铁尾矿砂再生混凝土的力学性能试验研究

袁益欣　朱倩　陈记豪　叶栋山

摘 要：与天然骨料制备的传统混凝土相比，采用建筑垃圾制备的再生混凝土对于建筑行业可持续发展具有重要意义。在本研究中，采用铁尾矿砂作细骨料，以处理后的废弃混凝土为粗骨料制备铁尾矿砂再生混凝土，测试不同再生骨料取代率下的混凝土的立方体抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度等力学指标，并制备普通混凝土与之进行对比分析，从而选出最佳再生骨料取代率。结果表明：当铁尾矿砂作为细骨料时，随着再生粗骨料取代率的增加，铁尾矿砂再生混凝土的立方体抗压强度逐渐减小，但是劈裂抗拉强度和抗折强度呈现先增大后减小的趋势，其中再生粗骨料取代率为50%时，铁尾矿砂再生混凝土的综合力学性能最佳。

关键词：铁尾矿砂;再生骨料;力学性能;取代率

中图分类号：TU528     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）4-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.017

Experimental Research on the Mechanical Properties of Iron Tailings Recycled Concrete

YUAN Yixin ZHU Qian CHEN Jihao YE Dongshan

（1. North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China;

2. Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： Compared with traditional concrete made from natural aggregates， recycled concrete made from construction waste is of great significance to the sustainable development of the construction industry. In this study， iron tailings sand was used as the fine aggregate， and the treated waste concrete was used as the coarse aggregate to prepare iron tailings recycled concrete，And the concrete with river sand as the fine aggregate was used as the control group，Test mechanical indexes such as cubic compressive strength， flexural strength and split tensile strength of concrete under different recycled coarse aggregate replacement rates， Then select the best recycled aggregate replacement rate .The results show that when iron tailings sand is used as fine aggregate， with the increase of the replacement rate of recycled coarse aggregate， the compressive strength of iron tailings recycled concrete gradually decreases， but the split tensile strength and flexural strength first increase and then decrease. When the replacement rate of recycled coarse aggregate is 50%， the comprehensive mechanical properties of recycled concrete with iron tailings are the best.

Keywords： iron tailings;recycled aggregate;mechanical properties;replacement rate

0 引言

随着我国工程建设的快速发展，现有建筑、道路、橋梁、水工结构的拆除、维护和加固产生的废弃混凝土越来越多。建筑垃圾是许多国家的主要环境问题之一。以前处理建筑垃圾的一般方法是扔进垃圾填埋场，占用了大量珍贵的土地资源，并造成了环境污染问题。

废弃混凝土是建筑垃圾中最重要的组成部分，再生骨料是废弃混凝土经过破碎、筛分、清洗后得到的骨料，再生粗骨料一般指粒径为5～20 mm的骨料。陈旭勇等[1]采用两种不同的再生粗骨料，分别以不同的掺量代替天然粗骨料制备了再生骨料混凝土（简称为RAC），研究了不同再生粗骨料的品质和掺量对RAC的物理力学性能的影响，结果表明RAC的抗压强度和劈裂抗拉强度均随着再生粗骨料掺量的增加而降低。从废弃混凝土中获得的再生粗骨料具有较高的砂浆含量，使用它们配制的RAC的天然碎石含量比天然骨料混凝土（简称为NAC）低。而且在加工过程中，再生骨料会产生微裂纹和微孔隙等缺陷，所以与NAC相比，RAC的强度较差。可以通过强化再生骨料[2]、调整再生骨料取代率[3]、改变水灰比[4]、添加矿物掺合料[5]等方法来提高RAC的力学性能和耐久性。

铁尾矿是铁矿经过精炼、磨矿、选铁后剩余的固体废物[6]。铁尾矿的粒度小于4.75 mm，称为铁尾矿砂。铁尾矿砂与河砂相比，二者化学成分相似，但是外观形貌略有不同。Zhang等[7]指出铁尾矿砂的筛分曲线和细度模数与河砂相似，可100%替代河砂用于混凝土中。柴洪俊等[8]分别用铁尾矿砂和天然砂配制混凝土，对比得出：随着铁尾矿砂细度模数的增加，铁尾矿砂混凝土的强度会略高于天然砂混凝土。

