抗压强度随掺量的增加有先升高后降低的趋势；掺量为50%时，能获得较好的抗压性能。2种工况对棱柱体与立方体的抗压强度比值α1的影响大致相同，α1的取值为0.80～0.84。

关键词：复合建筑材料；铁尾矿混凝土；工作性能；破坏特征；抗压强度

随着工业与国民经济的迅速发展，矿产资源的利用量与日俱增。据统计，中国95%的能源以及85%的原材料均依赖于矿产资源[1]，这必然会导致矿产资源的过度开采，造成此过程中的必然产物尾矿的迅速堆积。据《中国资源综合利用年度报告(2014)》，截至2013年底，中国的尾矿堆存量已高达146亿t，尾矿年产量16.49亿t，其中铁尾矿的占有量高达50.88%。

改变粗放型的生产方式，变废为宝，充分发挥铁尾矿“二次资源”的特性[2]，已成为矿业资源可持续发展的重要途径[3]。铁尾矿重选[4]、铁尾矿回填[5]、铁尾矿砌块[6]、保温材料[7]等发展已相对比较成熟，而有关将铁尾矿掺入到混凝土中制备尾矿混凝土的研究相对还少，陈杏婕等[8]、陈梦义等[9]、崔孝炜[10]均进行了相关研究。

文中利用取代率的2种不同工况(取代水泥、取代细骨料)，研究在不同取代率下铁尾矿混凝土的流动性能及抗压性能，旨在为铁尾矿混凝土工程的实际运用打下理论基础。

1试验原材料

选用丹凤某水泥厂生产的PO42.5R级普通硅酸盐水泥；商洛某石场生产的人工碎石，粒径为5～31.5 mm，连续级配；细集料选用天然河砂与陕西柞水大峪山铁尾矿。铁尾矿的主要化学组成见表1，通过筛分试验，其粒度分布见表2。细集料级配良好，所选用的粗、细骨料均符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52-2006)要求。

表1　铁尾矿的主要化学成分组成

表2　试验用天然河砂与铁尾矿砂的粒度分布

2配合比设计

铁尾矿中SiO2的含量大于70%(质量分数)，属于富硅型铁尾矿。试验设计2种不同的方案：一种是利用铁尾矿中SiO2的活性，增大铁尾矿的表面积，即将其用球磨机粉磨后，取直径小于0.08 mm为目标产物取代水泥；另一种是经筛分后，直接取代细骨料，研究不同的取代率对混凝土工作性能和3，7，28 d立方体抗压强度与棱柱体抗压强度的影响规律。

依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，采用的水胶比为0.38，砂率为0.4，铁尾矿取代率均为质量比，其工况组合与配合比设计如表3所示。

表3　铁尾矿混凝土工况组合及配合比设计

3试验结果与分析

混凝土各部分经准确称量后，按粗骨料、水泥、细骨料、水的顺序人工搅拌，振动台振动成型，并在混凝土标准养护试验箱中养护至所需的龄期进行试验。每种工况制作试块4组，其中3组试块为100 mm×100 mm×100 mm，1组试块为150 mm×150 mm×300 mm，分别用来测定3，7，28 d立方体抗压强度与标准棱柱体抗压强度，立方体抗压强度采用换算系数0.95。严格按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行加载与测定，加载速率控制为0.3～0.5 MPa/s。

3.1工作性能

依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB 50080—2002)，坍落度与扩展度是表征混凝土工作性能的重要指标。但试验过程中，坍落度小于220 mm，因此，文中仅取坍落度来衡量铁尾矿混凝土的工作性能，其与铁尾矿的取代率的关系见表4与图1。

表4　铁尾矿不同取代率混凝土坍落度值

图1　铁尾矿不同取代率混凝土坍落度变化Fig.1　Iron tailings with different substitution 　　　rate variation of concrete slump

由表4及图1可知，铁尾矿取代水泥时，当取代率逐渐增大到45%时，坍落度增加最大，仅为6.5%；当取代率由45%增大到60%，坍落度反倒出现了相反的变化。究其原因，与混凝土的粘聚性有关，而混凝土的粘聚性主要由胶凝材料来决定。利用铁尾矿取代水泥，虽说铁尾矿具有一定的活性，但各项研究均表明，此活性需要碱性环境去激发[11-12]。因此，混凝土拌合完成后，其活性尚未被激发，因其为等量的取代水泥，致使水泥水化产生的胶凝物质相对较少，在一定程度上会减小混凝土的粘聚性，使其坍落度变大。如果取代率再变大(取代率由45%到60%)，则导致胶凝物质过少，保水性变差，使混凝土出现离析分层现象，使坍落度变小。

