铁尾矿砂对混凝土抗碳化性能影响的试验研究

刘宗星

（山东华森建材集团有限公司，山东 济南 250101）

0 前言

目前我国多数地区在生产混凝土时多以天然砂作为主要的细骨料，而天然砂为地方性资源，短期内不可再生，也不利于长距离运输。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，那么就需要采用异地运输的方式获取天然砂，这会导致混凝土原材料成本不断地增加[1-3]。铁尾矿砂是矿山开采的原矿石经选矿或其它工艺回收有效组分后废弃的固体物料，呈细粉状，粒径一般在 4.75mm 以下，一般堆存于尾矿库中，是工艺固体废弃物的主要组成部分。铁尾矿是一种材料性能与天然砂相近的细骨料[4-6]，具有表面粗糙、多棱角的特点。

在一般大气环境条件下，混凝土碳化是钢筋锈蚀的重要前提。钢筋不断锈蚀促使混凝土保护层开裂，产生沿筋裂缝和剥落，进而导致粘结力减小、钢筋受力面积减小、结构耐久性和承载力降低等不良后果[7-8]。

本文利用两种铁尾矿砂复掺（复配比例为细铁尾矿砂 : 粗铁尾矿砂=2:8），研究铁尾矿砂混凝土碳化深度随水灰比、试验养护龄期、粉煤灰掺量的变化规律。

1 原材料、试验仪器、试验方案设计

1.1 原材料

水泥：山水集团济南山水水泥厂 P·O42.5 水泥，密度 3.15g/cm3，比表面积 362kg/m2，安定性合格（试饼法），3d 抗压强度 20.6MPa，28d 抗压强度 48.3MPa。

粉煤灰：山东济南黄台电厂 F 类 Ⅱ级灰，细度16.6%，需水量比 96.5%，烧失量 1.32%。

普通硅酸盐水泥和粉煤灰的化学成分见表 1。

表 1 水泥和粉煤灰的化学成分 %

细骨料：山东济南某铁尾矿堆放厂的两种不同细度的铁尾矿砂：Ⅲ 区特细砂，细度模数 1.2，表观密度 2870kg/m3；Ⅱ区中砂，细度模数 2.8，表观密度2860kg/m3，两种铁尾矿砂的筛分试验结果见表 2。

粗骨料：山东济南港沟某石料厂 5～16mm、10～31.5mm 两级配碎石（3:7）。

外加剂：山东华森建材集团有限公司的聚羧酸高性能减水剂；引气剂、消泡剂和缓凝剂均来自当地化工市场。

水：为饮用水，符合混凝土用水标准 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》中规定的拌合用水要求。

表 2 铁尾矿砂筛分结果 %

1.2 试验仪器

混凝土搅拌机 J60、混凝土含气量测定仪、万能压力试验机、混凝土碳化仪、坍落度筒等。

1.3 试验方法

使用 150mm×150mm×150mm 试模成型，在温度(20±2)℃、相对湿度 (90±2)% 标准养护室内养护，养护至 24h 后脱模，脱模后放入 (20±5)℃ 标准养护室中养护至规定碳化龄期后取出，放入温度 (60±2)℃ 的干燥箱中烘干 48 小时，然后留成型的两个上下面，其余的各面用石蜡密封完好，放入标准碳化箱中进行碳化，碳化至 3d、7d、14d、28d，从碳化箱中取出，用压力机把试块沿未涂石蜡的侧面从中间劈开，滴加 1% 酒精酚酞溶液，20s 后每隔 10mm 读取碳化深度，并三个试块取平均作为碳化深度试验结果。

1.4 试验方案设计

本文分两种试验方案进行，各组混凝土配合比见表 3。第 1 种方案为水灰比分别为 0.46、0.42、0.38、0.34、0.30，粉煤灰掺量都为 20%，试件标准养护龄期为 7d，试验序号为 A；第 2 种方案为粉煤灰掺量分别为 0、10%、15%、20%、25%、30%、35% 和 40%，水灰比都为 0.38，试件标准养护龄期为 7d，试验序号为B。

表 3 铁尾矿砂混凝土配合比设计方案

2 试验结果与分析

2.1 水灰比对铁尾矿砂混凝土碳化深度的影响

表 4 为水灰比对铁尾矿砂混凝土碳化性能影响的试验结果。

表 4 水灰比对铁尾矿砂混凝土碳化深度的影响

从表 4 中可以看出：随着水灰比的增加，混凝土抗碳化性能降低；随着碳化龄期的延长，混凝土的碳化深度增加。即水灰比越大，混凝土抗碳化能力越弱，混凝土碳化时间越长其碳化深度越大。

主要原因是：水灰比是影响混凝土内部结构的重要因素，水灰比越大，混凝土内部结构密实性越差，即内部孔隙越多、大孔偏多、小孔偏少，因此，水灰比越大，CO2在混凝土内部就越易扩散，混凝土碳化性能越低。

2.2 粉煤灰掺量对铁尾矿砂混凝土碳化深度的影响

表 5 是粉煤灰掺量对铁尾矿砂混凝土碳化性能影响的试验结果。

从表 5 中可以看出：在铁尾矿砂混凝土中加入粉煤灰后，混凝土碳化深度将下降；且随着粉煤灰掺量的不断增加，混凝土的碳化深度先逐渐下降而后逐渐增大，当粉煤灰掺量在 25% 时，混凝土碳化深度达到最小值，再提高粉煤灰掺量，混凝土化深度将增大；另外，粉煤灰掺量对 3d、7d、14d 和 28d 碳化深度的影响规律基本一致。

表 5 粉煤灰掺量对铁尾矿砂混凝土碳化深度的影响

2.3 试验养护龄期对铁尾矿砂混凝土碳化深度的影响

表 6 是养护龄期对铁尾矿砂混凝土碳化性能影响的试验结果。

表 6 养护龄期对铁尾矿砂混凝土碳化深度的影响

从表 6 中可以看出：不论粉煤灰掺量高低，随着养护龄期的延长，铁尾矿砂混凝土碳化深度都下降。主要原因：随着试件标准养护龄期的延长，混凝土浆体中熟料矿物水化较充分，水化产物（硅胶和铝胶等）就越多，未水化熟料颗粒越少，细化混凝土内部结构，使混凝土内部结构更加致密，因此，CO2气体向混凝土内部扩散的阻力就越大，使其抗碳化能力提高。

3 结论

（1）铁尾矿砂混凝土抗碳化能力随着水灰比的降低而增加。

（2）掺加粉煤灰可以使铁尾矿砂混凝土抗碳化能力提高，当粉煤灰掺量为 25%，混凝土抗碳化能力最佳，再增加粉煤灰掺量，将降低混凝土抗碳化能力。

（3）铁尾矿砂混凝土的抗碳化能力随着标准养护龄期的延长而提高。