改性铁尾矿微粉混凝土的性能研究

刘娟红 吴瑞东 李生丁

（1.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；2.福建金砖资源再生有限公司，三明 365104）

随着冶金工业的迅速发展，尾矿的产生量不断增加。尾矿是在开采、分选矿石之后排放的暂时不能被利用的固体或粉状废料，包括矿山尾矿和选矿厂尾矿。当前，世界各国每年排出的尾矿量约为50亿吨，而我国在2000年尾矿排放量就高达6亿吨。在我国，现有大中型的铁尾矿库400多个，堆存的铁尾矿在80亿吨以上。随着尾矿量的增多，尾矿坝越来越高，堆坝和管理工作越来越困难，特别是细粒尾矿及浮选厂排出的尾矿，对农田、水源产生污染，严重影响着环境[1-4]。我国尾矿综合利用率仅为7%左右，远低于国外60%的利用率，和发达国家相比差距很大，大量的尾矿只能堆放在尾矿库。因此，将尾矿加以利用，变废为宝，是广大科技工作者十分关心的问题[5-7]。我国在从尾矿中回收有价金属与非金属元素，利用尾矿制作建筑材料，将磁化尾矿作为土壤改良剂和尾矿整体利用等方面已经取得了实用性成果[8]。另一方面，随着绿色高性能混凝土的飞速发展，矿物掺合料已逐渐成为混凝土中除砂、石、水泥、水、高效减水剂以外不可缺少的第六组分[9]。我国目前用量最大的矿物掺合料是粉煤灰，这导致我国粉煤灰的数量迅速减少，尤其北京地区粉煤灰资源紧缺，主要靠来自山东、内蒙古等地区的Ⅱ、Ⅲ级粉煤灰作为矿物掺合料配制混凝土[10]。因此，利用铁尾矿微粉代替粉煤灰制备混凝土，不仅对保护生态环境、减少环境污染、除危及人民生命及财产的安全隐患等具有重要意义，还解决北京地区粉煤灰资源紧缺的燃眉之急。

本文利用两种不同细度的改性铁尾矿微粉和粉煤灰，分别配制出C20-C60的大流态混凝土，研究不同比例的铁尾矿微粉掺合料对水泥净浆流动度的影响，并研究铁尾矿微粉矿物掺和料对不同等级下混凝土和易性、强度发展规律及耐久性（碳化试验、抗渗试验）的影响。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

试验原材料包括：P·O42.5水泥（水泥的主要性能指标见表1）；Ⅱ级粉煤灰（细度为10.2、需水量96%）；S95磨细矿渣粉；两种不同细度改性铁尾矿微粉（其主要性能见表2）；细骨料为2区人工砂；粗骨料为5mm~10mm的细石子与10mm～20mm的粗石子以1:2的比例混合使用；拌合用水为生活用水；减水剂为萘系减水剂（C20-C50混凝土）和西卡聚羧酸减水剂（C55、C60混凝土）。

1.2 试验方法

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）中水泥净浆的制备方法，制成水泥试件，测量其净浆流动度；按照国家标准规程测量混凝土的坍落度；混凝土的强度是利用YAW-YAW 2000A型200t微机控制电液伺服压力试验机测定的（抗压强度试验的加荷速度控制在2400N/s±200N/s速率范围内）。混凝土试件尺寸为100mm×100mm×100mm，1d拆模并在标准养护室内（室温20℃+3，相对湿度：90%以下）养护至28d完毕后，60℃干燥48h，移入碳化箱中碳化，经14d持续碳化后再取出试件测定其碳化深度。

1.3 试验配合比和试验数据

本试验制备了C20-C60强度等级的混凝土，设计了两种铁尾矿微粉与Ⅱ级粉煤灰的对比，以了解铁尾矿微粉对混凝土的性能影响。表3中，分别用等量的两种铁尾矿微粉、粉煤灰和矿粉，制备混凝土试块，每组试验保证铁尾矿微粉和粉煤灰等量，其他原材料量不变。试验结果见表4。

