铁尾矿砂混凝土基本性能研究进展

惠婧，谢群，陈涛，赵鹏

（济南大学 土木建筑学院，山东 济南 250022）

0 引言

随着建筑行业的不断发展，对混凝土的需求量越来越大，河砂的大量无序开采导致生态环境破坏，多个城市已明令禁止开采河砂。与此同时，各地矿山开采产生了大量的尾矿，以铁尾矿为代表的尾矿堆积会造成土地浪费、环境污染、危及人身安全等问题[1-3]。铁尾矿是铁矿提取后产生的砂砾状固体废弃物。研究表明[4-5]，铁尾矿砂（Iron Ore Tailings，IOT）具有颗粒小、形状不规则、多棱角、片状或层状结构等特点。铁尾矿砂与天然砂的形貌对比如图1所示[6]。可以看出，天然砂基本为不规则的圆形结构，而铁尾矿砂较天然河砂有更多棱角，可增大与粗骨料之间的摩擦力，从而达到提高混凝土强度的效果。

图1 铁尾矿砂与河砂的形貌对比

铁尾矿是一种复合型矿物原料，主要化学成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO，另有少量钾、钠、硫、钛、磷等氧化物，主要矿物组成为石英、赤铁矿、白云石、长石等[7-8]。铁尾矿由于产地和加工工艺不同，矿物组成有所区别，不同产地铁尾矿的化学成分与天然河砂对比见表1。

表1 不同地区铁尾矿的化学成分 %

由表1可以看出，铁尾矿中Fe2O3含量较天然河砂高，但其余成分含量与天然河砂相似，说明铁尾矿砂具备替代天然河砂制备混凝土的先决条件。采用铁尾矿砂替代河砂作为细骨料制备混凝土，既可解决天然河砂紧缺的问题，确保基础设施建设的使用需求，又能实现铁尾矿砂回收再利用，起到节能环保、资源循环的效果[4]。当前，国内外学者对铁尾矿砂混凝土的基本性能开展了深入研究，研究结果和工程应用均表明，铁尾矿砂可以替代天然河砂、机制砂制备混凝土，且性能与普通混凝土相近。

1 铁尾矿砂替代率对混凝土性能的影响

1.1 对混凝土流动性的影响

混凝土的和易性包括流动性、黏聚性和保水性等，当铁尾矿作为混凝土掺合料时，易产生离析、泌水等现象。由于铁尾矿具有吸水性，当其含量过高时，混凝土坍落度会减小。铁尾矿砂替代率对混凝土坍落度的影响如图2所示[9-15]。

图2 铁尾矿砂替代率对混凝土坍落度的影响

由图2可见，由于不同地区的铁尾矿砂成分、粒径与内部裂缝状态均不同，因此随着铁尾矿砂替代率的增加，铁尾矿砂混凝土的坍落度呈现先增大后减小和逐渐减小2种趋势。

（1）坍落度先增大后减小。Jiang等[9]研究表明，当铁尾矿砂替代率为30%时，混凝土的坍落度较未掺铁尾矿砂的混凝土增大了21.9%，而当替代率增加至60%时则减小了50.0%。刘文燕等[10]研究发现，当铁尾矿砂替代率为40%时，铁尾矿砂混凝土的坍落度最大，较未掺铁尾矿砂的混凝土增大了20.6%；当铁尾矿砂替代率达到50%时，坍落度仅增大了17.7%。张玉琢等[11]研究表明，铁尾矿砂替代率为50%时，混凝土坍落度较未掺铁尾矿砂的混凝土增大了8.8%；而替代率为100%时，坍落度较替代率为50%时减小了10.8%，较未掺铁尾矿砂的混凝土减小了2.9%。坍落度随铁尾矿砂替代率增加而增大的原因为：由于铁尾矿砂粒径小，能够起到填充空隙、改善级配、降低空隙率、增加密实度的作用，因此需水量减小，释放出更多的游离水，从而出现坍落度增大的现象。

