铁尾矿砂在混凝土中的应用研究

铁尾矿砂在混凝土中的应用研究【摘要】铁尾矿砂是选矿过程中留下的一种固体废弃物，不仅占用大量的场地，而且污染环境，同时由于天然砂石被大量开采，导致河道和耕地被大量的开挖，造成生态破坏，并且使原有的砂石料日益紧张，砂石价格大幅上涨，混凝土生产成本加大，通过对铁尾矿砂的研究与应用，能做到社会效益和经济效益的双丰收，本文通过控制铁矿砂的掺入比例对混凝土砂率、外加剂掺量、混凝土工作性、混凝土强度以及耐久性等因素分析，结合试验提出自己的一些看法，供大家参考。【关键字】铁尾矿砂砂率工作性混凝土耐久性回收利用前言近年来我国已逐渐成为世界上最大的建材消耗、生产国，混凝土是现代社会中用途最广泛的组成材料，而其中砂是混凝土骨料的组份之一。随着日渐消耗的能源，全国各地天然砂已不能满足如今混凝土企业的生产需求，并且天然砂的短缺引起的价格上涨让不少人铤而走险，违法开采，甚至采用海砂，不仅造成了周围自然环境的污染，而且还会造成生态破坏：①河砂过度开采，导致河床变形，影响堤防安全和汛期防洪。②地区河砂开采不均匀，导致河床发生变化，伴有急流和旋涡阻碍航道，并且容易引发水上交通事故。③无禁止的开采河砂，会对使河道产生变迁，相应会对沿岸的取水设施、港口码头、桥梁基础带来负面影响。④过度开采影响生态环境同时，随着我国现代化工业的建设，大量的矿产资源被开发利用，尤其是铁矿资源，由于受到技术和设备条件的限制，在选取矿山资源的有效成分过程中将不可避免的产生大量的工业固体废弃物，工业固体废弃物的主要组成部分就是铁尾矿，铁尾矿是指矿山的选矿厂在特定的经济技术条件下，将矿石破碎、筛分、研磨、分级等工艺流程，选出有用金属后的剩余部分，其有用成分含量很低，导致大量的尾矿被填堆存放，占用土地，污染环境，而且工厂还得支付土地征用费、运输费、填埋费，反而增加了生产成本，同时也造成了资源浪费。我国矿产资源开发总规模居于世界前列，由于过去对矿产资源采用“粗放型”的开发利用方式，产生了矿山生态破坏等矿山环境问题，我国每年矿山产生6亿多吨尾矿，现在矿山尾矿累计已达到45亿吨，占全国工业固体废弃物的80%以上。全国铁尾矿的地区分布可以分为以下三大类：第一类，是以河北、辽宁为主要地区；第二类，是内蒙、山西、四川、北京四个地区；第三类就是山东、江西、河南等地，全国范围内或多或少都存在尾矿堆积的现象，大量的铁尾矿堆积，会存在安全隐患，并且造成周围环境的污染。目前，我国尾矿的综合利用率14%左右，铁尾矿的利用率仅在7%左右，与发达国家相比，其铁尾矿综合利用率已达到60%，还存在很大的差距，究其原因，除了铁矿资源的化学成分和性质影响以外，既有历史的原因，也有现实的原因，发展观和价值观的制约，科学技术的局限，管理制度不健全均在不同程度上影响了铁尾矿资源的开发与利用。所以近年来，针对这样的现状，相关研究人员也进行了大量可行性探讨研究，并且取得了一定成果，对现今社会具有十分重要深远的现实意义，同时也为节能减排做出应有的贡献。铁尾矿砂简介我国铁矿选矿厂的尾矿资源按照伴生元素的含量可分为单金属类铁尾矿和多金属类铁尾矿两大类：⑴单金属类铁尾矿：根据二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙及氧化镁含量，又可分为硅质、硅铝质、钙镁质等类型。⑵多金属类铁尾矿主要分布在攀西地区、包头地区和武钢地区，其特点是矿物成分复杂、伴生元素多，从价值上看，回收其中的伴生元素远超过主金属铁的回收价值，如下为铁尾矿具体分类及分布：①单金属类铁尾矿⒈高硅鞍山型铁尾矿：主要矿物包括石英、透闪石、角闪石以及阳起石、绿泥石、赤铁矿、磁铁矿⒉高铝马钢型铁尾矿：主要矿物包括阳起石、长石、绿泥石、石英、高岭土、川云母、赤铁矿⒊高钙镁邯郸型铁尾矿：主要矿物包括钻黄铁矿、赤褐铁矿、透辉石、方解石、蛇纹石、金云母、透闪石、阳起石、绿泥石、白云母及石榴子石、磷灰石、滑石和石英等⒋低钙镁铝硅酒钢型铁尾矿：主要矿物包括重晶石、碧玉等非金属矿②多金属类铁尾矿⒈大冶型铁尾矿：主要矿物包括方解石、白云母、石英、云母、透辉石、铁白云石、绿泥石、石膏和阳起石等⒉攀钢型铁尾矿：V、Ti、Co、Ni、Se、Ga、S等元素⒊白云鄂博型铁尾矿：主要矿物包括铁矿物、稀土矿物、萤石、硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、磷酸盐矿物从以上可以看出，我国铁尾矿的主要矿物成分为石英、辉石、闪石、阳起石、云母、方解石等脉冲矿物。