鐵尾礦砂混凝土耐久性能的試驗(yàn)研究

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了大量的鐵尾礦，鐵尾礦在堆放過(guò)程中不僅占用大量土地，而且易產(chǎn)生揚(yáng)塵，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。促進(jìn)鐵尾礦的資源化、無(wú)害化利用，提高鐵尾礦綜合利用率，已經(jīng)成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題[1-2]。目前經(jīng)過(guò)處理的鞍鋼鐵尾礦砂在實(shí)際工程應(yīng)用中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)部分取代河砂作為混凝土細(xì)骨料使用。本文針對(duì)鐵尾礦代砂混凝土可能出現(xiàn)的耐久性問(wèn)題做了試驗(yàn)研究，以期為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1、試驗(yàn)部分

1.1原材料水泥：鞍山鋼都水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，比表面積430m2/kg，28d抗折強(qiáng)度8.9MPa，28d抗壓強(qiáng)度54.3MPa；石子：5~25mm連續(xù)級(jí)配；天然河砂：細(xì)度模數(shù)2.9；鐵尾礦砂：鞍鋼鐵尾礦砂，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1；外加劑：混凝土減水劑，減水率18%。1.2配合比及試驗(yàn)方法配制C25強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，試驗(yàn)用基準(zhǔn)配合比采用水膠比0.5，膠凝材料用量375kg/m3，砂率40%，減水劑摻量為膠凝材料總質(zhì)量的1.8%（基準(zhǔn)值），混凝土的表觀密度為2400kg/m3。分別研究鐵尾礦砂以0%、50%和100%的替代率替代天然砂，混凝土坍落度達(dá)到210mm時(shí)混凝土耐久性的變化規(guī)律。依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土抗水滲透試驗(yàn)、碳化試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)、抗凍試驗(yàn)?？顾疂B透試驗(yàn)：采用滲水高度法，試驗(yàn)所用的試件為圓臺(tái)體，其上下底面直徑分別為175mm、185mm，高度150mm，6個(gè)試件為一組；在1.2MPa水壓下持續(xù)24h加壓，測(cè)量試塊的滲水高度。碳化試驗(yàn)時(shí)，箱內(nèi)的二氧化碳濃度保持在（20±3）%，試件間距＞50mm，測(cè)試試件3、7、14、28d的碳化深度。收縮試驗(yàn)：采用接觸法收縮試驗(yàn)，試件尺寸為100mm×100mm×515mm的棱柱，兩端埋有測(cè)頭的，在臥式混凝土收縮儀上測(cè)試試件3、7、14、28、45、60、120、180d收縮值并計(jì)算其收縮率。凍融試驗(yàn)是對(duì)100mm×100mm×100mm的混凝土試件進(jìn)行100次凍融循環(huán)，測(cè)試凍融后的強(qiáng)度和質(zhì)量損失率。2、結(jié)果與討論

