改性钼尾矿混凝土抗压性能试验研究

孙春蕾,李东雷,李 帅

(商洛学院城乡规划与建筑工程学院, 陕西 商洛 726000)

尾矿废弃物大量堆积,利用率低,对环境影响严重,不但造成了土地资源的浪费,而且对人民的生活和生产构成了巨大威胁。通过对钼尾矿进行研究,将其利用在制作混凝土中,解决了大量钼尾矿无法有效利用的问题,避免了堆积造成的土地浪费,尤其是对于环境的保护起到了一定作用,为实现绿色建筑提供了新的方向。如果能够将尾矿资源充分利用起来,既解决了堆积污染问题,也为制作混凝土提供了新型原料,完全符合经济发展的要求,具有极高的社会意义。钼尾矿主要以SiO2矿物质形式存在,相较于其他尾矿具有相对稳定的基本性质。已有学者在实验室制备出钼尾矿混凝土小型空心砌块,而制备过程中混凝土之间的反应机理以及配比的研究也是非常重要的。通过单因素试验以及正交试验优化钼尾矿混凝土的配比是必要的[1]。

研究利用质量分数为50%的钼尾矿代替细骨料, 以C30混凝土为基准,制作钼尾矿混凝土, 在钼尾矿混凝土的基础上,对其掺加矿物掺合料,用来改善它的性能,主要通过单掺粉煤灰和复掺硅粉、粉煤灰2种方式进行。对性能改善后的钼尾矿混凝土进行抗压强度和和易性对比试验,从而得到性能改善后强度较高的钼尾矿混凝土。

1 试验原材料

选用陕西省商洛市产的复合硅酸盐水泥P.C32.5R,实测强度35.6 MPa,主要成分有:3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3。采用的钼尾矿来自陕西省金堆城钼业股份有限公司,其主要成分有:SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO等,钼尾矿化学成分见表1。采用的粉煤灰为河南省四通化建有限公司生产的一级粉煤灰,其主要成分有Al2O3、FeO、Fe2O3、SiO2。细骨料采用艾思欧公司生产的标准砂,粗骨料采用商州区某石场所产碎石,粒径为5～25 mm,连续级配[2-3]。

表1 钼尾矿化学成分

2 试验方案

2.1 试验工况设计及配合比

以质量分数50%的钼尾矿取代天然砂,采用等量掺入法,在保持水灰比不变的情况下,采用粉煤灰和硅粉取代同等含量的水泥。通过坍落度试验对矿物掺合料钼尾矿混凝土的工作性能进行测定,用以判断其和易性是否满足要求[4]。通过立方体抗压强度试验测出钼尾矿混凝土轴心抗压强度,用以检测矿物掺合料钼尾矿混凝土的强度变化。并且在钼尾矿掺量一定的条件下,通过改变矿物掺和料的掺量,从而得到强度较高的钼尾矿混凝土[5]。根据规范规定强度进行配制,试验采用的水灰比为0.42,砂率为29%,通过计算标准情况下各材料之间的比例为m水∶m水泥∶m砂∶m碎石=0.42∶1∶1.12∶2.73。试验工况见表2,各材料配比见表3。

表2 试验工况

表3 材料配比Table 3 Material propotion kg/m3

2.2 试件制作及试验方法

在进行试件制作前,准确称量各种材料用量,采用人工拌合,在振捣台振捣成型,装入涂有矿物油脂的试模,试模大小为100 mm×100 mm×100 mm,强度换算系数为0.95,放入标准养护箱养护至规定龄期(见图1),之后取出进行试验。每种类型试件共制作3组,用于测试3 d、7 d、28 d的立方体抗压强度,每组3个,取其平均值[6]。

在进行试件压缩前,应首先检查试件表面的平整度及尺寸是否符合试验规范,边角有无破损。将检查后的试件放置在万能试验机下(见图2),选择压缩试验,取应力应变曲线,调整万能试验机,速率为0.3～0.8 MPa/s,对试件进行持续加载,试验加载过程按照《混凝土结构设计》实验标准规范进行[7]。

图1 试件养护Fig.1 Sample maintenance chart

图2 万能试验机Fig.2 Universal testing machine

3 试验结果与分析

3.1 工作性能

试验采用坍落度作为混凝土工作性能的测试指标,根据矿物掺合料掺加量不同,其坍落度的变化如图3所示。

图3 粉煤灰掺量和硅粉掺量对坍落度影响Fig.3 Influence of fly ash admixture and Silicon powderadmixture on subsidence

由图3可知,当采用质量分数50%的钼尾矿代替细骨料时,其坍落度会有所降低,但降低幅度不大,究其原因,钼尾矿的颗粒细度比细骨料细,能够更好地弥补水泥和粗骨料填充的不足,当采用它代替细骨料时会增加拌合物的密实度,提高拌合物之间的粘聚性,使流动性变差。当在其中掺入粉煤灰时,随着掺入量的增加,它的坍落度会有所增加。究其原因,是由于粉煤灰含碳量较高,碳原子可形成层状结构,层与层之间结合力较小,比较光滑,掺入以后能够在拌合物中增加拌合物之间的润滑度,相当于润滑剂和减水剂。随着掺量的增加,拌合物的流动性变强,坍落度增大,在掺入粉煤灰的基础上,再掺入硅粉,会使坍落度出现波动。究其原因,粉煤灰的掺入会增加它的流动性,而硅粉的掺入会增加水的消耗,由于它颗粒微小,同时也会增加拌合物之间的密实度,从而使粘聚性增强,降低流动性,掺入量的不同,导致的结果也会不同,因此会出现不同的波动。随着硅粉掺入量的增加,粘聚性会越来越强,流动性变差,从而整体坍落度会下降[8-9]。