铁尾矿的矿物成分与天然砂的矿物成分大体一致，并且我国的铁尾矿分布地区广，不同地区的铁尾矿的矿物成分不同，为了更好的了解不同地区的铁尾矿，以便于铁尾矿的应用，统计了国内外铁尾矿的主要化学成分，铁尾矿的主要化学成分为二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝、氧化镁、氧化钙以及少量的氧化钠、氧化钾、三氧化硫。表1-1国内外部分地区铁尾矿的主要化学成分（%）地区Si2OFe2O3Al2O3CaOMgOSO3TiO2K2ONa2OP2O5安徽霍邱70.911.75.064.843.020.060.281.410.83--唐山73.711.86.084.833.160.10--------北京密云44.143.720.03--1.971.38--镇江韦岗34.913.37.7524.01.580.450.340.390.500.45瑞典63.18.455--1.881.46----内蒙古25.017.75.955.787.965.90------0.12云南大红山48.314.510.63.522.360.081.19----0.33鞍山74.97.636.562.412.98--0.341.461.200.32湖北大冶49.910.08.8416.01.600.06--------攀枝花38.046.110.10--1.622.71--印度奥里萨邦16.555.715.41.440.13----------安徽马鞍山50.910.917.011.73.472.690.360.680.18--目前国内外对铁尾矿的处理方法是通过铁尾矿再选、用于建筑材料的原材料和公路基层填料、水泥生料、制作肥料、矿山填充、尾矿库的堆存以及对尾矿库复垦和建立生态区，下图为铁尾矿综合利用系统示意图；图1-1铁尾矿综合利用系统示意图2、试验所用原材料2.1水泥所用水泥为山东山铝水泥有限公司P·O42.5R水泥，密度为3×103kg/m3，其他物理力学性能指标如下：安定性标准稠度用水量（%）凝结时间min抗压强度Mpa抗折强度Mpa初凝终凝3d28d3d28d合格27.716923526.045.85.08.5表1-2水泥物理与力学性能2.2矿物掺合料矿粉：所用矿粉为青岛汇远达S95级矿渣粉，密度为2.88×103kg/m3，其他指标如下表;比表面积（m2/kg）流动度比（%）活性指数（%）烧失量7d28d43510278990.4表1-3矿粉性能检测数据粉煤灰：所用粉煤灰为日照海能I级粉煤灰，密度为2.1×103kg/m3，其他指标如下：表1-4粉煤灰性能检测数据细度（%）需水量（%）烧失量（%）8.6913.32.3粗集料青岛市即墨区碎石，表观密度：2690kg/m3，堆积密度：1590kg/m3，孔隙率40%，其性能指标如下表：表1-55-25mm碎石性能指标含泥量（%）泥块含量（%）针片状（%）压碎值（%）级配（mm）0.80.368.95-25表1-65-25mm碎石筛分情况筛孔（mm）31.526.519.016.09.54.752.36累计筛余（%）042962921001002.4细集料天然河砂：青岛市即墨区河砂，筛分指标见下表：表1-7河砂颗粒级配筛径（mm）4.752.361.180.630.3150.15细度模数级配区间累计筛余（%）314366287972.9Ⅱ区中砂铁尾矿砂;烟台莱阳铁尾矿砂，表观密度为：2670kg/m3，具体指标如下表：表1-8铁尾矿砂颗粒级配筛径（mm）4.752.30.15细度模数级配区间累计筛余（%）0361433491.4特细砂表1-9河砂与铁尾矿砂不同比例复配后性能指标序号曲率系数（CC）河砂掺配比例（%）铁尾矿砂掺配比例（%）试配后细度模数试配后石粉含量（%）试配后表观密度（kg/m³）12.780202.73.1264822.160402.44.8265131.440601.95.2265341.001001.46.92670(备注：铁尾矿砂与河砂不同比例复配进行筛分并计算得出细度模数和曲率系数，曲率系数1-3时为良好级配)机制砂：青岛绿帆建材再生资源有限公司生产，筛分指标见下表：表1-10机制砂颗粒级配筛径（mm）4.752.361.180.630.3150.15细度模数级配区间累计筛余（%）1232588593983.5粗砂表1-11机制砂与铁尾矿砂不同比例复配后性能指标序号曲率系数（CC）机制砂掺配比例（%）尾矿砂掺