铁尾矿砂混凝土耐久性能的试验研究

随着我国钢铁工业的不断发展，产生了大量的铁尾矿，铁尾矿在堆放过程中不仅占用大量土地，而且易产生扬尘，对周边环境造成严重的危害。促进铁尾矿的资源化、无害化利用，提高铁尾矿综合利用率，已经成为一个急需解决的问题[1-2]。目前经过处理的鞍钢铁尾矿砂在实际工程应用中已经实现部分取代河砂作为混凝土细骨料使用。本文针对铁尾矿代砂混凝土可能出现的耐久性问题做了试验研究，以期为工程实际应用提供理论基础。

1、试验部分

1.1原材料水泥：鞍山钢都水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，比表面积430m2/kg，28d抗折强度8.9MPa，28d抗压强度54.3MPa；石子：5~25mm连续级配；天然河砂：细度模数2.9；铁尾矿砂：鞍钢铁尾矿砂，其物理性能指标见表1；外加剂：混凝土减水剂，减水率18%。1.2配合比及试验方法配制C25强度等级的混凝土，试验用基准配合比采用水胶比0.5，胶凝材料用量375kg/m3，砂率40%，减水剂掺量为胶凝材料总质量的1.8%（基准值），混凝土的表观密度为2400kg/m3。分别研究铁尾矿砂以0%、50%和100%的替代率替代天然砂，混凝土坍落度达到210mm时混凝土耐久性的变化规律。依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行混凝土抗水渗透试验、碳化试验、收缩试验、抗冻试验。抗水渗透试验：采用渗水高度法，试验所用的试件为圆台体，其上下底面直径分别为175mm、185mm，高度150mm，6个试件为一组；在1.2MPa水压下持续24h加压，测量试块的渗水高度。碳化试验时，箱内的二氧化碳浓度保持在（20±3）%，试件间距＞50mm，测试试件3、7、14、28d的碳化深度。收缩试验：采用接触法收缩试验，试件尺寸为100mm×100mm×515mm的棱柱，两端埋有测头的，在卧式混凝土收缩仪上测试试件3、7、14、28、45、60、120、180d收缩值并计算其收缩率。冻融试验是对100mm×100mm×100mm的混凝土试件进行100次冻融循环，测试冻融后的强度和质量损失率。2、结果与讨论