3.2 抗压力学性能

根据《混凝土结构设计规范》,将养护至一定龄期的钼尾矿混凝土放至万能试验机上进行均匀加载,直至破坏为止,得到的抗压强度值见表4。

表4 抗压强度变化

通过对表4进行分析能够得出,以普通混凝土(NA)为基准,当掺加质量分数50%的粉煤灰用于代替细骨料制作钼尾矿混凝土时,所制作的钼尾矿混凝土(MA)早期强度略低于普通混凝土(NA)强度,3 d时钼尾矿混凝土的强度仅是普通混凝土的0.8倍。随着养护时间增加,强度增加,在同等条件下养护,它的后期强度大于普通混凝土的强度,达到标准养护时间28 d时钼尾矿混凝土的强度已经是普通混凝土的1.13倍。分析养护3 d时不同配比的混凝土抗压强度可知:普通混凝土早期强度最高;钼尾矿混凝土的早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低,25%取代率时降到最低,是普通混凝土的0.67倍;复掺硅粉也使早期强度降低,而且随着复掺硅粉掺量的增加,强度越低,复掺质量分数10%硅粉时,早期强度是普通混凝土的0.61倍。分析养护28 d时抗压强度可知:钼尾矿混凝土的强度最高,单掺粉煤灰和复掺硅粉的抗压强度都随着掺量的增加而降低[10]。

(1) 单掺粉煤灰对钼尾矿混凝土抗压强度的影响 以钼尾矿混凝土(MA)为基准,对其单掺粉煤灰,通过混凝土抗压试验得到粉煤灰对钼尾矿混凝土抗压强度的影响,抗压强度随粉煤灰掺量的变化如图4所示。

图4 抗压强度随粉煤灰掺量变化Fig.4 Variation of compressive strength with fly ash admixture

根据图4可得:粉煤灰的掺入,可以提高钼尾矿混凝土的早期强度,当它取代水泥量掺量的10%时,抗压强度达到最大值;随着粉煤灰的增加,钼尾矿混凝土的强度逐渐减弱。相对于普通混凝土而言,粉煤灰的掺加会使早期强度有所降低,但是它可以大大提高它的后期强度[11-12]。

(2) 复掺粉煤灰和硅粉对钼尾矿混凝土抗压强度的影响 以掺加质量分数50%的钼尾矿混凝土作为基准,对其掺加粉煤灰和硅粉,从而对它的性能进行部分改善,通过混凝土抗压试验得到硅粉对钼尾矿混凝土抗压强度的影响,抗压强度随硅粉掺量的变化如图5所示。

根据图5可以看出,当复掺粉煤灰和硅粉时,保持粉煤灰的量不变,随着硅粉掺入量的增加,可以发现,钼尾矿混凝土的抗压强度会随着掺量增加变得越来越低,强度达到最大时,硅粉的最佳掺加质量分数为2.5%[13-15]。

4 结论

研究利用质量分数50%的钼尾矿代替细骨料, 以C30混凝土为基准,制作钼尾矿混凝土, 在钼尾矿混凝土的基础上,对其掺加矿物掺合料,用来改善它的性能,主要通过单掺粉煤灰和复掺硅粉、粉煤灰2种方式进行。主要有以下结论:

图5 抗压强度随硅粉掺量变化Fig.5 Variation of compressive strength with silicon powder admixture

(1) 与普通混凝土相比,钼尾矿的掺入会降低混凝土的坍落度。由于钼尾矿骨料较细,它的加入可以增加拌合物的密实度,降低流动性,导致坍落度降低。以钼尾矿混凝土为基准,加入适量的粉煤灰可以提高混凝土的流动性,坍落度增大。又由于它的微细粉作用,随着掺量的增加,拌合物的密实度增加,粘聚性增强,坍落度会有所降低。同时添加粉煤灰和硅粉,坍落度会出现一定的波动,其最终结果取决于掺量的变化。

(2) 与普通混凝土相比,钼尾矿的增加会降低混凝土的早期强度,提高后期强度。适量掺入粉煤灰能够使钼尾矿混凝土的抗压强度提高,后期强度增长较大,这是因为粉煤灰的活性较低,需要碱性环境激活,后期水化反应充分,碱性环境较强,从而导致后期强度增长较快。

(3) 在掺入粉煤灰的基础上,再掺入硅粉也会提高混凝土的抗压强度,但早期强度增幅较慢,后期增幅较快。之所以会这样,是因为硅粉的活性较好,它的掺入会使粘聚性变差,导致水化反应减慢,从而导致早期强度增加幅度不大。适量的掺入2种物质,由于粉煤灰的活性不高,硅粉的微细粉作用使得前期强度增长幅度不大,后期由于粉煤灰活性被激活,水化反应加快,抗压强度增大。

我们对于尾矿的研究仍然需要加大投资力度,对于解决它所带来的问题还有很长的一段路要走。虽然前路艰难,但在对于尾矿综合利用的研究中,我们仍然发现了许多可喜的地方,例如它的有价元素提取,在解决稀有金属稀缺方面有积极意义,回收利用在环境保护方面,具有非常好的前景。尾矿在建筑行业的应用展示了它的新途径。