由表4与图1可知，铁尾矿取代细骨料时，随着取代率的增加，其坍落度呈现持续下降的趋势，但下降幅度不大。与普通混凝土相比，当取代率增加到100%时，其坍落度仅下降了8.7%。其原因是，铁尾矿粒径较细，相对应的比表面积大，需水量变大。当混凝土的水胶比不变时，实际上相对于铁尾矿混凝土的粘聚性增强，且掺量越高，增强的效果就越明显。

3.2破坏形态

试验过程中，控制加载速率为0.3～0.5 MPa/s，并维持基本恒定。试验过程中，各组试块的破坏规律大致相同，随着荷载的逐步增大，上、下两个底部的侧边缘基本对称位置处首先开裂，并伴随有开裂的“噼啪”声，继而裂缝向中心斜向发展，大致形成漏斗状而劈裂破坏。但水泥取代率工况下，混凝土呈现出脆性破坏的特点：裂缝一旦出现，就迅速开展；最终破坏时，裂缝出现的个数与主裂缝的宽度均比较大，脱落的破碎混凝土块要比细骨料取代率工况下的多，如图2所示。

图2　试块典型破坏形态Fig.2　Typical failure pattern of test block

3.3抗压力学性能

按照标准试验方法[13]，由YES-2000液压机对达到龄期的混凝土进行加载，可得到不同取代率作用下的抗压强度值，如表5所示。

表5　铁尾矿混凝土抗压力学性能试验结果

图3为各量值间的关系图。

图3　水泥取代率对抗压强度指标的影响Fig.3　Effect of cement replacement 　　　rate on compressive strength

由表5与图3可以看出，在相同龄期下，随着水泥取代率的增加，抗压强度指标均出现不同程度的下降趋势，但各水平下混凝土抗压强度下降的幅度不同。以0水泥取代率(NC)的混凝土为基准混凝土，当掺量由0增加到60%时，3，7，28 d，棱柱体的抗压强度指标分别下降32.1%，21.6%，9.8%和9.1%。由此可见，铁尾矿粉等量的取代水泥，致使其中早期的抗压强度指标下降较大，而后期强度下降的幅度会逐渐变小。究其原因，一方面由于铁尾矿的取代，中早期时生成的C-S-H凝胶有限，这是强度降低的直接原因；另一方面因中早期水泥水化形成的碱性环境相对有限，铁尾矿的活性尚未被激发，随着水化程度的逐步增加，碱性环境形成，铁尾矿的活性使后期的强度会出现一定程度的恢复。

图4为细骨料取代率与抗压强度之间的关系，可以看出，细骨料取代率对各水平下抗压强度的影响规律大致相同：当取代率较低(≤50%)时，各抗压强度均出现增加；随着掺量的再降低，反倒出现了不同程度的降低，但变化幅度均不大。以细骨料取代率为0(NC)为基准混凝土，当取代率由0增加到50%时，3，7，28 d、棱柱体的抗压强度指标分别增加11.8%，12.5%，3.5%，7.6%；当增加到100%时，相对最大值分别又下降了13.1%，11.4%，5.0%，6.6%，但与取代率为0时的强度相差不大。究其原因，铁尾矿的粒径较小，当掺量较少时，小粒径的铁尾矿可以填充普通细骨料的空隙，增大水泥石的密实度，使混凝土的抗压强度有所提高；当掺量大于50%时，铁尾矿占据了细骨料的大部分，其粒径界于普通细骨料与磨细的铁尾矿之间，使细骨料的总表面积变大，需水量变大，但其活性尚未被完全激发，因此，掺量增加又使其各水平的抗压强度指标降低。

图4　细骨料取代率对抗压强度指标的影响Fig.4　Effect of replacement rate of fine aggregate 　　　on compressive strength

3.4同龄期轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

在实际工程中，所用受压构件的高度通常大于边长，因此考虑到混凝土的尺寸效应，棱柱体的试件更能反映混凝土的实际抗压能力[14]。采用普通混凝土理论分析方法[15-16]，用α1表示28 d棱柱体轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值，其结果如表6及图5所示。

表6　铁尾矿不同取代率混凝土α1值

图5　铁尾矿混凝土不同取代率α1值趋势图Fig.5　Trend chart of α1 values with different 　　　substitution rate of iron tailings concrete