配比例（%）试配后细度模数试配后石粉含量（%）试配后表观密度（kg/m³）12.880203.23.9258622.775252.94.7259232.770302.85.2261542.365352.75.4262852.460402.65.4263762.555452.45.8265771.950502.16.12671(备注：铁尾矿砂与机制砂不同比例复配进行筛分并计算得出细度模数和曲率系数，曲率系数1-3时为良好级配)表1-12铁尾矿砂其他性能指标石粉含量（MB<1.4）云母含量（%）孔隙率（%）氯离子含量（%）坚固性（%）碱活性（%）泥块含量（%）压碎值（%）硫化物含量（%）4.00.92410.0023.70.0040.8250.11图1-2铁尾矿砂放大后形状表1-13铁尾矿砂主要化学成分化学成分CaOSiO2AI2O3MgOFe2O3百分比（%）16.0848.495.066.1110.04从化学成分上看，CaO、SiO2、AI2O3、Fe2O3有较高的活性，可以改善混凝土的黏聚性、保水性，并且与水泥浆体界表面结合力也是比较强的，铁尾矿砂中小于0.075mm的部分，可作为胶凝材料的补充，增加浆体浓度；铁尾矿砂中的Fe2O3在水化反应中的产物铁酸钙有利于抗折强度的提高。2.5减水剂聚羧酸高性能减水剂，生产厂家建议产量1.8%，生产厂家：苏州弗克新型建材有限公司，其性能指标见下表;1-14减水剂性能指标密度g/cm3含固量%PH值减水率%含气量%1h经时损失mm氯离子含量%抗压强度比%7d28d1.0317.26.0283.2150.02144138铁尾矿砂混凝土配合比试验根据现有标准JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T14684《建筑用砂》、JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》和GB/T14685-2011《建筑用碎石、卵石》以及已有的参考资料，配制强度等级C20、C30、C35、C40铁尾矿砂混合砂混凝土。3.1混凝土配合比设计设计混凝土强度等级为C20、C30、C35、C40，选用的矿物掺合料为矿粉和粉煤灰，其中C35配合比单掺矿粉，其配合比如下表:表1-15铁尾矿砂混凝土配合比参数（单位：kg/m3）强度等级水灰比水泥用量矿粉用量粉煤灰用量用水量C200.581769648185C300.4720911457180C400.4428812072180表1-16C35机制砂与铁尾矿砂混合配合比参数（单位：kg/m3）序号水泥矿粉混合砂石水水胶比砂率（%）12511687569631760.424422511687579641760.424432511687609671760.424442511687629691760.424452511687639711760.424462511687659741760.424472511687679761760.4244(备注：混合砂比例与表1-10序号对应)3.2不同铁尾矿砂取代率混凝土的工作和强度性能本试验按JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》设计试配了C20、C30、C40三个强度等级的混凝土，同时以铁尾矿砂取代率作为变量试拌混凝土，铁尾矿砂取代率分别为0、20%、40%、60%、100%，来试验铁尾矿砂混凝土的工作性能和强度性能，C35混凝土用不同细度模数混合砂试配，实际配合比如下表（C35实际配比见表1-15）：表1-17不同铁尾矿砂掺量混凝土配合比（kg/m3）强度等级水泥矿粉粉煤灰河砂尾矿砂碎石水W/B砂率C201769648855/9391850.580.4817696486841719391850.580.4817696485133429391850.580.4817696483425139391850.580.481769648/8559391850.580.48C3020911457790/9551800.470.45209114576321589551800.470.45209114574743169551800.470.45209114573164749551800.470.4520911457/7909551800.470.45C4028812072730/9401800.370.43288120725841469401800