2.1鐵尾礦代砂對(duì)混凝土抗?jié)B性的影響鐵尾礦砂以0%、50%、100%的替代率替天然砂時(shí)混凝土抗?jié)B性的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1混凝土抗水滲透性由圖1可知，相同條件下，天然砂混凝土的平均滲水高度為36mm，代砂率為50%、100%混凝土的平均滲水高度為32、53mm，不同代砂率的混凝土均滿足抗?jié)B等級(jí)＞P12的要求。但50%鐵尾礦砂代砂混凝土和天然砂混凝土平均滲水高度值接近，并且優(yōu)于天然砂混凝土。相同條件下，代砂率100%鐵尾礦砂混凝土抗水滲透性能最差?；炷翝B水的主要原因是由于內(nèi)部孔隙形成連通的滲水通道。混凝土在配合比、試驗(yàn)振實(shí)條件及養(yǎng)護(hù)條件相同的情況下，適當(dāng)?shù)蔫F尾礦粉摻入混凝土中，能起到填料的作用。微小的尾礦顆粒填充滲水通道阻礙水分繼續(xù)向混凝土內(nèi)滲透，從而提高了混凝土的抗?jié)B性。當(dāng)混凝土中鐵尾礦砂摻量過(guò)大時(shí)，粗細(xì)骨料級(jí)配不合理，不但不能很好填充粗骨料間的空隙，反而造成混凝土孔隙率變大，給水分?jǐn)U散提供了通道，進(jìn)而使混凝土的抗?jié)B性下降。2.2鐵尾礦代砂對(duì)混凝土碳化的影響抗碳化性是混凝土耐久性的一個(gè)重要考核指標(biāo)。鐵尾礦砂以0%、50%、100%的替代率替代天然砂時(shí)，混凝土的碳化深度平均值如圖2所示。圖2混凝土碳化深度由圖2可知：（1）不同代砂率混凝土的28d碳化深度均沒(méi)有超過(guò)20mm，按照J(rèn)GJ/T193—2009《混凝土耐久性能檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，在快速碳化試驗(yàn)中，碳化深度小于20mm的混凝土，其抗碳化性能較好，一般認(rèn)為可滿足大氣環(huán)境下50年的耐久性要求；混凝土抗碳化性能的等級(jí)劃分均為T(mén)-Ⅲ級(jí)（10≤d＜20mm）。（2）不同代砂率混凝土的碳化深度都是隨著齡期的增長(zhǎng)而增大；代砂為50%的混凝土比同齡期天然砂混凝土碳化值要略低，說(shuō)明代砂率為50%的混凝土抗碳化性能最好。這可能是因?yàn)檫m當(dāng)鐵尾礦砂的加入，鐵尾礦砂中的微細(xì)粉改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率，使混凝土的密實(shí)度得到相應(yīng)的改善，導(dǎo)致單位體積混凝土吸收的CO2要少，影響了CO2在混凝土中的擴(kuò)散。若過(guò)多鐵尾礦砂加入，大量的微細(xì)粉存在，遠(yuǎn)超過(guò)了混凝土中微小空隙填料的需求量，就會(huì)形成了不合理的級(jí)配，混凝土的空隙率反而變大，促進(jìn)了CO2在混凝土中的擴(kuò)散。這與我們?cè)诳節(jié)B性試驗(yàn)中得出的結(jié)果是一致的，也符合在水泥品種、二氧化碳濃度相同的情況下，影響混凝土碳化速度的主要因素是透水性的理論邏輯。2.3鐵尾礦代砂對(duì)混凝土收縮的影響隨著混凝土的廣泛應(yīng)用，混凝土的自收縮問(wèn)題愈來(lái)愈引起人們的關(guān)注。王鐵夢(mèng)[3]調(diào)研表明在工程結(jié)構(gòu)中由荷載引起的裂縫不足20%，而由非荷載（包括收縮、沉降等）引起的裂縫占有80%以上?；炷恋氖湛s和開(kāi)裂有著密切的關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降甚至結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性和耐久性造成威脅。所以自收縮問(wèn)題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本部分試驗(yàn)重點(diǎn)研究了鐵尾礦砂代砂率為0%、100%混凝土的收縮率，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3混凝土收縮率由圖3可知，代砂率為100%的鐵尾礦砂混凝土3d收縮要高于天然砂混凝土。這主要是因?yàn)?，這一階段的收縮變形主要是由于水和水泥在發(fā)生水化反應(yīng)和水分蒸發(fā)產(chǎn)生[4]，在水灰比、塌落度相同的情況下，由于礦渣砂的比表面積大，導(dǎo)致用于混凝土晶格、粗細(xì)毛孔中的自由水少，因此尾礦砂混凝土的早期自收縮率大。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，齡期14d時(shí)，不同代砂率混凝土的收縮率逐漸趨同。14d后水化反應(yīng)逐漸減弱，體積變形越來(lái)越微小，混凝土的自收縮率變化較小，凝土由收縮快速發(fā)展階段逐漸進(jìn)入平緩階段?；炷笼g期為180d時(shí)，尾礦砂混凝土的自收縮率為0.864×10-4，而天然砂混凝土的的自收縮率為1.486×10-4。100%礦渣砂混凝土后期的收縮性要優(yōu)于天然砂混凝土。2.4鐵尾礦代砂對(duì)混凝土抗凍性的影響本部分試驗(yàn)采用慢凍法，分別對(duì)鐵尾礦砂代砂率為0%、50%、100%的混凝土進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4混凝土凍融質(zhì)量損失由圖4可知，經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)，混凝土試件的質(zhì)量損失率均較小，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的質(zhì)量損失率不超過(guò)5%。天然砂混凝土的質(zhì)量損失率最小，摻有礦渣的試件質(zhì)量損失率較天然砂混凝土稍大，混凝土摻鐵礦渣后抗凍性降低，但影響不大。圖5混凝土凍融強(qiáng)度損失由圖5可知，代砂率不同的混凝土試塊經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失率均未超過(guò)25%，天然砂混凝土強(qiáng)度損失率最低，代砂率50%次之，100%最差。由此說(shuō)明，摻有鐵尾礦砂的混凝土在抗凍融性能上，與天然河砂相接近。

結(jié)論

（1）代砂率為50%鐵尾礦砂混凝土抗水滲透性能好于天然砂混凝土，隨著尾礦摻量的增大，抗水滲透性降低，代砂率為100%鐵尾礦砂代砂的混凝土的抗水較差。（2）代砂率分別為0%、50%、100%混凝土的28d抗碳化性能均為T(mén)-Ⅲ（10≤d＜20mm）等級(jí)；代砂率為50%鐵尾礦混凝土的抗碳化性能要優(yōu)于