2.1铁尾矿代砂对混凝土抗渗性的影响铁尾矿砂以0%、50%、100%的替代率替天然砂时混凝土抗渗性的试验结果如图1所示。图1混凝土抗水渗透性由图1可知，相同条件下，天然砂混凝土的平均渗水高度为36mm，代砂率为50%、100%混凝土的平均渗水高度为32、53mm，不同代砂率的混凝土均满足抗渗等级＞P12的要求。但50%铁尾矿砂代砂混凝土和天然砂混凝土平均渗水高度值接近，并且优于天然砂混凝土。相同条件下，代砂率100%铁尾矿砂混凝土抗水渗透性能最差。混凝土渗水的主要原因是由于内部孔隙形成连通的渗水通道。混凝土在配合比、试验振实条件及养护条件相同的情况下，适当的铁尾矿粉掺入混凝土中，能起到填料的作用。微小的尾矿颗粒填充渗水通道阻碍水分继续向混凝土内渗透，从而提高了混凝土的抗渗性。当混凝土中铁尾矿砂掺量过大时，粗细骨料级配不合理，不但不能很好填充粗骨料间的空隙，反而造成混凝土孔隙率变大，给水分扩散提供了通道，进而使混凝土的抗渗性下降。2.2铁尾矿代砂对混凝土碳化的影响抗碳化性是混凝土耐久性的一个重要考核指标。铁尾矿砂以0%、50%、100%的替代率替代天然砂时，混凝土的碳化深度平均值如图2所示。图2混凝土碳化深度由图2可知：（1）不同代砂率混凝土的28d碳化深度均没有超过20mm，按照JGJ/T193—2009《混凝土耐久性能检验评定标准》规定，在快速碳化试验中，碳化深度小于20mm的混凝土，其抗碳化性能较好，一般认为可满足大气环境下50年的耐久性要求；混凝土抗碳化性能的等级划分均为T-Ⅲ级（10≤d＜20mm）。（2）不同代砂率混凝土的碳化深度都是随着龄期的增长而增大；代砂为50%的混凝土比同龄期天然砂混凝土碳化值要略低，说明代砂率为50%的混凝土抗碳化性能最好。这可能是因为适当铁尾矿砂的加入，铁尾矿砂中的微细粉改善了混凝土的孔隙结构和孔隙率，使混凝土的密实度得到相应的改善，导致单位体积混凝土吸收的CO2要少，影响了CO2在混凝土中的扩散。若过多铁尾矿砂加入，大量的微细粉存在，远超过了混凝土中微小空隙填料的需求量，就会形成了不合理的级配，混凝土的空隙率反而变大，促进了CO2在混凝土中的扩散。这与我们在抗渗性试验中得出的结果是一致的，也符合在水泥品种、二氧化碳浓度相同的情况下，影响混凝土碳化速度的主要因素是透水性的理论逻辑。2.3铁尾矿代砂对混凝土收缩的影响随着混凝土的广泛应用，混凝土的自收缩问题愈来愈引起人们的关注。王铁梦[3]调研表明在工程结构中由荷载引起的裂缝不足20%，而由非荷载（包括收缩、沉降等）引起的裂缝占有80%以上。混凝土的收缩和开裂有着密切的关系，会导致结构承载力下降甚至结构破坏，对结构的长期性和耐久性造成威胁。所以自收缩问题的研究具有重要的现实意义。本部分试验重点研究了铁尾矿砂代砂率为0%、100%混凝土的收缩率，试验结果如图3所示。图3混凝土收缩率由图3可知，代砂率为100%的铁尾矿砂混凝土3d收缩要高于天然砂混凝土。这主要是因为，这一阶段的收缩变形主要是由于水和水泥在发生水化反应和水分蒸发产生[4]，在水灰比、塌落度相同的情况下，由于矿渣砂的比表面积大，导致用于混凝土晶格、粗细毛孔中的自由水少，因此尾矿砂混凝土的早期自收缩率大。随着水化反应的进行，龄期14d时，不同代砂率混凝土的收缩率逐渐趋同。14d后水化反应逐渐减弱，体积变形越来越微小，混凝土的自收缩率变化较小，凝土由收缩快速发展阶段逐渐进入平缓阶段。混凝土龄期为180d时，尾矿砂混凝土的自收缩率为0.864×10-4，而天然砂混凝土的的自收缩率为1.486×10-4。100%矿渣砂混凝土后期的收缩性要优于天然砂混凝土。2.4铁尾矿代砂对混凝土抗冻性的影响本部分试验采用慢冻法，分别对铁尾矿砂代砂率为0%、50%、100%的混凝土进行抗冻试验，结果如图4、图5所示。图4混凝土冻融质量损失由图4可知，经过100次冻融循环，混凝土试件的质量损失率均较小，符合国家标准要求的质量损失率不超过5%。天然砂混凝土的质量损失率最小，掺有矿渣的试件质量损失率较天然砂混凝土稍大，混凝土掺铁矿渣后抗冻性降低，但影响不大。图5混凝土冻融强度损失由图5可知，代砂率不同的混凝土试块经过100次冻融循环，质量损失率均未超过25%，天然砂混凝土强度损失率最低，代砂率50%次之，100%最差。由此说明，掺有铁尾矿砂的混凝土在抗冻融性能上，与天然河砂相接近。

结论

（1）代砂率为50%铁尾矿砂混凝土抗水渗透性能好于天然砂混凝土，随着尾矿掺量的增大，抗水渗透性降低，代砂率为100%铁尾矿砂代砂的混凝土的抗水较差。（2）代砂率分别为0%、50%、100%混凝土的28d抗碳化性能均为T-Ⅲ（10≤d＜20mm）等级；代砂率为50%铁尾矿混凝土的抗碳化性能要优于