.370.43288120724382929401800.370.43288120722924389401800.370.4328812072/7309401800.370.43（备注：铁尾矿砂混凝土与普通混凝土容重无明显变化）对表1-15和表1-16中的配合比进行试拌，根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定混凝土和易性规定的方法；参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测定混凝土的抗压强度，测定结果如下表：表1-18不同铁尾矿砂掺量对混凝土工作性和抗压强度的影响强度等级尾矿砂掺量黏聚性保水性抗压强度（Mpa）7d28dC200一般良好21.126.920%良好良好20.325.140%良好良好22.328.960%微粘良好24.130.1100%粘一般20.124.2C300良好良好28.537.420%良好良好25.338.740%微粘良好23.238.860%粘一般26.041.1100%粘一般24.135.2C400良好良好38.850.120%良好良好38.148.440%微粘一般34.147.260%粘一般31.244.8100%粘一般31.043.2表1-19机制砂和铁尾矿砂配制不同细度模数混合砂对混凝土工作性和抗压强度的影响序号7d强度28d强度流动性包裹性泌水离析134.244.5良差较多轻微234.945.7良一般较多轻微334.644.3良良轻微无435.446.8良良无无536.247.4良良无无635.746.3良良无无736.748.2良良无无（备注：强度等级C35，对应混合砂细度模数见表1-10）图1-3C20混凝土掺配不同比例铁尾矿砂试块抗压强度折线图图1-4C30混凝土掺配不同比例铁尾矿砂试块抗压强度折线图图1-5C40混凝土掺配不同比例铁尾矿砂试块抗压强度折线图图1-6不同细度模数混合砂对C35混凝土强度的影响从图表可以看出，随着铁尾矿砂的掺入，所配置的混凝土工作性和强度性能有所差异，C20混凝土在铁尾矿砂掺量为20%、40%的情况下具有良好的黏聚性和保水性，铁尾矿砂掺量在60%、100%的情况下偏粘，C30混凝土在铁尾矿砂掺量20%的情况下具有良好的黏聚性和保水性，掺量40%的情况下微粘，泌水现象微略明显，掺量60%、100%的情况下偏粘，C40混凝土在掺量20%的情况下具有良好的黏聚性和保水性，掺量40%、60%、100%时状态偏粘泌水现象明显，并且随着铁尾矿砂掺量的增加，各个标号混凝土坍落度均不同程度呈降低趋势；通过以上数据表明，混凝土标号越高，铁尾矿砂掺量越低，综合分析：相对于普通天然河砂，铁尾矿砂表面粗糙，呈不规则多边形结构，在流动过程中，各细集料之间的摩擦力相对天然河砂较大，故而掺量越高，流动性降低，在试验过程中，随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土坍落度不同程度的有所降低，也证实了这一点。铁尾矿砂细度模数偏小，颗粒级配主要集中在0.15mm-0.63mm之间，径粒小于0.15mm的细颗粒在15%左右，并且铁尾矿砂中颗粒小于0.15mm的主要是石粉颗粒，属于坚固成分，有利于混凝土力学性能和耐久性，尤其在低标号混凝土中掺入铁尾矿砂，有利于混凝土的黏聚性、和易性、强度性能。并且我们可以在上面折线图中看出，C20、C30混凝土随着铁尾矿砂掺配比例的增加，强度现增涨后减小，在掺配比例在60%时强度均达到最大值，C40混凝土随着铁尾矿砂掺配比例的增加，混凝土强度一直呈下降趋势；对于机制砂和铁尾矿砂复配的混合砂，当机制砂与铁尾矿砂复配比例为65%：35%时，混凝土状态良好，无泌水现象，并且随着铁尾矿砂比列的增加，泌水现场彻底消失，混凝土抗压强度有所提高，抗压强度实验数据均满足规范设计要求。3.3不同砂率对铁尾矿砂混凝土工作性能和强度性能的影响砂率是混凝土配合比设计的三个基本参数之一，是指混凝土中砂子与石子的比例关系，砂率的大小直接影响骨料的总表面积和空隙率，确定良好的砂率是使混凝土拌合物具有良好工作性的关键，在合理的砂率条件下，能使混凝土中各个颗粒级配搭配更密实，进一步改善混凝土的工作性和力学性能，所以说砂率不能过大也不能过小，砂率过小，与胶凝材料组成的砂浆不足以填充骨料间隙，导致混凝土的流动性降低，严重时还会造成混凝土泌水、离析，影响拌合物的黏聚性和保水性；砂率过大，骨料的比表面积变大，包在骨料表面的浆体变薄，使骨料间的摩擦力增大，从而降低了混凝土拌合物的流动性，所以说砂率是否合理直接影响混凝土的性能和质量。