（2）坍落度逐渐减小。Tian等[12]研究表明，铁尾矿砂替代率为45%时，坍落度较未掺铁尾矿砂的混凝土减小了14.35%，但均大于150 mm。姚雷等[13]研究发现，铁尾矿砂替代率为60%时,坍落度较未掺铁尾矿砂的混凝土减小了12.5%。王雪等[14]研究表明，当铁尾矿砂替代率达到100%时，坍落度较未掺铁尾矿砂的混凝土减小了16.9%。Shettima等[15]研究表明，铁尾矿砂替代率达到100%时，坍落度较未掺铁尾矿砂的混凝土减小了38%。坍落度随着铁尾矿砂替代率增加而减小可归因于：①由于铁尾矿砂粒径较小，当替代率较大时，混合砂的粒径过小，比表面积增大，需水量增加，游离水减少，增大了骨料间摩擦力，从而导致坍落度减小；②铁尾矿砂表面粗糙、多棱角，使得颗粒之间有机械锁结作用，当替代率过大时，摩阻力也较大，造成坍落度减小；③由于机械破碎造成铁尾矿砂的内部产生很多微裂缝，微裂缝会吸收部分水分，游离水减少，导致坍落度减小。

1.2 对混凝土强度的影响

1.2.1 对抗压强度的影响

抗压强度是混凝土最重要的性能指标之一，学者们在铁尾矿砂替代率对混凝土抗压强度的影响方面进行了大量的研究[9-10，12，15-23]，如图3所示，铁尾矿砂混凝土的抗压强度随铁尾矿砂替代率的增加大致呈现降低-提高-降低趋势。在当前研究成果的基础上，进一步整理出铁尾矿砂混凝土抗压强度较普通混凝土的提高率（按平均值计算得出）与铁尾矿砂替代率的关系如图4所示。

图3 铁尾矿砂替代率对混凝土抗压强度的影响

图4 铁尾矿砂替代率与抗压强度提高率的关系

由图4可见，抗压强度总体变化过程可分为3个阶段：（1）替代率为0～10%时，抗压强度提高率呈减小趋势，当替代率为10%时，抗压强度较普通混凝土降低3.87%；（2）替代率为10%～30%时，抗压强度提高率呈增大趋势，当替代率为30%时，抗压强度较普通混凝土提高5.25%；（3）替代率为30%～100%时，抗压强度提高率呈减小趋势，当替代率为100%时，抗压强度较普通混凝土降低13.25%。研究结果如表2所示。

由表2可以看出，铁尾矿砂的最佳替代率为20%～40%，最佳替代率下，抗压强度较普通混凝土平均提高9.18%；而当替代率最大时，抗压强度较普通混凝土平均降低7.99%，较最大值平均下降17.17%。

表2 不同铁尾矿砂替代率下的抗压强度变化

分析铁尾矿砂混凝土抗压强度随铁尾矿砂替代率的增加而提高原因有以下几点：（1）铁尾矿砂中高浓度铁的存在会对抗压强度产生积极影响[23]；（2）替代率较小时，小粒径的铁尾矿砂可以填充细骨料间空隙，且铁尾矿砂水化程度较大，一定程度上提高混凝土的致密性、增大水泥石的密实度，使混凝土抗压强度有所提高[9，15，18]；（3）铁尾矿砂粗糙多棱角的表面提高了砂粒间摩擦力，并改善与骨料之间的粘结，导致抗压强度提高[6，24]。

当混凝土中铁尾矿砂替代天然砂比例过小或过大时，抗压强度随铁尾矿砂替代率增加而下降的原因为：（1）铁尾矿砂替代率的增加导致有害孔隙的增多[12]；（2）铁尾矿砂颗粒粗糙、多棱角、内摩擦力较大，铁尾矿砂替代率较低时起主要作用的细骨料是普通砂，铁尾矿砂与普通砂之间的摩擦力较差；铁尾矿砂替代率较高时，容易导致骨料与浆体分离产生离析现象，此时强度损失大于填充效应带来的增强效应，导致抗压强度降低[22]；（3）铁尾矿砂替代率较多时，铁尾矿砂占据了细骨料的大部分，此时粒径介于普通细骨料与磨细的铁尾矿砂之间，使细骨料的总表面积变大，需水量增加，但铁尾矿砂活性尚未被完全激发，需要较多的浆体填充和包裹，在铁尾矿砂逐渐增多后水化产物减少，导致强度降低；（4）铁尾矿刚度与硬度较天然砂小，因此会降低强度[17]。