由图5可知，2种不同取代工况对α1值的影响大致相同，适量的取代使α1值变大，再增加取代率，α1值则会下降。究其原因，铁尾矿具有活性，适量的取代率能够使水泥水化与铁尾矿的活性相互促进，体积大者(棱柱体)碱性强，活性被激发，促使水泥水化的程度就高；取代率太低，铁尾矿的活性能力有限；取代率太高，水泥水化所形成的碱性环境太差，都不能使两者很好的发挥各自的特性。细骨料取代工况下，因活性的促进作用与较细的铁尾矿的填充作用，能够使水泥石更加密实，也就使体积的差异对强度的影响略为变大。因此，由图5可以看出，细骨料取代工况要较水泥取代工况的比值大，但整体的比值集中在0.80～0.84之间，也可以按照普通混凝土(≤C50)的0.80来取值，且安全系数相对较高。

4结论

本文分别对磨细的铁尾矿取代水泥与普通铁尾矿取代细骨料2种类型的工况进行了试验，分别对其工作性能与各水平下的抗压强度进行了研究，其结论如下。

1)水泥取代工况下，适量的取代使铁尾矿混凝土的流动性能要比普通混凝土的好(≤45%)；但随着取代率的再增加，出现了轻微的离析分层现象，使其流动性能又出现降低，但均要高于基准混凝土(NC)。细骨料取代工况下，随着取代率的增加，其流动性能持续降低，但降低的幅度不同：取代率较低(≤50%)，降低较为缓慢，取代率再增加，降低的速率较快。

2)2种不同取代工况下的破坏形态相似，破坏类型相同。但水泥取代工况下，混凝土的脆性增强，开裂较早，裂缝开展较快，裂缝出现的条数较多，最终破坏时破碎的混凝土颗粒较多。

3)水泥取代工况下，随着水泥取代率的增加，各水平下的抗压强度(3，7，28 d、棱柱体)均出现不同程度的降低，但龄期越高，磨细的铁尾矿活性被激发，使降低的幅度变小；细骨料取代工况下，对各龄期的影响不大，影响规律大致相似，掺量较低(≤50%)时，使其各水平抗压强度均有所提高，但掺量较高(>50%)时，又出现了降低。

4)2种取代工况对28 d棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值α1的影响规律相似，使α1的值集中在0.80～0.84之间。考虑到混凝土的离散性，可以参照普通混凝土的α1取值(0.80)

参考文献/References：

[1]张杰西, 赵斌, 房彬. 我国铁尾矿排放现状及综合利用研究[J]. 再生资源与循环经济, 2015, 8(9):29-32.

ZHANG Jiexi, ZHAO Bin, FANG Bin. Research on current situation and comprehensive utilization of iron ore tailings emissions in China[J]. Recyclable Resources and Circular Economy, 2015, 8(9):29-32.

[2]李玉凤, 包景岭, 张锦瑞. 铁尾矿资源开发利用现状分析[J].中国矿业,2015, 24(11): 77-81.LI Yufeng, BAO Jingling, ZHANG Jinrui. Status analysis of iron tailings comprehensive utilization [J].China Mining Magazine, 2015, 24(11): 77-81.

[3]陈永亮. 鄂西低硅铁尾矿烧结制砖及机理研究[D]. 武汉: 武汉科技大学, 2012.CHEN Yongliang. Preparation and Mechanism of Fired Bricks and Tiles with Low-silicon Iron Tailings from Western Hubei[D].Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2012.

[4]肖力光, 伊晋宏, 崔正旭. 国内外铁尾矿综合利用现状[J]. 吉林建筑工程学院学报, 2010, 27(4):22-26.

XIAO Liguang, YI Jinhong, CUI Zhengxu. Iron tailings comprehensive utilization at home and abroad[J]. Journal of Jilin Institute of Architecture & Civil Engineering, 2010, 27(4):22-26.

[5]钱金平. 西石门矿地下尾矿库安全回填项目环境影响与对策[J].农业环境保护, 2001, 20(3): 180-182.

QIAN Jinping. Impacts of backfilling mine tailings on environment and a new approach to reduce adverse impacts of Xishimen Mine[J]. Agro-Environment Protection, 2001, 20(3): 180-182.

[6]石棋, 郭玉忠, 陈井清, 等. 程潮铁尾矿在玻化砖中的应用研究[J]. 中国陶瓷, 2011, 47(9):41-44.

SHI Qi, GUO Yuzhong, CHEN Jingqing, et al. Research Chengchao Iron Ore Tailings in porcelain tile of application[J].China Ceramics, 2011, 47(9): 41-44.

[7]刘媛媛, 肖慧, 李寿德. 铁尾矿烧结多孔保温材料气孔形成的机理研究[J]. 新型建筑材料, 2010 (5): 47-49.