我们对C20、C30、C40标号混凝土分别采用不同的砂率进行了试配，在此次配合比试拌中，铁尾矿砂取代率分别为40%，通过判定混凝土拌合物的工作性能和抗压强度值确定最佳砂率，认定砂率对混凝土拌合物的影响。通过试拌配比，试验数据如下表：表1-20强度等级砂率黏聚性保水性抗压强度7d28dC200.44较差较差19.025.60.45良好良好6良好良好7较粘良好21.226.6C300.41较差较差28.839.00.42良好良好3微粘良好4较粘良好28.338.6C400.39较差较差0良好良好1微粘良好38.650.30.42较粘良好37.137.9图1-7C20混凝土不同砂率抗压强度值折线图1-8C30混凝土不同砂率抗压强度值折线图图1-9C40混凝土不同砂率抗压强度值折线图通过以上数据可以看出，调整砂率对混凝土强度有一定的影响，但影响结果不明显，铁尾矿砂掺量为为40%时，对于C20铁尾矿砂混凝土而言，其最佳砂率为0.45和0.46，对于C30铁尾矿砂混凝土而言，其最佳砂率为0.42，对于C40铁尾矿砂混凝土而言，其最佳砂率为0.40。最以上结果分析：较大的水胶比，砂率相对偏高，较高的砂率可满足黏聚性要求，如果砂率较低，粗骨料之间没有足够的砂浆层，导致粗骨料表面没有足够的砂浆包裹层，使混凝土拌合物的黏聚性和流动性有所降低；水胶比较小的情况下，由于胶凝材料量大，增加了浆体的稠度，很容易满足混凝土拌合物的黏聚性，因而砂率相对较低，较低的砂率更好的满足拌合物的工作性，较高的砂率使混凝土拌合物黏聚性过大，用水量增加，强度有所降低，并且拌合物稠度过大也会导致混凝土拌合物的流动性降低。4、铁尾矿砂混凝土耐久性为了推广铁尾矿砂混凝土在实际工程中的应用，以下主要是对混凝土耐久性指标做了进一步研究，对铁尾矿砂混凝土的抗氯离子渗透性能、抗碳化性能、干燥收缩性能以及抗冻性能和碱骨料反应进行了试验，为实际应用提供参考。4.1铁尾矿砂抗氯离子渗透性能混凝土抗氯离子渗透性能是混凝土重要耐久性指标之一，针对氯离子对混凝土的渗透机理，可采用多种方法，并且根据渗透时间，试验方法分为快速法和慢速法。慢速法是指混凝土试件在氯离子溶液中经过一段时间的浸泡和扩散，测量其不同深度的氯离子含量及扩散槽中溶液浓度的变化，然后利用数学模型计算氯离子在混凝土中的传输速度，但此试验方法试验周期过长，实验室很少采用此方法；因此试验室常用的方法是快速法，包括：电通量法、电阻率法、压力渗透法等，GB-T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中阐述了两种抗氯离子渗透试验方法快速氯离子迁移系数法（称RCM法）和电通量法。4.1.1快速氯离子迁移法（RCM法）本方法适用于以测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来确定混凝土抗氯离子渗透性能，试验仪器如下图：图1-10氯离子扩散系数测定仪试验步骤：试件制作：①根据以上配合比配制混凝土，制作100*100mm尺寸试件，试件成型后立即用塑料薄膜覆盖并移至标准养护室。试件养护24±2h内拆模，然后浸没于标准养护室的水池中。②试件的养护期龄为28d，在抗氯离子渗透试验前7d加工成标准尺寸的试件，应从试件中部切取高度为50±2mm的圆柱体，此为标准试件，并将靠近浇筑面的试件端面作为暴露于氯离子溶液中的测试面。③试件加工后应采用砂纸和细锉刀打磨光滑。RCM法测试步骤：①将试件从养护池中取出，并将试件表面刷洗干净、擦干，然后用游标卡尺测量试件的直径和高度，精确到0.1mm。②将试验和RCM试验装置准备好以后，将试件放入设备中，使试件的圆柱侧面处于密封状态，并以密封剂保持其密封性。③将装有试件的橡胶套安装到试验槽中，安装好阳极板和阴极板，在橡胶套中注入约300ml浓度为0.3mol/L的NaOH溶液，并且溶液液面高于阳极板和试件；在阴极试验槽中注入2L质量浓度为10%NaCl溶液，液面与NaOH液面齐平。试件安装完成后，接通阴阳极。④一切准备就绪后，按照规定的步骤进行测试，测定阳极溶液的最终温度和最终电流。3、氯离子渗透深度测定：①RCM法试验结束后，将试件表面清理干净、擦干，在压力试验机上沿轴向劈成两个半圆柱体，并在劈开的试件断面立即喷涂浓度为0.1mol/L的AgON3溶液显色指示剂。