目前，对于铁尾矿砂和再生粗骨料组合掺入混凝土中，尤其是铁尾矿砂100%掺入混凝土中的力学性能的研究尚不充分。本研究选用不同掺量的再生粗骨料替代天然粗骨料制备铁尾矿砂-再生混凝土，取代率分别为0%、30%、50%、70%、100%，并制备河砂-再生混凝土与之进行对比分析，取代率分别为0%、100%。通过测试其立方体抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度，研究铁尾矿砂再生混凝土的力学性能变化。

1 试验项目

1.1 试验材料

胶凝材料采用普通硅酸盐水泥（新兴水泥厂，PO42.5）和粉煤灰（新乡长垣同力建材的电厂原灰），减水剂是PCA®-Ⅷ系列聚羧酸高性能减水剂（江苏苏博特公司，减水率25%）。

细骨料采用铁尾矿砂（洛阳嵩县的铁矿厂）。根据细度模数（2.4）判断为中砂。粗骨料是由天然石子和再生骨料组成的，通过筛分得到10～20 mm（大粒径）和5～10 mm（小粒径）两种粒径的粗骨料。根据规范《建筑用卵石、碎石》（GB 14685—2011）的要求，再生粗骨料的大小粒径的混合比例为7∶3。天然粗骨料的大小粒径的混合比例为6∶4。

1.2 配合比设计

由1.1知，制备了铁尾矿砂再生混凝土，再生粗骨料取代率为0%、30%、50%、70%、100%。另外，制备了河砂再生骨料混凝土与之进行对比分析，再生粗骨料取代率分别为0%、100%。混凝土的配合比如表1所示，水胶比为0.4，减水剂掺量为水泥的0.8%。其中附加用水量等于再生粗骨料的质量乘以它的吸水率（5.23%）。

1.3 试验方法

浇筑混凝土前，应先称量再生粗骨料和附加水的质量，二者充分混合后，静置30 min，再称量其他材料的质量。然后将粗骨料、细骨料、水泥依次加入搅拌机中，干搅拌60 s，最后加入含有减水剂的水，搅拌180 s。搅拌完成后，即刻测量新拌混凝土的坍落度，然后将混拌合物浇筑在100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的模具中，等待48 h后开始脱模，试件拆模后应立即放入温度为（20±2） ℃、相对湿度为90%以上的标准养护室中养护28 d。

本研究采用万能试验机（WDW-100V）对混凝土进行劈裂抗拉试验和抗折试验。混凝土的力学性能测定按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GBT 50081—2019）进行，加载速率为0.5 MPa/s。本试验中试块为非标准试块，每组测试三个样品求平均值。

2 结果与讨论

2.1 立方体抗压强度试验

再生骨料混凝土抗压强度如图1所示，图中（x）代表再生粗骨料的取代率。当细骨料采用铁尾矿砂时，随着再生粗骨料的取代率的增大，混凝土的抗压强度呈现逐渐减小的趋势。相比于0%取代率组，当取代率为30%、50%、70%、100%时，抗压强度分别为基准组的88.83%、87.97%、78.57%、67.96%。强度损失可能是因为废弃混凝土破碎过程中，形成的再生骨料含有微裂缝和微孔隙，所以抗压强度逐渐减小。而A50-B的抗压强度仅比R30-IT小0.38 MPa，未见明显的强度损失，这是因为取代率在30%～50%之间，粗细骨料之间形成最佳骨料混合比。此时铁尾矿砂均匀地填充在再生骨料之间的空隙，使得混凝土内部骨架更加密实。

当再生粗骨料取代率为0%时，相比于河砂混凝土（A0-C），铁尾矿砂混凝土（A0-B）的抗压强度增大了3.79%，这是由于铁尾矿砂所含的细粉大部分是石粉颗粒[9]，属于坚固的组分，有利于提高混凝土的力学性能和耐久性。

2.2 劈裂抗拉强度试验

再生骨料混凝土劈裂抗拉强度如图2所示，图中（x）代表再生粗骨料的取代率。当铁尾矿砂作为细骨料时，随着再生粗骨料的取代率的增大，混凝土的劈裂抗拉强度先增大后减小。当再生粗骨料掺量为70%时，混凝土（A70-B）的劈裂抗拉强度达到最大值，比再生骨料取代率为0%、30%、50%的劈裂抗拉强度分别提高了19.7%、14.5%、1.8%。仅从劈拉强度的角度考虑，100%的铁尾矿砂和70%的再生粗骨料形成最佳骨料混合比，这主要是因为铁尾矿砂和再生石子表面都比较粗糙、棱角多，二者结合增加了骨料之间的摩擦力，所以抵抗劈拉应力的能力增强。

