鐵尾礦砂混凝土耐久性能的試驗研究

隨著我國鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了大量的鐵尾礦，鐵尾礦在堆放過程中不僅占用大量土地，而且易產(chǎn)生揚塵，對周邊環(huán)境造成嚴重的危害。促進鐵尾礦的資源化、無害化利用，提高鐵尾礦綜合利用率，已經(jīng)成為一個急需解決的問題[1-2]。目前經(jīng)過處理的鞍鋼鐵尾礦砂在實際工程應用中已經(jīng)實現(xiàn)部分取代河砂作為混凝土細骨料使用。本文針對鐵尾礦代砂混凝土可能出現(xiàn)的耐久性問題做了試驗研究，以期為工程實際應用提供理論基礎。

1、試驗部分

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抗折強度8.9MPa，28d抗壓強度54.3MPa；石子：5~25mm連續(xù)級配；天然河砂：細度模數(shù)2.9；鐵尾礦砂：鞍鋼鐵尾礦砂，其物理性能指標見表1；外加劑：混凝土減水劑，減水率18%。1.2配合比及試驗方法配制C25強度等級的混凝土，試驗用基準配合比采用水膠比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，混凝土坍落度達到210mm時混凝土耐久性的變化規(guī)律。依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行混凝土抗水滲透試驗、碳化試驗、收縮試驗、抗凍試驗。抗水滲透試驗：采用滲水高度法，試驗所用的試件為圓臺體，其上下底面直徑分別為175mm、185mm，高度150mm，6個試件為一組；在1.2MPa水壓下持續(xù)24h加壓，測量試塊的滲水高度。碳化試驗時，箱內(nèi)的二氧化碳濃度保持在（20±3）%，試件間距＞50mm，測試試件3、7、14、28d的碳化深度。收縮試驗：采用接觸法收縮試驗，試件尺寸為100mm×100mm×515mm的棱柱，兩端埋有測頭的，在臥式混凝土收縮儀上測試試件3、7、14、28、45、60、120、180d收縮值并計算其收縮率。凍融試驗是對100mm×100mm×100mm的混凝土試件進行100次凍融循環(huán)，測試凍融后的強度和質(zhì)量損失率。2、結果與討論

2.1鐵尾礦代砂對混凝土抗?jié)B性的影響鐵尾礦砂以0%、50%、100%的替代率替天然砂時混凝土抗?jié)B性的試驗結果如圖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＞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?；炷猎谂浜媳取⒃囼炚駥崡l件及養(yǎng)護條件相同的情況下，適當?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。當混凝土中鐵尾礦砂摻量過大時，粗細骨料級配不合理，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，給水分擴散提供了通道，進而使混凝土的抗?jié)B性下降。2.2鐵尾礦代砂對混凝土碳化的影響抗碳化性是混凝土耐久性的一個重要考核指標。鐵尾礦砂以0%、50%、100%的替代率替代天然砂時，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碳化深度均沒有超過20mm，按照JGJ/T193—2009《混凝土耐久性能檢驗評定標準》規(guī)定，在快速碳化試驗中，碳化深度小于20mm的混凝土，其抗碳化性能較好，一般認為可滿足大氣環(huán)境下50年的耐久性要求；混凝土抗碳化性能的等級劃分均為T-Ⅲ級（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，說明代砂率為50%的混凝土抗碳化性能最好。這可能是因為適當鐵尾礦砂的加入，鐵尾礦砂中的微細粉改善了混凝土的孔隙結構和孔隙率，使混凝土的密實度得到相應的改善，導致單位體積混凝土吸收的CO2要少，影響了CO2在混凝土中的擴散。若過多鐵尾礦砂加入，大量的微細粉存在，遠超過了混凝土中微小空隙填料的需求量，就會形成了不合理的級配，混凝土的空隙率反而變大，促進了CO2在混凝土中的擴散。這與我們在抗?jié)B性試驗中得出的結果是一致的，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鐵尾礦代砂對混凝土收縮的影響隨著混凝土的廣泛應用，混凝土的自收縮問題愈來愈引起人們的關注。王鐵夢[3]調(diào)研表明在工程結構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。混凝土的收縮和開裂有著密切的關系，會導致結構承載力下降甚至結構破壞，對結構的長期性和耐久性造成威脅。所以自收縮問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本部分試驗重點研究了鐵尾礦砂代砂率為0%、100%混凝土的收縮率，試驗結果如圖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。這主要是因為，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，導致用于混凝土晶格、粗細毛孔中的自由水少，因此尾礦砂混凝土的早期自收縮率大。隨著水化反應的進行，齡期14d時，不同代砂率混凝土的收縮率逐漸趨同。14d后水化反應逐漸減弱，體積變形越來越微小，混凝土的自收縮率變化較小，凝土由收縮快速發(fā)展階段逐漸進入平緩階段?；炷笼g期為180d時，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鐵尾礦代砂對混凝土抗凍性的影響本部分試驗采用慢凍法，分別對鐵尾礦砂代砂率為0%、50%、100%的混凝土進行抗凍試驗，結果如圖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，符合國家標準要求的質(zhì)量損失率不超過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混凝土凍融強度損失由圖5可知，代砂率不同的混凝土試塊經(jīng)過100次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失率均未超過25%，天然砂混凝土強度損失率最低，代砂率50%次之，100%最差。由此說明，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-Ⅲ（10≤d＜20mm）等級；代砂率為50%鐵尾礦混凝土的抗碳化性能要優(yōu)于