铁尾矿砂对C50混凝土力学性能的影响

王玉雅 ，韩守杰 ，韩欣 ，庄园 ，张衡

（1.商丘工学院 土木工程学院，河南 商丘 476000；2.中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

尾矿属于选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。据不完全统计，我国累计堆存尾矿600亿t以上，年产出量达到了16亿t，而尾矿综合利用率仅为18.9%，绝大多数尾矿尚未被综合利用[1]。如此大量废弃物会对库存周围的环境造成严重破坏，并使得一些山区荒漠化严重[2]。多年来，矿山固体废物堆存导致次生地质灾害频发，也给社会带来了极大的损失[3]。当前，国内外尾矿的处理方式主要是堆弃、作为道路路基填料或制砖[4-9]。近年来，将尾矿砂作为细集料制备混凝土已受到学术界和工程界的广泛关注[10-11]，但该研究尚处于探索阶段，尤其是尾矿砂对混凝土力学性能的影响规律仍值得进一步探讨。为提高尾矿综合利用率和附加值，本文将铁尾矿筛分，然后将其掺入混凝土中取代部分天然砂，以研究铁尾矿在混凝土应用中的可行性，并探讨铁尾矿砂取代率对混凝土力学性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：南京中联水泥厂生产的P·O42.5水泥。

细集料：天然河砂，细度模数2.3，属中砂。

粗集料：六合产玄武岩碎石，最大粒径31.5 mm，公称最大粒径26.5 mm。

水：自来水。

减水剂：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，减水率35%。

铁尾矿砂：选用南京江宁区吉山铁尾矿库，干密度2767 kg/m3，吸水率3.07%，比表面积415 m2/kg，铁尾矿砂的颗粒级配见表1，主要化学成分见表2。

表1 铁尾矿的颗粒级配

表2 铁尾矿砂的主要化学成分 %

由表1、表2可知，铁尾矿砂颗粒较细，颗粒粒径主要集中在0.075～0.6 mm，级配较差，细度模数为0.94，属特细砂；铁尾矿砂中氧化物主要是 SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO，属于碱性集料。

1.2 混凝土配合比设计及测试方法

将铁尾矿砂按不同比例取代天然砂，研究铁尾矿砂取代率对C50混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的影响，C50混凝土配合比如表3所示。

表3 不同铁尾矿砂取代率的C50混凝土配合比

按JTGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》成型、制备混凝土试样，测试抗压强度、劈裂抗拉强度和抗压弹性模量。

2 试验结果与分析

2.1 铁尾矿砂对混凝土抗压强度的影响（见表4）

表4 铁尾矿砂取代率对C50混凝土抗压强度的影响

由表4可见，不同铁尾矿砂取代率的混凝土抗压强度随养护龄期的延长而提高，其规律与未掺铁尾矿砂的基准组相似。随着铁尾矿砂取代率的增加，C50混凝土各龄期的抗压强度均逐渐降低；当铁尾矿砂取代率为20%时，C50混凝土的7、28、60、90 d抗压强度与基准组相差不大，较基准组仅分别降低了6.9%、0.3%、2.1%和0.5%；当铁尾矿砂取代率增大至40%时，各龄期抗压强度较基准组分别降低了17.4%、5.1%、8.0%和8.0%；而当铁尾矿砂取代率继续增大至60%时，各龄期抗压强度则较基准组分别降低了20.1%、9.3%、9.3%和10.4%。

这是因为：一方面，铁尾矿砂的颗粒粒径比天然河砂小，其微集料填充效应较为显著，可在一定程度上提高混凝土的致密性和强度；另一方面，由于铁尾矿砂中含泥量较高，且其颗粒较不规则，当掺量较多时，容易导致骨料与浆体分离而产生离析现象，从而降低铁尾矿砂混凝土的强度。当铁尾矿砂取代率为20%时，由于铁尾矿砂微集料填充效应所带来的增强效果与其含泥量增加造成的抗压强度损失基本相当，使得其抗压强度与基准组相差不大；而当铁尾矿砂取代率继续增大至40%和60%时，含泥量增加造成的强度损失高于微集料填充效应所带来的增强效应，导致抗压强度显著降低。

2.2 铁尾矿砂对混凝土劈裂抗拉强度的影响（见表5）

表5 铁尾矿砂取代率对C50混凝土劈裂抗拉强度的影响

由表5可见，不同铁尾矿砂取代率的混凝土劈裂抗拉强度随养护龄期的延长而提高，其规律与未掺铁尾矿砂的基准组相似。随着铁尾矿砂取代率的增加，C50混凝土各龄期的劈裂抗拉强度均逐渐降低；当铁尾矿砂取代率为20%时，C50混凝土的7、28、60、90 d劈裂抗拉强度略低于基准组，仅分别降低了0.5%、3.4%、4.0%和4.1%；当铁尾矿砂取代率增大至40%时，其劈裂抗拉强度较基准组分别降低了5.2%、9.9%、8.4%和7.3%；而当铁尾矿砂取代率继续增大至60%时，其劈裂抗拉强度较基准组分别降低了7.1%、11.6%、12.6%和9.7%。与对抗压强度的影响规律相似。

2.3 铁尾矿砂对混凝土弹性模量的影响（见表6）

表6 铁尾矿砂取代率对C50混凝土弹性模量的影响

由表6可见，不同铁尾矿砂取代率的混凝土弹性模量随养护龄期的延长而提高，其规律与未掺铁尾矿砂的基准组相似。随着铁尾矿砂取代率的增加，C50混凝土各龄期的弹性模量均逐渐降低，但降幅较小；当铁尾矿砂取代率为20%时，C50混凝土的7、28、60、90 d弹性模量略低于基准组，仅分别降低了0.3%、0.5%、0.8%和0.5%；当铁尾矿砂取代率增大至40%时，其弹性模量较基准组分别降低了3.8%、2.4%、1.9%和1.6%；而当铁尾矿砂取代率继续增大至60%时，其弹性模量较基准组则分别降低了4.6%、3.7%、4.0%和4.2%。

2.4 铁尾矿砂对混凝土拉压比的影响

混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比（拉压比）是反应混凝土脆性指标的重要参数。表7给出了不同铁尾矿砂取代率下C50混凝土拉压比随龄期的变化趋势。

表7 不同铁尾矿砂取代率下C50混凝土拉压比

由表7可见，对于基准组混凝土，其拉压比随养护龄期的延长而缓慢增大，60 d后拉压比基本保持不变。而20%～60%铁尾矿砂取代率的C50混凝土拉压比随龄期大致呈先减小后增大趋势，其7 d拉压比高于基准组混凝土，28 d时拉压比最低，且低于基准组混凝土，而后再逐渐增大，28 d后其拉压比与基准组混凝土相近。

3 结论

（1）不同铁尾矿砂取代率下混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量随养护龄期的增长规律与基准组混凝土相似，但随着铁尾矿砂取代率的增加，不同养护龄期下C50混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均呈现出一定程度的降低。

（2）当铁尾矿砂取代率为20%时，不同养护龄期下C50混凝土的力学性能与基准组相差不大。

（3）基准组混凝土的拉压比随龄期延长缓慢增大，而20%、40%和60%铁尾矿砂取代率的C50混凝土拉压比随养护龄期的延长呈先减小后增大趋势，28 d后其拉压比与基准组混凝土的相近。