全铁矿废石骨料在混凝土叠合板中的应用研究

中国是钢铁工业大国，铁矿石是钢铁生产企业的重要原材料。我国矿产资源的整体特点是丰而不富，特别是铁矿资源，97%属于贫矿甚至是超贫矿，比世界平均品位低11%。铁矿开采行业产出的含铁尾矿/废石是最大宗的工业固废来源之一。混凝土作为大宗建筑材料，每年消耗大量的天然砂石，利用铁矿废石作为骨料制备混凝土材料，不仅解决了天然骨料的紧缺问题，又能有效消纳铁矿固废资源。目前，国内对铁矿固废制备混凝土的研究主要集中在材料性能方面，并取得了一定研究成果[1-5]，但都停留在实验室阶段，在混凝土预制构件中的实际应用还鲜有报道。本研究在铁矿废石储量较大的辽宁地区开展，利用铁矿废石制成的粗、细骨料，分析混凝土工作性能和力学性能的主要影响因素，并探索有效的解决方法，最终成功工业化生产制备C30混凝土叠合板，其中固废总比例达78%左右，有效验证了大掺量铁矿废石骨料混凝土在预制构件生产中的可行性。

1、试验部分

1.1原材料水泥：辽宁大鹰牌P·O42.5R水泥，其物理性能见表1。粉煤灰：辽宁抚顺莲年达生产的Ⅱ级粉煤灰，细度17%，28d活性69%。天然砂：Ⅱ区普通河砂，细度模数2.8，含泥量1.6%。压碎值18%，表观密度2660kg/m3。天然石：5~25mm连续级配碎石，压碎值9%，含泥量0.2%，表观密度2640kg/m3。固废粗、细骨料：辽宁壹立方砂业有限公司制备的铁矿石、铁矿砂，其物理性能见表2、表3，颗粒级配如图1、图2所示。外加剂：建华建材（营口）有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂（减水型PCE1、保坍型PCE2、酯类PCE3）、粘度调节剂VM。表1水泥物理性能表2铁矿砂物理性能表3铁矿石物理性能

图1铁矿砂的颗粒级配图2铁矿石的颗粒级配1.2试验配合比及测试方法1.2.1配合比设计针对混凝土叠合板的性能指标：混凝土强度等级C30，初始坍落度（180±20）mm，30min坍落度损失≤30mm，设计的混凝土配合比见表4。以天然砂石配制的混凝土作为参照组Y0，以铁矿砂、石全部取代天然砂石配制的混凝土记T，由于铁矿石颗粒级配不佳，铁矿砂细度模数偏小，且石粉含量较高，需通过外加剂复配技术对混凝土性能进行调整，具体比例见表5。表4混凝土配合比

kg/m3表5外加剂复配比例1.2.2试验方法混凝土拌合：将配制完成的胶凝材料、骨料加入强制式混凝土搅拌机中干搅1min，然后加入外加剂和水，继续搅拌2min后出机进行性能检测。混凝土工作性检测：参考GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定混凝土的初始坍落度和静置30min后的坍落度。混凝土力学性能检测：参照GB/T50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，将混凝土拌合物倒入100mm×100mm×100mm的三联模，振动成型。然后静停3h，进行60℃蒸汽养护，升温速度20℃/h，恒温时间4h，降温至室温后进行脱模强度检测，然后继续自然养护至7d进行强度测定。2、试验结果及分析

2.1混凝土工作性能表6为混凝土拌合物的离析泌水现象，图3为混凝土拌合物的初始及30min坍落度。根据表6及图3的试验结果，由Y0和T1分析可得，相同水胶比和外加剂复配比例及掺量，铁矿废石骨料混凝土相比于天然骨料混凝土的坍落度较小，且容易出现离析泌水现象。这是由于铁矿砂的石粉含量高，细度模数小，吸水能力较强，导致浆体需水量较大，混凝土流动度变小。同时铁矿石颗粒级配较差，表观密度高，在混凝土拌合中容易出现离析泌水和骨料下沉现象。针对以上问题，主要通过外加剂复配技术进行性能调整，由T1、T2、T3、T4、T5分析可得，在外加剂中掺加2%、2.5%粘度调节剂，对混凝土离析泌水稍有改善，但影响流动度，在添加粘度调节剂VM的基础上，随着复配外加剂中PCE1组分的降低和PCE3组分的提高，适当提高水胶比，可有效改善混凝土拌合物的工作性能。这是因为PCE1型聚羧酸减水剂虽然具有较高的减水率，但对混凝土的掺量敏感性较高，而PCE3酯类减水剂在兼具减水、保坍性能的同时，可以降低掺量敏感性[6]。粘度调节剂VM可通过调节混凝土拌合物黏度和保水能力，改善混凝土和易性和包裹性。通过外加剂多组分复配技术，在全掺铁矿废石骨料的技术上，试验T5可制备出工作性能优良的高品质混凝土拌合物。表6混凝土拌合物的离析泌水现象

