铁尾矿砂和机制砂混掺制备混凝土的试验研究

陆洋，颜世涛

（山东华森建材集团有限公司，山东 济南 250101）

0 前言

砂和石是混凝土的生产过程中最重要且用量最多的原材料，对混凝土配制和性能产生巨大影响。如果混凝土的生产区域位于天然砂比较短缺的地区，例如西部地区等，那么就需要采用异地运输的方式获取天然砂，从而导致混凝土原材料成本不断地增加[1-3]。随着我国工业化地迅速发展，矿产资源的需求日益俱增，而我国大多数矿山资源品位较低，在选矿过程中产生大量的尾矿，导致尾矿量不断增加，尾矿在工业固体废弃物中所占的比例也越来越大，比如铁尾矿砂等[4-5]。铁尾矿是一种材料性能与天然砂相近的细骨料[6-8]，具有表面粗糙、多棱角、粉料多等特点。

本文利用铁尾矿砂和机制砂混掺，研究铁尾矿砂掺量对混凝土性能的影响，包括工作性能（流动性、粘聚性、含气量、凝结时间和坍落度保坍情况等）与力学性能。

1 试验原材料、试验仪器、试验方法

1.1 试验原材料

水泥：山东济南山水集团水泥厂 P·O42.5 水泥，其性能指标如表 1 所示。

粉煤灰：山东济南黄台电厂 F 类Ⅱ级灰，需水量比102%，细度 18.5%，其性能指标如表 2 所示。

细骨料 1：机制砂，粗砂 Ⅲ 区，细度模数 3.40，表观密度 2740kg/m3，筛分试验结果如表 3 所示；细骨料 2：山东济南某铁尾矿堆放厂的铁尾矿砂，细度模数1.52，表观密度 2880kg/m3，筛分试验结果见表 4。

粗骨料：山东济南港沟石料厂 5～16mm、16～31.5mm 两级配碎石，比例为 3:7。

外加剂：山东华森建材集团有限公司的聚羧高性能酸减水剂，引气剂、消泡剂、缓凝剂等均来自当地化工市场。

水：为饮用自来水。

表 1 水泥的性能指标

表 2 Ⅱ 级粉煤灰的性能指标

表 3 机制砂筛分结果

表 4 铁尾矿砂筛分结果

1.2 试验仪器

混凝土搅拌机 S-60、混凝土振动台、混凝土含气量测定仪、万能压力试验机、凝结时间测定仪、坍落度筒等。

1.3 试验方法

混凝土含气量、凝结时间测定仪、坍落度性能试验测试按照国家标准 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

混凝土试件制作与养护、抗压强度测试按照国家标准 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 铁尾矿砂掺量对混凝土性能的影响

本文研究铁尾矿砂部分取代机制砂时对混凝土性能的影响。以 C30 混凝土配合比为基准，初始坍落度

控制在 220～240mm，保坍 2h，含气量控制在 1.5%～3.5%，其 C30 铁尾矿砂混凝土试验方案见表 5 所示。

表 5 C30 铁尾矿砂混凝土试验方案 kg/m3

2.1 铁尾矿砂掺量对混凝土工作性能的影响

通过调整聚羧酸高性能减水剂中减水母液和保坍母液的比例，使各组混凝土初始坍落度都控制在 220～240mm；并适当调整外加剂中引气剂或消泡剂用量，使铁尾矿砂高性能混凝土含气量控制在1.5%～3.5% 之间，其试验结果见表 6 所示。

从表 6 中可以看出：

（1）铁尾矿砂混凝土初始坍落度都控制在220～240mm 之间，含气量控制在 1.5%～3.5% 之间时，当铁尾矿砂不同掺量等量取代机制砂时，混凝土工作性能变化较大。随着铁尾矿砂掺量的不断增加，混凝土流动性先变好而后流速减慢，粘度从一般到适当最后到大，包裹性从差逐渐变好，混凝土表面露石情况从露石严重到无露石。综合铁尾矿砂掺量对混凝土工作性能的影响，铁尾矿砂最佳掺量应该在 20%～25% 之间。

表 6 铁尾矿砂掺量对 C30 混凝土工作性能的影响

（2）对混凝土坍落度保持情况而言，当混凝土初始坍落度都控制在 220～240mm 之间，含气量控制在1.5%～3.5% 之间时，当铁尾矿砂不同掺量等量取代机制砂时，混凝土在不同时间（1h 和 2h）的坍落度基本无损失，即铁尾矿砂的加入对混凝土坍落度保持情况影响不大。

（3）对混凝土表观密度而言，当铁尾矿砂不同掺量等量取代机制砂时，铁尾矿砂混凝土表观密度都大于纯机制砂混凝土（1# 试样）的表观密度，随着铁尾矿砂掺量的不断增加，混凝土表观密度逐渐增大，掺量越高变化越明显；当铁尾矿砂掺量为 40% 时，混凝土表观密度可达到 2535kg/m3。

（4）针对混凝土凝结时间而言，当铁尾矿砂不同掺量等量取代机制砂时，随着铁尾矿砂掺量的不断增加，混凝土凝结时间逐渐延长；当铁尾矿砂掺量为 40%时，混凝土凝结时间延长 140min，说明铁尾矿砂的加入，对混凝土凝结时间影响较大。

2.2 铁尾矿砂掺量对混凝土力学性能的影响

研究铁尾矿砂掺量对混凝土抗压强度的影响，其试验结果见表 7 所示。

表 7 铁尾矿砂掺量对混凝土抗压强度的影响 MPa

从表 7 中可以看出：与纯机制砂混凝土抗压强度相比，当铁尾矿砂不同掺量等量取代机制砂后，混凝土抗压强度都有不同程度的增加；随着铁尾矿砂掺量的不断增加，混凝土抗压强度先逐渐增大后有所下降，当铁尾矿砂掺量为 25% 时，混凝土抗压强度达到最大；另外，无论是 7d、28d 和 56d，铁尾矿砂对混凝土抗压强度的影响规律基本一致。

综合考虑铁尾矿砂掺量对混凝土工作性能、抗压强度的影响，铁尾矿砂的最佳掺量应控制在 25% 左右。

3 结论

（1）铁尾矿砂细度模数较小、颗粒偏细且粉料较多，不宜单独制备混凝土；可与机制砂混掺，以获得满足连续级配及细度模数的混合砂。

（2）铁尾矿砂掺量对混凝土的工作性能影响较大，特别是对流动性、粘度的影响。

（3）铁尾矿砂对混凝土凝结时间和表观密度、抗压强度影响都较大。

（4）综合考虑铁尾矿砂掺量对混凝土工作性能、抗压强度的影响，铁尾矿砂的最佳掺量应控制在 25%左右。