②指示剂喷洒约15min后，沿试件直径断面分成10等份，并用笔描出渗透轮廓线。③然后根据观察到的明显颜色变化，测量显色分界线离试件地面的距离。混凝土的非稳态氯离子迁移系数计算：各个混凝土拌合物氯离子渗透迁移系数计算结果如下：表1-21编号期龄氯离子迁移渗透系数/10-12m2/sC20-028d3.24×10-12m2/sC20-2028d3.09×10-12m2/sC20-4028d2.94×10-12m2/sC20-6028d3.89×10-12m2/sC20-10028d2.23×10-12m2/sC30-028d2.69×10-12m2/sC30-2028d3.21×10-12m2/sC30-4028d2.21×10-12m2/sC30-6028d2.01×10-12m2/sC30-10028d2.39×10-12m2/sC40-028d2.32×10-12m2/sC40-2028d2.21×10-12m2/sC40-4028d2.35×10-12m2/sC40-6028d2.08×10-12m2/sC40-10028d2.12×10-12m2/s表1-22C35不同细度模数混合砂氯离子渗透系数结果混合砂细度模数M龄期氯离子迁移渗透系数/10-12m2/s2.128d2.01×10-12m2/s2.428d2.11×10-12m2/s2.628d2.23×10-12m2/s2.728d2.25×10-12m2/s2.828d2.28×10-12m2/s2.928d2.31×10-12m2/s3.228d2.41×10-12m2/s混凝土的渗透性能主要由混凝土的密实度决定，由上表可以看出，纯天然砂混凝土氯离子渗透系数普遍大于铁尾矿砂混凝土氯离子渗透系数，并且随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂混凝土氯离子迁移系数有所下降，机制砂和铁尾矿砂复配结果类似，随着混合砂细度模数的减小，相应的铁尾矿砂掺配比列增大，混凝土氯离子迁移系数逐渐降低。4.2铁尾矿砂混凝土抗碳化性能抗碳化性能是混凝土耐久性能之一，尤其是对于钢筋混凝土，碳化反应是引起混凝土结构钢筋锈蚀的主要因素，究其主要原因是空气中的CO2扩散到混凝土内部的毛细孔中，与水泥水化生成的氢氧化钙和水化硅酸钙形成碳酸钙，从而降低混凝土的碱度，引起钢筋表面保护性钝化膜的解体，导致钢筋锈蚀。本次试验主要是根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》进行碳化试验，具体试验步骤如下：①本试验试件选取立方体试件，尺寸为100mm×100mm×100mm，每组试件、每个期龄三块为一组。②试件宜在28d期龄进行碳化试验，碳化试验的试件应才采用标准养护，试件在试验前2d从标准养护室取出，然后在60℃下烘48h。③经烘干处理后的试件，除留下一对相对的两个侧面之外，其余表面采用加热的石蜡用以封闭，然后在暴露的侧面沿长度方向用铅笔以10mm间距画出平行线，作为预定碳化深度的测量点。④当试验装置一切准备就绪后，将试件放入碳化箱后，应在碳化到3d、7d、14d、28d后，分别取出试件，试件用干锯法从一端切割，每次切割的厚度为试件宽度的一半，只做一次检验，测定其碳化深度。⑤随后将切割所得的试件部分刷去断面上的残余粉末，然后喷上浓度为1%酚酞酒精溶液。经过30s后，按原先规划的每10mm一个测量点测定其碳化深度，碳化深度精确至0.5mm。⑥试验结果计算。混凝土各试验期龄时的平均碳化深度应按下式计算：每组应以二氧化碳浓度为（20±3）%，温度为（20±2）%，湿度为（70±5）%的条件下3个试件碳化28d的碳化深度算术平均值作为该组混凝土试件的碳化测定值。碳化时间与碳化深度曲线图如下：图1-11C20碳化曲线图图1-12C30碳化曲线图图1-13C40碳化曲线图图1-14不同细度模数混合砂与碳化深度关系曲线图（C3528d龄期试件）上图表示各强度等级混凝土碳化深度碳化时间的关系变化，由以上折线图可以看出，在养护条件相同的条件下，混凝土各期龄碳化深度受到水胶比、铁尾矿砂掺量的影响，从碳化曲线变化趋势可以看出，随着水胶比的减小，碳化深度也随之有减小的趋势，并且各强度等级的混凝土碳化深度随着时间的增加而增大，早期增涨速率较大，后期增涨速率相对较为缓慢。混凝土的抗碳化性能主要由其碱度决定，混凝土体系中氢氧化钙的量少，混凝土孔溶液的碱度也随之小，则混凝土的抗碳化能力就低，对于机制砂复配铁尾矿砂混凝土，随着混合砂细度模数的增加，相应铁尾矿砂掺量的增加，碳化深度呈降低的趋势。