铁尾矿砂混凝土力学性能研究

李 壮

（华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州 510641）

0 引言

铁尾矿砂是一种常见的工业废料，我国每年向环境中排放约30 亿t。铁尾矿砂大量堆积不仅污染环境，同时也对人民的声明财产安全造成了很大的威胁。如何将这部分铁尾矿砂“变废为宝”一直是工程界关注的问题[1-2]。将铁尾矿砂作为原料制备混凝土，不仅能够

同时还能节约宝贵的河砂资源。已有学者对铁尾矿砂对混凝土的力学性能[3-4]、工作性能[5]和耐久性能[6-7]的影响进行研究。研究认为：铁尾矿砂颗粒粗糙、级配差。将铁尾矿砂直接用作细骨料制备混凝土，会严重影响混凝土的工作性能从而导致力学性能劣化。建议将铁尾矿砂与河砂混合以改善其级配，并将铁尾矿砂比例控制在30%以内，以保证混凝土力学性能。

为增加铁尾矿砂的使用率，本文尝试在保证混凝土流动性相同的前提下，对同水灰比的铁尾矿砂、混合砂（50%尾矿和50%河砂）、河砂三种细骨料对混凝土力学性能的影响进行研究。

1 实验概况

细骨料：河砂产自清远市北江，铁尾矿砂产自大冶市金山店铁矿，混合砂使用50%铁尾矿砂和50%筛分后的粗河砂颗粒混合而成，细骨料级配分布见图1。

粗骨料：0.5～2mm 粒径连续级配碎石。

水泥：石井牌P.O 42.5R 水泥。

外加剂：SiKa 牌 ViscoCrete-530P 高性能减水剂。

拌合水：城市自来水。

1.1 原材料

图1 细骨料筛余曲线

图2 测量装置示意图

1.2 配合比

混凝土配合比见表1。

表 1 混凝土配合比（kg/m³）

1.3 实验方案

试验机采用500t 刚性试验机，全程采用位移控制，加载速率恒定为0.18mm/min。正式加载前对试件进行预压，通过试件四周纵向应变片控制试件对中。为消除试验机加载头对试件端部的约束作用，在试件两侧对称布置两只CDP-5高精度位移计标距100mm，以采集试件中部变形见图2。采用JM3841 动静态信号采集系统对实验数据进行采集，采集频率1Hz。

2 结果与讨论

试验结果见表2。

表2 试验数据汇总

2.1 抗压强度

铁尾矿砂和混合砂混凝土平均强度较河砂混凝土分别提高24.1%和9.5%。铁尾矿砂使混凝土强度提高的主要原因是：同水会比条件下，铁尾矿砂使得细骨料表面积增大。会有更多的自由水吸附到铁尾矿砂表面，导致参与水泥水化的自由水减少。相当于降低了水灰比，从而是混凝土强度提高。

2.2 弹性模量

铁尾矿砂和混合砂混凝土弹性模量较河砂混凝土分别降低13.7%和4.9%。原因是铁尾矿砂的级配分布中，细颗粒远远多于粗颗粒。必然导致铁尾矿砂混凝土内部的致密程度低于河砂混凝土，导致混凝土的弹性模量降低。

2.3 峰值应变

铁尾矿砂和混合砂混凝土峰值应变较河砂混凝土分别提高13.4%和6.4%。铁尾矿砂对混凝土峰值应变影响幅度与对弹性模量影响幅度相近，但远小于强度的增加幅度。说明使用铁尾矿砂够提高混凝土的变形能力。

2.4 应力-应变全曲线

铁尾矿砂、混合砂和河砂三种混凝土的平均应力-应变曲线如图3 所示。三种混凝土应力-应变曲线弹性段基本一致，出现了明显的弹性段和塑性段；应力-应变曲线的下降段区别较大，显然对于下降段的陡峭程度铁尾矿砂混凝土＞混合砂混凝土＞河砂混凝土。试验结果表明混凝土的延性随铁尾矿砂掺量的增加而降低。

3 结论

在保证混凝土流动性的前提下，铁尾矿砂可以直接作为混凝土细骨料。铁尾矿砂会显著增强混凝土强度，但同时会降低混凝土的弹性模量和延性。

图3 平均应力-应变全曲线