2 结果及分析

2.1 不同掺合料对净浆流动度的影响

将铁尾矿微粉分别取代0%、10%、20%、30%和40%的水泥用量，制成水泥试件，测定净浆流动度，结果曲线图见图1。

从试验曲线可以看出，两种铁尾矿微粉形成的水泥圆饼的直径基本随着铁尾矿微粉替代水泥的比例的增加而增大。由于铁尾矿微粉的水化速度不如水泥水化速度快，需水量小于95%，掺入铁尾矿微粉（取代等量水泥）的水泥泥浆，初凝时间和终凝时间均可延长。适当延长水泥凝结时间，对大体积混凝土非常有利，可防止水化热集中释放。净浆扩展度随着铁尾矿微粉掺量的增加而增大，能使施工时混凝土拌合物的流动性增大、和易性改善、泵送能力增强。总之，以铁尾矿微粉作为掺合料制备的混凝土，与Ⅱ级粉煤灰混凝土相比，流动性和保水性更好。

表1 水泥主要性能指标

表2 铁尾矿微粉主要性能

表3 铁尾矿微粉（或粉煤灰）和矿粉配制各等级混凝土的配合比（Kg/m 3）

表4 粉煤灰和铁尾矿微粉对混凝土工作性能的影响

图1 铁尾矿微粉掺和的净浆流动度

2.2 不同掺合料对混凝土工作性的影响研究

根据表4中的试验测试结果可以看出，用铁尾矿微粉作为掺合料制备混凝土，混凝土坍落度都很好，均大于200mm；在用水量和水胶比相同、外加剂用量基本相同的情况下，铁尾矿微粉一、二混凝土的坍落度大于粉煤灰混凝土；在每个强度等级下，坍落度达到最大值的试块基本都掺入了铁尾矿微粉。综合考虑，铁尾矿微粉一、二混凝土试样的流动性、和易性大于粉煤灰混凝土试样，在坍落度、扩展度、和易性、流动性上都有较好的工作性能，满足混凝土要求的工作性能。

2.3 不同掺合料对混凝土强度的影响研究

根据图2可知，混凝土抗压强度随着时间的增长呈增加的趋势，且铁尾矿微粉的掺入和粉煤灰一样，都对混凝土强度提高有很大影响，对一些强度等级的混凝土提高比例甚至大于Ⅱ级粉煤灰。结合表4中部分数据可以看出，掺入了铁尾矿微粉的混凝土试样，其强度比之Ⅱ级粉煤灰的混凝土强度基本相当，铁尾矿微粉一比Ⅱ级粉煤灰的强度还有所提高。因此，用铁尾矿微粉代替粉煤灰对混凝土的强度基本没有影响。

2.4 不同掺合料对混凝土碳化深度的影响研究

试验针对掺有等量尾矿微粉和粉煤灰的不同强度等级的混凝土，分别测试标准养护28d后，其在标准碳化条件下的碳化深度。碳化试验结果见表5。

由试验可得出，随着混凝土强度的增大，混凝土碳化深度的变化总趋势为减小。在较低强度等级混凝土中，铁尾矿微粉混凝土的碳化深度比Ⅱ级粉煤灰混凝土的碳化深度略有增加；在较高强度等级混凝土中，铁尾矿微粉混凝土的碳化深度比Ⅱ级粉煤灰混凝土的碳化深度反而更小。综合以上分析，铁尾矿微粉在抗碳化性能上与Ⅱ级粉煤灰基本相当，对于耐久性影响不大。

结论

（1）净浆扩展度随着铁尾矿微粉掺量的增加而增大，能使施工时混凝土拌合物的流动性增大、和易性改善、泵送能力增强，掺入铁尾矿微粉的水泥泥浆，初凝时间和终凝时间均延长地更为明显，对大体积混凝土非常有利；

图2 不同种类掺合料配制的混凝土强度

表5 铁尾矿微粉和粉煤灰制备各级混凝土的碳化深度

（2）掺入铁尾矿微粉的混凝土坍落度经时损失减小，坍落度保留值增加，铁尾矿微粉的掺入可以有效地改善水泥搅拌时的流动性，延长水泥凝结时间，并且随着铁尾矿微粉掺量的增加，凝结时间延长；

（3）混凝土试样的抗压强度随着时间的增长呈增加的趋势，且铁尾矿微粉的掺入和粉煤灰一样，都对混凝土强度提高有很大影响，甚至提高比例大于粉煤灰；

（4）铁尾矿微粉一、二抗碳化能力基本与Ⅱ级粉煤灰相当，对耐久性影响不大。

由上述结论可知，铁尾矿微粉的掺入使混凝土的流动性增大、和易性改善、泵送能力增强；在保证混凝土工作性、强度、耐久性方面，铁尾矿微粉可以代替粉煤灰作为掺合料。

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