图3不同配比混凝土拌合物的坍落度2.2混凝土力学性能图4为不同配比混凝土的脱模及7d强度。根据图4试验结果，由Y0和T1分析可得，铁矿废石骨料混凝土相比于天然骨料混凝土具有更高的强度，这是由于铁矿废石骨料的压碎值低、品质好，而且铁矿中化学组分MgO、Al2O3和Fe2O3含量高，对混凝土的水化反应具有积极的促进作用，有利于强度的增加[7]。由T1、T2和T3、T4分析可得，在相同水胶比条件下，适当添加粘度调节剂VM，改变外加剂复配比例中PCE1和PCE3的组成比例，对混凝土强度没有明显影响。由T1、T3、T5分析可得，随着水胶比的提高，混凝土强度逐渐降低。综合可得，本次试验的铁矿废石骨料混凝土脱模强度均达到了设计强度的90%以上，7d强度均在45MPa以上，远超设计的C30混凝土强度指标。图4不同配比混凝土的力学性能3、生产应用

综合混凝土工作性能和力学性能，最终确定铁矿废石骨料混凝土叠合板生产试制的配合比见表7。表7铁矿废石骨料混凝土叠合板生产试制配合比

kg/m3生产的具体工艺流程如图5所示。

图5叠合板生产工艺流程混凝土搅拌：采用二次投料法，搅拌机运转过程中，先加入铁矿砂铺满搅拌机底部，然后加入水泥和粉煤灰进行干搅拌15s，加入90%的设定用水量搅拌20s，再加入铁矿石搅拌20s，缓慢加入减水剂，最后根据骨料含水率判定是否补加用水量，搅拌均匀后出料，整体搅拌时间90s左右。混凝土浇筑：分为布料和振捣两部分。布料采用一次性布料全部完成，布料时要保证均匀，特别注意模具边缘位置处混凝土要高于模板边缘15mm左右，以防止振捣时边缘部位出现露石蜂窝等缺陷；振捣采用插入式振动棒振捣，振动棒采用平放拖拉形式振捣，振捣位置距离模板边缘100mm左右，振捣间距300mm。浇筑需要保持连续，在30min内浇筑完成。拉毛处理：等待混凝土初凝或者失去流动性后，采用拉毛机在混凝土表面同一方向进行拉毛操作，提高表面粗糙程度，粗糙面积≥80%，深度在5mm左右。构件养护：浇筑完成后覆盖苫布采用蒸汽养护工艺，包括静停、升温、恒温和降温四个阶段。静停：成型后的构件在自然环境下放置2h；升温：升温时间2h，升温速率为20℃/h；恒温：在60℃恒温蒸汽养护4h；降温：采用自然降温形式，降温速度不宜超过20℃/h。起吊和拆模：养护完成的构件采用吊起后拆除的脱模工艺，起吊前保证构件表面温度与大气温度相差≤20℃，测试同条件养护的混凝土试块强度≥15MPa时方可拆模起吊。采用专用吊钩勾在桁架上，将叠合板脱离平台300～500mm，用橡胶锤轻敲模具边，使构件与模板脱离。检查：检查叠合板尺寸、预埋件尺寸、外观质量等，并做好标识放置堆场。本研究生产的叠合板中固废掺量达78%，产品1d脱模强度28.2MPa，7d强度43.6MPa。产品外观质量良好，颜色均匀一致，混凝土整体密实度高，无蜂窝露筋孔洞现象，无明显的缺棱掉角、翘曲不平等外形缺陷和麻面、掉皮、起砂等外表缺陷。产品综合质量符合GB50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》的要求。全铁矿骨料叠合板如图6所示。

图6全铁矿骨料叠合板及外观质量结论

（1）铁矿废石具有力学性能稳定、强度高的特点，用其制备的砂、石骨料，其物理性能指标良好，可完全替代天然骨料用来配置不同强度等级混凝土。（2）针对铁矿骨料的级配差、表观密度大导