1.2.2 对劈裂抗拉强度的影响

混凝土轴心抗拉强度通常采用直接拉伸试验方法测得，但直接拉伸试验存在不易对中、试验复杂、离散性大等问题，而劈裂抗拉强度试验简单且易于操作，因此学者们大多开展铁尾矿砂混凝土的劈裂抗拉强度试验[9，11，15-16，21-22]，结果如图5所示。

图5 铁尾矿砂替代率对混凝土劈裂抗拉强度的影响

由图5可见，劈裂抗拉强度随着铁尾矿砂替代率的增加呈现先提高后降低与逐渐降低2种趋势。

（1）劈裂抗拉强度先提高后降低。铁尾矿砂替代率为20%～30%时，劈裂抗拉强度的增幅较大，较普通混凝土平均提高29.76%；当铁尾矿砂替代率继续增加，劈裂抗拉强度开始降低，当铁尾矿砂替代率为50%～60%时，劈裂抗拉强度与普通混凝土相当。

（2）劈裂抗拉强度逐渐降低。当铁尾矿砂替代率达到最大时，劈裂抗拉强度较普通混凝土平均降低15.72%。研究结果如表3所示。

表3 不同铁尾矿砂替代率下的劈裂抗拉强度提高率

由表3可见，铁尾矿砂最佳替代率为20%～30%，劈裂抗拉强度较普通混凝土平均提高29.76%，而当替代率达到最大时，劈裂抗拉强度较普通混凝土平均降低0.91%，较最佳替代率下降30.67%。

分析混凝土劈裂抗拉强度提高的原因为：铁尾矿砂粒径较小，较小的尾矿颗粒充当水泥，增强了骨料和水泥基体之间的粘结[25-26]。但随着铁尾矿砂替代率的增加，混凝土的劈拉强度逐渐降低是因为：（1）混凝土内部出现大量的针状晶体，骨料之间的粘结度下降；（2）铁尾矿砂的替代率超过了最优颗粒级配，使混凝土又产生了一些微孔隙、内部密实度有所降低，从而使强度降低；（3）铁尾矿砂刚度与硬度较天然砂低，且在制作过程中机械破损使压碎指标大于天然砂[11，17，27]。铁尾矿砂混凝土比普通混凝土脆，因此在工程使用中要多加注意。

1.2.3 对抗弯强度的影响

目前关于铁尾矿砂混凝土抗弯强度的研究不多，铁尾矿砂混凝土抗弯强度随铁尾矿砂替代率的变化如图6所示[9，16，19，21]，研究结果如表4所示。

图6 铁尾矿砂替代率对混凝土抗弯强度的影响

由图6可见，抗弯强度随铁尾矿砂替代率呈先提高后降低的趋势，最佳替代率为30%，此时的抗弯强度较普通混凝土平均提高32.02%；随替代率的继续增加，抗弯强度逐渐降低。铁尾矿砂替代率的增加会增加混凝土的脆性。

由表4可见，除曲立辉[19]的研究结果外（由于掺加钢纤维，改变了铁尾矿砂混凝土最佳替代率），其余研究表明，铁尾矿砂的最佳替代率为25%～30%，较普通混凝土抗弯强度平均提高41.92%，而当铁尾矿砂替代率达到最大时，劈裂抗拉强度较普通混凝土平均降低10%，较最佳替代率下降31.93%。

表4 不同铁尾矿砂替代率下的抗弯强度提高率

徐永泽[28]研究表明：随铁尾矿砂替代率的增加，混凝土的刚度降低、抵抗弹性变形能力减弱、脆性增强、混凝土更易被破坏。宁宝宽等[29]研究表明，掺入少量铁尾矿砂的混凝土应力-应变曲线与坐标轴围成的面积与普通混凝土相近，但随着铁尾矿砂替代率的增加，曲线与坐标轴围成的面积逐渐减小，表明混凝土刚度下降，抵抗弹性变形能力减弱，脆性增强。