4.3铁尾矿砂混凝土干收缩性能试验混凝土干收缩变形是指混凝土在未饱和的空气中由于散失水分而产生体积缩小变形。混凝土干收缩是混凝土中最常见的一种收缩，也是一种难以避免的物理化学现象，干收缩裂缝的产生主要又是混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同，混凝土外部受水分变化影响较大，水分损失快，变形较大，内部水分散失慢，变形较小，较大的表面受到内部约束，产生较大裂缝而产生裂缝。干收缩裂缝多为表面性的平行性状或网状浅细裂缝。根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》要求，混凝土干收缩试验有两种方法，一种是非接触法，另一种是接触法;本文采用接触法测试混凝土的干收缩性能。通过试验发现，各个强度等级的混凝土前期干缩率增长速率较快，中期干缩率增长速率变得缓慢，后期干缩率趋于平衡；并且混凝土强度等级越高，干缩率增长越快，主要原因是水泥用量越高，水化反应产生的变形就越明显。缓慢期主要是因为水泥水化产物与矿物掺合料进行二次水化反应，产生致密的水化产物。通过试验发现，铁尾矿砂对混凝土的干缩变形基本没有影响，铁尾矿砂混凝土符合耐久性试验要求。4.4铁尾矿砂碱骨料反应试验碱骨料是指混凝土原材料(包括水泥、骨料、外加剂、混合料及拌和水等)中的碱性物质。其与活性成分发生化学反应，生成膨胀物质(或吸水膨胀物质)而引起混凝土产生内部自膨胀应力而开裂的现象称为碱骨料反应。由于碱骨料反应一般是在\t"/item/%E7%A2%B1%E9%AA%A8%E6%96%99/_blank"混凝土成型后的若干年后逐渐发生，其结果造成混凝土耐久性下降，严重时还会使混凝土丧失使用价值，且由于反应是发生在整个混凝土结构中，因此，这种反应造成的破坏既难以预防，又难于阻止，不易修补和挽救。根据GB/T14684-2011《建设用砂》要求，本次试验先用岩相法鉴定了铁尾矿砂所包含的活性矿物包括方石英、微晶石英、磷石英（有活性的二氧化硅）等，属于碱活性骨料，存在碱骨料反应危险，进一步试验如下：⑴试验仪器：①本方法采用与公称直径分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、600µm、300µm、150µm的方孔筛。②鼓风干燥箱：能使温度控制在（105±5）℃。③天平：称量1000g，感量0.1g。④比长仪：由百分表和支架组成，百分表量程为10mm，精度为0.01mm。⑤水泥胶砂搅拌机：符合GB/T17671。⑥恒温养护箱或养护室：温度（40±2）℃，相对湿度95%以上。⑦养护筒：由耐腐蚀材料制成，应不漏水，筒内设有试件架。⑧试模：规格为25mm×25mm×280mm，试模两端正中有小孔，装有不锈钢质膨胀端头。⑨跳桌、秒表、干燥器、搪瓷盘、毛刷等。⑵试件制作：①将试样缩分至约5000g，用淋洗干净后，放在干燥箱（105±5）℃，下烘干至恒重，待冷却室温后，筛除大于4.75mm小于150µm,的颗粒，然后按表1-23筛分，分别存放在干燥器内。②采用碱含量大于1.2%的高碱水泥，低于此值掺浓度为10%的氧化钠溶液。③水泥与砂的质量比为1:2.25，一组3个试件共需水泥440g（精确至0.1g）、砂990g（各粒级的质量按表1-23称取，精确至0.1g）。用水量按GB2419确定，跳桌跳动频率为6s10次，流动度为105mm-120mm为准。④砂浆搅拌应按GB/T17671规定进行。⑤搅拌完成后，立即将砂浆分两次装入已装有膨胀测头的试模中，每层捣40次，注意膨胀测头四周应小心捣实，浇捣完毕后用镘刀刮除多余砂浆，抹平、编号并表明测长方向。⑶试件养护及测量①试件养护应在（24±4）h后脱模。②试件的基准长度应在（20±2）℃的恒温室中进行。③测量基准长度后应将试件放入养护盒中，并盖严盒盖。④每次测量时应观察试件有无裂缝、变形、渗出物及反应产物等。⑷判定依据：当半年膨胀率小于0.10%时，判定为无潜在碱-硅酸反应危害。⑸试验结果计算：表1-23碱集料反应用砂各粒级的质量筛孔尺寸4.45mm-2.36mm2.36mm-1.18mm1.18mm-600µm600µm-300µm300µm-150µm质量/g99.0247.5247.5247.5148.5图1-15试件膨胀率随标准养护时间变化图结果判定：半年膨胀率最大值为0.075%，小于0.10%，无潜在碱骨料反应危害。