某铁尾矿砂石对混凝土力学性能的影响研究*

何 芮

（闽西职业技术学院）

我国矿山企业铁尾矿存量高，需要尾矿库堆放，继而产生了占据大面积土地资源、污染生态环境及溃坝安全等问题。建筑工程中常用到的天然骨料，需要经过开采才能利用，开采过程中不仅会破坏生态环境，污染水源，并且会严重影响河道行洪度汛及堤防安全。同时，因天然骨料产品质量不稳定、含泥量过高、级配不合理等原因，给工程建筑埋下诸多安全隐患。随着天然骨料开采的深入，逐渐出现了资源枯竭现象，市场上早已处于供不应求的状态；而铁尾矿具有材料丰富、成本低廉和绿色环保等优势，可极大地促进固体废弃物的综合利用，对铁尾矿的转化利用具有重要意义。

矿山企业的废弃铁尾矿可取代部分建筑材料，例如破碎后的铁尾矿石可代替混凝土粗骨料，细粒铁尾矿砂可以代替混凝土细骨料［1］，具有废物二次利用、节能环保等多重效果。陈杏婕等［2］在制备高强度混凝土时用铁尾矿石作为粗骨料，研究结果表明，铁尾矿石符合Ⅰ级碎石标准，完全可以替代天然砂石粗骨料。黄正均等［3］用铁尾矿砂作为细骨料加入混凝土中，得出铁尾矿砂替代细骨料的比例为20%时，混凝土的凝结时间、和易性最优，块体密度最大，耐久性最好。

铁尾矿砂石是通过专业设备制出的符合工业要求的人造砂石［4］，随着天然砂石资源的日渐枯竭，工程建设中对铁尾矿砂石的需求量将会越来越大。不同地区的铁尾矿成分及制成的混凝土性能差异较大。龙岩某矿山企业为了研究铁尾矿砂石代替天然骨料后对建筑物的影响，采用5～15 mm 粒级铁尾矿石代替混凝土粗骨料，采用1～5 mm粒级铁尾矿砂按0%，25%，50%，75%，100%的比例代替混凝土细骨料，通过试验研究了铁尾矿石和不同铁尾矿砂含量对混凝土抗拉强度、立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和坍落度等指标的影响。

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

试验材料主要包括水泥、砂子、铁尾矿砂、铁尾矿石及减水剂等，其中水泥选用华润牌42.5 级普通硅酸盐水泥（表1），试验用铁尾矿砂和铁尾矿石均来源于龙岩某矿山企业的铁尾矿，铁尾矿砂粒径为1～5 mm，细度模数为1.72，各项指标见表2，铁尾矿石粒径为5～15 mm，各项指标见表3。

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铁尾矿砂石混凝土的物理力学性能主要受混凝土养护时间、初始抗压强度、用水量、水泥消耗量、铁尾矿砂石掺量等因素的影响，且其性能随着养护时间的延长而增强。由于混凝土的基本性能和质量会受多种因素的影响，故此为了保证混凝土的基本性能，需在搅拌混凝土期间加入适量的减水剂，以达到降低用水量的目的，以此加快混凝土的成型速度。常见混凝土减水剂包括高性能、高效化和普通减水剂，若以组成材料为依据，减水剂又可分为多环芳香族盐类、木质素磺酸盐类和聚羧酸盐系高效减水剂类等。该试验选择含气量3.0%、泌水率比20%、含固量39%、减水率22%的聚羧酸高性能减水剂。

1.2 试验设备

铁尾矿砂石混凝土的搅拌过程中，利用搅拌机充分搅拌铁尾矿砂、铁尾矿石、砂子和水泥等，并运用筛分试验仪器和烘箱设备，进行铁尾矿砂和铁尾矿石的表观密度、吸水率、含泥量试验。制作混凝土试件过程中，利用专业化的工具将拌和物放置于非标准试模内，再通过振捣台振捣密实，24 h 即可拆除试模，并按照要求对试块标准化养护［5］。然后，测定养护28 d的5组混凝土试块的劈裂抗拉强度、立方体抗压强度和轴心抗压强度值和弹性模量等。

2 配合比设计

试验以普通混凝土配合比设计要求为基础，水灰比统一取0.4，制作5 组混凝土试块，每组试块12个。选用铁尾矿石替代天然粗骨料，铁尾矿砂等量替代天然细骨料，掺量分别为0%，25%，50%，75%，100%，试块分组标记为RC-0、RC-25、RC-50、RC-75、RC-100。

配合比设计过程中，满足建筑物耐久性要求、施工和易性要求、强度等级要求，所涉及的参数为水灰比、减水率及砂率等。具体设计流程中确定混凝土配制强度参考公式

式中，fcu，0为混凝土配制强度，MPa；fcu，k为混凝土立方体强度标准值，取30 MPa；σ为混凝土骨料强度标准差，查《普通混凝土配合比设计规程》，取5.0 MPa。

选取水灰比为0.52，结合使用的铁尾矿砂骨料特点，掺加1.7%的聚羧酸高性能减水剂，减水率22%，确定用水量以及水泥用量；参考砂石状态参数以及拌和物的和易性能，确定砂率40%；选择体积法计算粗、细骨料的需求量。根据现有资源科学化调整配合比［6］，物料配合比见表4。