1.3 对混凝土耐久性的影响

1.3.1 对抗渗性的影响

混凝土的抗渗性是耐久性中最重要的指标之一。当环境中的氯离子向混凝土内部扩散达到一定浓度时，会引起钢筋锈蚀，并与混凝土中的水化产物反应，造成氯盐侵蚀[30-31]。目前学者研究表明，铁尾矿砂混凝土的抗渗性随着铁尾矿砂替代率的增加呈先提高后降低的趋势。封孝信等[32]的研究表明，当铁尾矿砂替代率为25%时，相对渗透系数最小，抗渗性最好。王雪等[14]的研究表明，铁尾矿砂替代率为20%时抗渗性最好。程和平和陆璐[33]的研究表明，当铁尾矿砂替代率为20%时混凝土的抗渗性最佳。王宁[34]的研究表明，铁尾矿砂替代率为60%时抗渗性最佳。Zhao等[17]的研究表明，铁尾矿砂替代率较小时混凝土的抗渗性有所提高。Tian等[12]的研究表明，铁尾矿砂替代率为35%的混凝土抗渗性与普通混凝土类似。

抗渗性随着铁尾矿砂替代率增加而提高是因为：（1）随着铁尾矿砂替代率的增加，混凝土内部孔隙被填充，孔径细化[32]；（2）铁尾矿砂与水化产物进行二次化学反应产生的水化铝酸钙和水化硅酸钙可以较好地进入混凝土内部的裂隙中，使得混凝土的孔隙结构进一步得到细化，形成了更加紧密稳定的结构，并且使得过水通道堵塞，最终提高混凝土的抗渗性。当铁尾矿砂替代率继续增加时，抗渗性出现下降的原因为：随着铁尾矿砂替代率的进一步增加，此时混凝土内部存在大量的未进行化学反应的铁尾矿砂，导致混凝土骨料级配不均匀，使混凝土中水泥石变得疏松，孔隙结构的整体性下降[14，32]。

1.3.2 对抗冻性的影响

冻融循环试验主要是对饱水状态下的混凝土在冻融循环的环境下来测试混凝土的抗冻性。学者们对铁尾矿砂混凝土的抗冻性进行了一定的研究，不同铁尾矿砂替代率下混凝土质量损失率随冻融循环次数的变化如图7所示[14]。

图7 不同铁尾矿砂替代率下混凝土质量损失率随冻融循环次数的变化

由图7可见，铁尾矿砂替代率对混凝土的抗冻性有一定影响，混凝土的质量损失率随着铁尾矿砂掺量的增加而增大。冻融循环次数相同条件下，铁尾矿砂替代率为20%、40%、60%、80%、100%时质量损失率较普通混凝土分别提高17.16%、39.25%、57.57%、82.03%、98.78%，但质量损失率均低于2.5%。

张信龙等[35]通过冻融-酸雨试验表明，铁尾矿砂混凝土质量损失、动弹性模量、抗压强度随铁尾矿砂替代率的增加而增大。王宁[34]的研究表明，铁尾矿砂混凝土在10%Na2SO4溶液中，20 d时试件表面出现盐析现象，40 d时角部及边缘掉落，60 d时出现碎石外露、损伤加重、表面裂纹加深现象，80 d时试块边缘已完全脱落。腐蚀后试件表面情况如图8所示。

图8 铁尾矿砂混凝土腐蚀后的外观损伤[34]

2 纤维增强铁尾矿砂混凝土

以上研究表明，适宜替代率时铁尾矿砂对混凝土的强度与耐久性均有提升作用，但当铁尾矿砂替代率过高时，会对混凝土产生不利影响，尤其是韧性显著下降。而纤维可以大幅增强混凝土的力学性能与耐久性，近年来已有学者尝试通过掺入钢纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、纤维素纤维改善铁尾矿砂混凝土性能，取得了一定的成果。

魏涛等[16]研究表明，铁尾矿砂再生混凝土中掺入0.1%PVA纤维后，其抗拉、抗压、抗折强度均高于C30普通混凝土。Tang等[36]研究表明，掺入聚丙烯纤维能减少铁尾矿砂混凝土的裂缝。Zhao等[37]研究表明，在50%铁尾矿砂替代率混凝土中，增大聚丙烯纤维的长径比可显著提高劈裂抗拉强度、等效弯曲抗拉强度、残余弯曲抗拉强度和断裂能。不同纤维对铁尾矿砂混凝土力学性能的影响如表5所示。

由表5可见，不同纤维对铁尾矿砂混凝土的力学性能都有一定程度的提高作用，钢纤维能使抗弯强度最大提高59.33%、钢纤维/玄武岩混掺纤维能使抗压强度最大提高93.09%、弹性模量提高81.78%。