4.5铁尾矿砂混凝土抗冻融性能试验4.5.1试验步骤本次试验主要是根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》进行抗冻融试验，试验方法为快冻法，具体试验步骤如下：①快冻法抗冻试验应采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，每组试件应为3件。②在标准养护室内或同条件养护的试件应在养护期龄为24d时提前将冻融试验的试件从养护地点取出，随后将冻融试件放在（20±2）℃水中浸泡，浸泡时水面应高出试件顶面（约20-30）mm，在水中浸泡时间为4d，试件应在28d期龄时开始进行冻融试验。③当试件养护龄期达到28d时应及时取出试件，用湿布擦除表面水分后对外观尺寸进行测量，并应编号、称量试件初始质量WOi，然后按规定测定横向基频的初始值foi。③将试件放入试件盒内，试件应处于试件盒中心，然后将试件盒放入冻融箱内的试件架中，并向试件盒中注入清水。在整个试验过程中，盒内水位高度始终保持至少试件顶端5mm。④测温试件盒应放在冻融箱的中心位置。⑤冻融循环过程应符合下列规定：⑴在冷冻和融化过程中，试件中心最低和最高温度应分别控制在（-18±2）℃,和（5±2）℃内。在任意时刻，试件中心温度不得高于7℃，且不得低于-20℃。⑵每次冻融循坏应在（2-4）h内完成，且用于融化的时间不得少于整个冻融循环时间的1/4。⑶每块试件从3℃降至-16℃所用的时间不得少于冷冻时间的1/2；每块试件从-16℃升至3℃所用的时间不得少于整个融化时间的1/2，试件内外的温差不易超过28℃。⑷冷冻和融化之间的转换时间不易超过10min。⑥每隔25次冻融循环宜测量试件的横向基率fni，测量前应先将试件表面浮渣清洗干净并擦干表面水分，并应检查试件外部损伤称其试件的质量wni，测完后，迅速将试件调头重新装入试件盒内并加入清水，继续试验。试件的测量、称量及外观检查应迅速，待测试件应用湿布覆盖。⑦当有试件停止试验被取出时，应另用其他试件填充空位。当试件在冷冻状态下因故中断时，试件应保持在冷冻状态直至恢复冻融试验为止，并且应将故障原因及暂停的时间在试验结果中注明。⑧当冻融循坏出现下列情况之一时，可停止试验：⑴达到规定的冻融循环次数⑵试件的相对动弹性模量下降到60%⑶试件的质量损失率达5%⑨试验结果计算及处理符合下列规定：⑩每组试件的质量平均损失率应以三个试件的质量损失率试验结果的算数平均值作为测定值。当某个试验结果出现负值，应取零，再取三个试件的平均值。当三个值中的最大值或最小值与中间值之差超过1%时，应剔除此值，并应取剩余两值的算数平均值作为测定值；当最大值和最小值与中间值之差均超过1%时，应取中间值作为测定值。混凝土抗冻等级应以相对动弹性模量下降至不低于60%或者质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定，并且用符号F表示。4.4.2试验结果本次冻融循环试验，对铁尾矿砂掺量为40%时的C40混凝土和铁尾矿与机制砂混合砂细度模数为2.8时的C35混凝土进行了0-200次冻融循环试验，在设定冻融循环作用次数后分别测试了混凝土的质量损失和相对动弹性模量。表1-24C40混凝土冻融前后质量与相对动弹性模量冻融循环次数/N质量损失率（%）/⊿W相对动弹性模量P（%）00100.00250.499.76500.399.63750.699.21100098.78125-0.598.23150-1.894.51175-2.292.21200-3.291.03表1-25混合砂C35混凝土冻融前后质量与相对动弹性模量冻融循环次数/N质量损失率/⊿W（%）相对动弹性模量P（%）00100.00250.599.76500.899.48750.399.01100098.45125-0.798.11150-2.194.21175-2.592.38200-3.891.11图1-16C40混凝土冻融循环次数与质量损失率关系变化图图1-17C40混凝土冻融循环次数与动弹性模量关系变化图图1-18C35混凝土冻融循环次数与质量损失率关系变化图图1-19C35混凝土冻融循环次数与相对弹性模量关系变化图结论：从以上图表可以看出，铁尾矿砂掺配比列为40%时，C40混凝土质量损失在0-125次冻融循环之间降低幅度并不大，最大质量损失率3.2%；其相对弹