当再生粗骨料取代率为0%时，相比于河砂混凝土（A0-C），鐵尾矿砂混凝土（A0-B）的劈裂抗拉强度降低了11.3%，说明只掺加铁尾矿砂对混凝土的抗劈拉能力是不利的。当河砂作为细骨料时，相比于普通混凝土（A0-C），再生混凝土（A100-C）的劈裂抗拉强度降低了9.8%，说明只掺加再生骨料也不利于混凝土的抗劈拉能力。但是将铁尾矿砂和再生粗骨料组合加入混凝土中能够明显提高混凝土的劈裂抗拉强度。

2.3 抗折强度试验

再生骨料混凝土抗折强度如图3所示，图中（x）代表再生粗骨料的取代率。当铁尾矿砂作为细骨料时，随着再生粗骨料取代率的增大，混凝土的抗折强度先减小后增大再减小，数据呈现波浪状浮动，当再生粗骨料取代率为50%时，抗折强度达到最大。当再生粗骨料取代率为0%时，A0-B的抗折强度（5.46 MPa）比A0-C（5.35 MPa）大2.01%;当再生粗骨料取代率为100%时，A100-B（4.19 MPa）的抗折强度比A100-C（3.69 MPa）大11.93%，说明铁尾矿砂100%取代天然砂能够提高混凝土的抗折强度。

当河砂作为细骨料时，相比于普通混凝土（A0-C），再生混凝土（A100-C）的抗折强度降低了31.1%，说明再生骨料掺量过大会降低混凝土的抗折强度，强度损失可能是因为再生粗骨料的表面残留了旧砂浆，导致骨料与新砂浆的结合界面过渡区比较薄弱[10]。只从抗折强度的角度考虑，100%的铁尾矿砂和50%的再生粗骨料形成了最佳骨料混合比，抗折强度达到最大。

3 结论

对试验结果进行分析，可以得出两点结论。

①相比于A0-C，A100-C的力学强度明显下降，说明再生粗骨料掺量过大不利于混凝土的强度。但是相比于A0-C，A0-B的抗压强度和抗折强度都明顯提高，说明用铁尾矿砂完全替代河砂应用到实际工程中是可行的。

②综合考虑到天然资源的匮乏和再生混凝土的实际应用等情况，A50-B是综合力学性能表现最好的混凝土，即100%的铁尾矿砂和50%的再生粗骨料是最佳的骨料混合方式。这不仅可以满足混凝土力学性能要求，而且符合国家生态环境要求。

参考文献：

[1]陈旭勇，刘榴，程书凯，等.再生粗骨料品质和掺量对再生混凝土力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2021（12）：89-93.

[2]宋艳春.化学强化对再生骨料及再生混凝土性能的影响研究[J].中国建材科技，2021，30（5）：59-61.

[3]KOU S C， POON C S， ETXEBERRIA M . Influence of recycled aggregates on long term mechanical properties and pore size distribution of concrete[J]. Cement & Concrete Composites， 2011，33（2）：286-291.

[4]LOO Y H， TAM C T， RAVINDRARAJAH R S . Recycled concrete as fine and coarse aggregates in concrete[J]. Magazine of Concrete Research， 1987，39（141）：214-220.

[5]KOU S C， POON C S， AGRELA F.Comparisons of natural and recycled aggregate concretes prepared with the addition of different mineral admixtures[J]. Cement & Concrete Composites， 2011，33（8）：788-795.

[6]田景松.铁尾矿砂混凝土的配制与应用研究[D].北京：清华大学，2010.

[7]ZHANG Z， ZHANG Z，YIN S，et al. Utilization of iron tailings sand as an environmentally friendly alternative to natural river sand in high-strength concrete：shrinkage characterization and mitigation strategies[J]. Materials， 2020，13（24）：5614.

[8]柴红俊，宋裕增，王星原.铁尾矿砂的特性及对混凝土拌和物性能的影响[J].工程质量， 2010，28（2）：71-75.

[9]唐可，毛雪松，徐旺，等.掺铁尾矿砂细集料的水泥混凝土性能分析[J].工业建筑，2019，49（8）：153-157.