表5 不同纤维对铁尾矿砂混凝土力学性能影响

分析纤维提高铁尾矿砂混凝土力学性能的原因为：（1）纤维能有效抑制裂缝的发展并承受部分拉应力，从而增强混凝土抗变形能力[38]；（2）混凝土在受力时，纤维能起到桥接胶凝材料和骨料的作用，力会通过纤维单丝传递到纤维周围的基体上，有效地抑制混凝土内部微裂缝的产生和扩展，裂缝的减少提高了混凝土的强度和耗能能力[38]；（3）纤维分散在混凝土内部，由于与水泥浆体之间具有界面摩擦力、机械咬合力，能够增加混凝土抵抗开裂能力[41]。

3 铁尾矿砂混凝土构件

为推进铁尾矿砂混凝土的工程应用，许多学者采用铁尾矿砂混凝土制备梁、板、柱等结构构件，研究结果如表6所示。

表6 铁尾矿砂混凝土构件性能

由表6可见：铁尾矿砂混凝土梁构件的抗剪性能与普通混凝土相似，甚至高于普通混凝土；铁尾矿砂替代率最大时，抗剪性能下降不超过10%；但铁尾矿砂替代率对抗弯性能影响较大，当铁尾矿砂替代率最大时，开裂荷载与极限弯矩分别降低35.79%、28.49%。板的各项性能随铁尾矿砂替代率的增加也有一定程度的下降，当铁尾矿砂替代率最大时，开裂弯矩与极限弯矩分别下降1.26%、1.39%。柱的抗震性能与普通混凝土相差不大。

4 结论与展望

4.1 结论

（1）铁尾矿砂混凝土坍落度随着铁尾矿砂替代率的增加出现先增加后减小、逐渐减小2种趋势，最佳铁尾矿砂替代率不超过50%，当铁尾矿砂替代率超过50%时，均呈现下降趋势。

（2）铁尾矿砂替代率对混凝土抗压强度影响为降低-提高-降低的趋势。在0～10%铁尾矿砂替代率时，抗压强度呈下降趋势，当铁尾矿砂替代率为10%时，抗压强度较普通混凝土下降3.87%；在10%～30%替代率时，抗压强度随铁尾矿砂替代率的增加呈提高趋势，当铁尾矿砂替代率为30%时，抗压强度较普通混凝土提高5.25%；30%～100%铁尾矿砂替代率时，抗压强度随铁尾矿砂替代率的增加逐渐降低，当铁尾矿砂替代率为100%时，抗压强度较普通混凝土下降13.25%。

（3）劈裂抗拉强度随着铁尾矿砂替代率的增加呈现先提高后降低与逐渐降低2种趋势。第1种趋势时，铁尾矿砂替代率为20%～30%时劈裂抗拉强度的增幅较大，较普通混凝土平均提高29.76%；第2种趋势时，当铁尾矿砂替代率达到最大时，劈裂抗拉强度较普通混凝土平均降低15.72%。

（4）抗弯强度随铁尾矿砂替代率的增加呈先提高后降低的趋势，铁尾矿砂最佳替代率为30%，此时抗弯强度较普通混凝土平均提高32.02%，且铁尾矿砂的掺入会增加混凝土的脆性。

（5）铁尾矿砂混凝土的抗冻性随铁尾矿砂替代率的增加而降低；抗渗性随铁尾矿砂替代率的增加先提高后降低，但铁尾矿砂的掺入对混凝土的耐久性影响不大。

（6）在铁尾矿砂混凝土中掺入一定量的纤维，可以大幅度提高混凝土的抗拉、抗弯性能，且可以一定程度改善混凝土的耐久性。

（7）铁尾矿砂混凝土构件破坏模式、承载力与普通混凝土相似，但延性较差。

4.2 展望

针对当前研究存在的问题和不足，未来铁尾矿砂混凝土研究与应用还需重点关注以下方面：

（1）由于产地差异造成铁尾矿破碎加工方式各不相同，对其混凝土基本性能有较大影响，今后可深入研究铁尾矿砂破碎工艺，以保证其活性、外观与粒径大小。

（2）为解决铁尾矿砂混凝土抗裂性较差的问题，采用纤维混杂方式可作为提高韧性的有益尝试。

（3）目前对于铁尾矿砂混凝土构件的研究集中在静力性能，未来应进一步开展抗震、抗火、冲击、腐蚀等极端服役环境下结构性能研究。