LIU Yuanyuan, XIAO Hui, LI Shoude. Study on bubble formation mechanism for thermal insulation porous materials of iron tailings[J]. New Building Materials, 2010 (5): 47-49.

[8]陈杏婕, 倪文, 吴辉, 等. 全尾矿废石骨料高强混凝土的试验研究[J].金属矿山, 2015(2): 166-171.

CHEN Xingjie, NI Wen, WU Hui, et al. Experimental study of high-strength concrete with waste rocks and iron tailings as aggregates[J]. Metal Mine, 2015(2): 166-171.

[9]陈梦义, 李北星, 王威, 等. 铁尾矿粉的活性及在混凝土中的增强效应[J]. 金属矿山, 2013(5): 164-168.

CHEN Mengyi, LI Beixing, WANG Wei, et al. Reactive activity of iron tailings powder and its enhancement effect upon concrete[J]. Metal Mine, 2013(5): 164-168.

[10]崔孝炜. 养护工艺对尾矿混凝土微观结构的影响[J]. 商洛学院学报, 2014, 28(4): 54-57.

CUI Xiaowei. The influence of curing systems on the microstructure of hydration products of concrete with iron ore tailings[J]. Journal of Shangluo University, 2014, 28(4): 54-57.

[11]朱志刚, 李北星, 周明凯. 梯级粉磨铁尾矿制备超高性能混凝土的研究[J]. 功能材料, 2015, 46(20): 20043-20047.

ZHU Zhigang, LI Beixing, ZHOU Mingkai. Experimental study on the preparation of UHPC with cascade- grinding iron ore tailings[J].Journal of Functional Material, 2015, 46(20): 20043-20047.

[12]李晓光, 景帅帅, 马昕. 碱性环境中铁尾矿的化学稳定性研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2014(3): 79-82.

LI Xiaoguang, JING Shuaishuai, MA Xin. Study on chemical stability of iron tailings in alkaline environment[J].China Concrete and Cement Products, 2014(3): 79-82.

[13]GB 50081—2002, 普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[14]GB 50010—2010, 混凝土结构设计规范[S].

[15]东南大学, 天津大学, 同济大学. 混凝土结构[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[16]梁兴文, 王社良, 李晓文. 混凝土结构设计原理[M]. 北京: 科学出版社, 2007.

[17]李素娟，马卫华.玄武岩纤维约束预压混凝土的应力-应变模型[J].河北科技大学学报，2012，33(2)：175-178.

LI Sujuan,MA Weihua.Stress-strain model for BFRP-confined preloaded concrete[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2012,33(2):175-178.

Experimental study on the compressive strength of iron tailings concrete with different replacement types

LI Tao1,2, DANG Bin2

(1. Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources, Shangluo University, Shangluo, Shaanxi 726000, China; 2.College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo, Shaanxi 726000, China)

Abstract:In order to reuse iron tailings reasonably, by designing two different replacement conditions, using powdered iron tailings to replace cement and using iron tailings sand to replace fine aggregate, the working properties and compressive strength (3, 7, 28 d, prism) of the iron tailings concrete under different replacement rate are studied. The experimental result shows that appropriate cement replacement rate can improve the flow performance of the concrete, and the compressive strength of each index decreases-the later the age, the lower the decrease. Under the fine aggregate substitution condition, the flow performance becomes poor-the higher the amount, the bigger the loss. The compressive strength of the concrete increases first and then decreases with the increasing amount of the fine aggregate. When the adding amount is 50%, better compressive strength can be obtained. The influence of the two replacement conditions on α1, the ratio of compressive strength between the prism and the cube, are roughly the same, and the α1value range is 0.80～0.84.

Keywords:composite building materials; iron tailings concrete; working performance; damage characteristics; compressive strength

文章编号：1008-1534(2016)03-0240-06

收稿日期：2016-01-18;修回日期：2016-03-16；责任编辑：冯民

基金项目：陕西省尾矿资源综合利用重点实验室开放基金(2014SKY-WK014)；商洛学院科研基金(2014SKY-013)

作者简介：李涛(1986—)，男，河南南阳人，讲师，硕士研究生，主要从事建筑材料方面的研究。E-mail:litao623114@126.com

中图分类号：TU502

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03011

李涛,党斌.不同取代类型铁尾矿混凝土抗压性能试验研究[J].河北工业科技,2016,33(3):240-245.

LI Tao,DANG Bin.Experimental study on the compressive strength of iron tailings concrete with different replacement types[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):240-245.