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3 铁尾矿砂石混凝土力学性能试验

3.1 混凝土抗拉性能试验

当试块从中间劈裂后，试块裂纹形成于外表皮砂浆面，通过不断增加压力，裂纹向砂浆、铁尾矿砂石骨料方向延伸，二者间的黏结度下降，最终彻底分开，但整个试验期间骨料仍处于完整状态。抗拉性能试验结果见图1。

由图1 可见，随着铁尾矿砂取代率的不断提高，试块劈裂抗拉强度呈现先升高后降低的趋势［7］；当铁尾矿砂取代率为25%时，劈裂抗拉强度为最大值3.51 MPa；当铁尾矿砂取代率超过25%时，劈裂抗拉强度随之降低，但均大于普通混凝土的强度，表明铁尾矿砂石混凝土的抗拉强度符合建筑工程的施工要求。

3.2 混凝土抗压性能试验

抗压性能试验主要对5 组试块进行立方体抗压强度和轴心抗压强度试验，观察立方体和棱柱体的抗压破坏形态［8］，抗压性能试验结果见表5。

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由表5可知，铁尾矿砂石混凝土在铁尾矿石完全取代粗骨料、铁尾矿砂取代率不同的情况下，铁尾矿砂石混凝土与普通混凝土的抗压强度差异化明显；随着铁尾矿砂取代率的增加，抗压性能呈现先上升后下降的特点；当铁尾矿砂掺量为25%时，立方体试块处于最大抗压强度状态，为39.89 MPa；当取代率分别为0%，50%，75%，100%时，试块的抗压强度也大于普通混凝土的强度30 MPa。当铁尾矿砂掺量为25%时，轴心抗压强度最高；当铁尾矿砂掺量超过25%时，随着取代率的增加，轴心抗压强度随之降低，但均大于普通混凝土的强度，与立方体抗压强度变化情况相类似。另外，当铁尾矿砂的掺量较大时，随着掺量的不断增加，试块混凝土强度变化缓慢，主要是由于大量的铁尾矿砂对砂浆与骨料的黏结度造成了影响。试验结果表明，铁尾矿砂石混凝土的抗压强度符合不同建筑工程的施工要求。

3.3 混凝土变形性能试验

参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2016），以棱柱体抗压强度为依据，分析试块弹性模量的变化情况，结果见表6。

由表6 可知，在不同取代率下，铁尾矿砂石混凝土试块的弹性模量变化较为明显；当取代率为75%时，试块弹性模量的数值最大，但铁尾矿砂石混凝土的弹性模量均比普通混凝土的弹性模量小，由此说明铁尾矿砂石混凝土的变形性能较差，抗震性能较好；如果铁尾矿砂石混凝土的弹性模量太低，则会不利于混凝土的耐久性，因此需要通过不断改变水灰比和铁尾矿砂的取代率，将弹性模量控制在一定范围内，以确保铁尾矿砂石混凝土的变形性能与普通混凝土相近。

3.4 砂率对混凝土坍落度的影响

试验过程中，应考虑泵送混凝土施工的需求以及其他施工因素带来的影响，提前对铁尾矿砂进行预湿处理，并加入适量的减水剂，试验结果见表7。

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由表7 可知，当固定砂率为40%时，混凝土的初始坍落度较大，且随着时间的延长降低；从轻集料层面分析，砂率的降低需要消耗更多的轻集料，产生该现象的主要原因是水泥水化期间轻集料与水泥浆体形成湿度梯度，加入更多的轻集料则内干燥效果显著；另外，分析铁尾矿砂石混凝土的抗压强度和弹性模量时，需考虑砂率对混凝土抗压强度和弹性模量的影响［9］。

4 试验结果与分析

（1）铁尾矿石取代混凝土中的粗骨料，当掺入不同量的铁尾矿砂后，试块的劈裂抗拉强度先提高后降低，但均大于普通混凝土的强度，当取代率为25%时，劈裂抗拉强度有最大值。

（2）铁尾矿砂石混凝土相比普通混凝土，立方体抗压强度和轴心抗压强度都得到了有效改善，其中当铁尾矿砂取代率为25%时，立方体抗压强度和轴心抗压强度都有最大值。

（3）铁尾矿砂石混凝土的弹性模量都比普通混凝土的弹性模量更小，说明铁尾矿砂石混凝土的变形性能较差，抗震性能较好，当用于建筑中时，需要通过改变水灰比和铁尾矿砂的取代率，将弹性模量控制在一定范围内。

（4）分析铁尾矿砂石混凝土的力学性能时，砂率的影响不容忽视。

5 结 语

（1）在天然骨料匮乏且当代矿山企业尾矿库越来越难受批的背景下，铁尾矿的回收利用可有效解决资源短缺、尾砂存量高、土地资源占用、生态环境污染及溃坝安全等问题。因此，加大对铁尾矿砂石混凝土的研究力度，对实现科学化运用铁尾矿砂石混凝土意义重大。

（2）通过对铁尾矿砂石混凝土进行力学性能试验可知，相比普通混凝土，铁尾矿砂石混凝土的抗拉强度、立方体抗压强度及轴心抗压强度均更高，可满足不同建筑工程的施工要求；但在使用过程中，需要通过改变水灰比和铁尾矿砂的取代率，将弹性模量控制在一定范围内，以提高铁尾矿砂石混凝土的变形性能和耐久性。