铁尾矿砂混凝土力学性能及电通量试验研究

铁尾矿砂混凝土力学性能及电通量试验研究

宋皓,欧阳奇,刘晓洲,赵应天,毛英俊,陈张辉

衢州学院

摘要：本文通过4组不同铁尾矿砂取代率制备混凝土试样，开展了混凝土力学性能测试及抗氯离子渗透性电通量试验。试验表明，掺入铁尾矿砂会提高混凝土的立方体抗压、劈裂抗拉及抗折强度；当铁尾矿砂掺入量在20%时，混凝土强度最大。同时，掺入铁尾矿砂会降低混凝土的抗氯离子渗透性。

关键词：铁尾矿砂；混凝土；力学性能；电通量

0 引言

铁尾矿是选矿后的废弃物，2021年我国铁尾矿的堆积量超200亿吨，尾矿的堆存不仅占用大量的土地，还会造成周边环境的重金属污染[1]。近年来，许多学者对铁尾矿的回收再利用开展了大量研究，王雪[2]等人通过对不同铁尾矿砂替代率的混凝土开展耐久性试验研究，发现铁尾矿砂混凝土冻融循环后的质量损失和相对弹性模量随尾矿砂替代率的增加而降低，并建议工程采用替代率40%-60%尾矿砂制备混凝土。李壮[3]通过对同水灰比的河砂、铁尾矿砂、混合砂三种混凝土的力学性能进行对比，结果表明在保证混凝土流动性的前提下，掺入铁尾矿砂可以提高混凝土强度，同时也会造成混凝土弹性模量和延性的降低。姚雷[4]等人通过对铁尾矿砂级配优化后，研究了不同掺量的铁尾矿砂对不同强度等级混凝土的物理力学性能影响。李萌[5]等人对不同取代率的铁尾矿砂再生骨料混凝土进行了力学强度试验研究，发现在不同铁尾矿砂取代率下再生骨料混凝土抗压强度均超过普通混凝土。

1 试验设计

1.1 原材料

细骨料：河砂产自衢州市，为中砂，细度模数2.5，表观密度2.60g/cm3，松堆密度为1420 kg/m3；铁尾矿砂产自浙江漓渚铁矿，其主要化学成分为SiO2、CaO等矿物成分，成分组成见图1。

粗骨料：采用5-20mm粒径连续级配的碎石；

水泥：江山虎牌P.O 42.5水泥。

拌合水：自来水。

图1 铁尾矿砂成分组成

1.2 试样制备

根据掺入不同比例的铁尾矿砂设计了4个不同的铁尾矿砂混凝土配合比，铁尾矿砂的掺入比例分别为0%、10%、20%和30%，具体配合比情况见表1。根据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》制作铁尾矿砂混凝土试样，每个配合比均制作了立方体抗压试块、劈裂抗拉试块、抗折试块及电通量测定试块各一组，共16组48个试块，见图2。采用HW-60型混凝土搅拌机拌制铁尾矿砂混凝土浆料，将拌合物装入试模，利用ZH-DG-80型混凝土振动台进行振捣密实，24h后进行脱模，试样脱模后放入恒温恒湿养护箱中进行养护，设定温度为20±1℃，相对湿度95%以上，养护28天。

表1 铁尾矿砂混凝土配合比

图2 试样制备

1.3 试验方案

根据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，利用YAW-2000D试验机对各组试样分别进行抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验及抗折强度试验，加载方式采用力控的方式。

根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，对各组试样采用电通量法测定铁尾矿砂混凝土抗氯离子渗透性，试验测定了28d龄期的6h电通量。

2 试验结果与分析

试验结果见表2。

表2 试验结果汇总

2.1 立方体抗压强度

从试验结果来看，铁尾矿砂取代率在20%的时候，混凝土立方体抗压强度最大，比未掺铁尾矿砂的混凝土立方体抗压强度高出13.3%。但当铁尾矿砂掺入量大于20%时，混凝土立方体抗压强度呈下降趋势。其主要原因是在相同的水灰比下，掺入铁尾矿砂使得细骨料表面积增大，会吸附更多的自由水，减少了参与水化反应的自由水含量，相当于降低了水灰比，因此会提高混凝土抗压强度[3]。

2.2 劈裂抗拉强度

铁尾矿砂取代率在20%的时候，混凝土劈裂抗拉强度最大，比未掺铁尾矿砂的混凝土劈裂抗拉强度高出13.8%。掺入铁尾矿砂提高了混凝土劈裂抗拉强度，但当铁尾矿砂掺入量超过20%后，劈裂抗拉强度呈下降趋势。

2.3 抗折强度

铁尾矿砂取代率在20%的时候，混凝土抗折强度最大，比未掺铁尾矿砂的混凝土抗折强度高出4.2%。从试验结果来看，掺入铁尾矿砂对混凝土的抗折强度增效不是很显著。

2.4 抗氯离子渗透性

电通量试验结果表明，掺入铁尾矿砂会提高电通量，降低混凝土的抗氯离子渗透性，并且试验表明随着铁尾矿砂的掺入比例的增大，电通量呈增大的趋势，混凝土抗氯离子的渗透性进一步的减弱。未掺入铁尾矿砂时，混凝土抗氯离子渗透性能等级为

Q-Ⅱ，氯离子渗透性为中等；掺入铁尾矿砂后，混凝土抗氯离子渗透性能等级逐渐降为Q-Ⅰ，氯离子渗透性也变成高等。

3 结论

（1）掺入铁尾矿砂的混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度较未掺铁尾矿砂的混凝土均有一定程度的提高，试验表明当铁尾矿砂掺入量为20%时，各项强度达到最大；当掺入量超20%后，混凝土各项强度呈下降趋势。

（2）掺入铁尾矿砂会降低混凝土抗氯离子渗透性，且试验表明随着铁尾矿砂掺入量的提升，混凝土抗氯离子渗透性呈不断下降的趋势。

参考文献

[1]朱志刚, 李北星, 周明凯, et al. 铁尾矿砂应用于混凝土的可行性研究[J]. 武汉理工大学学报：交通科学与工程版, 2016, 40(3):5.

[2]王雪, 张少峰, 鲍文博,等. 铁尾矿砂混凝土耐久性能的试验研究[J]. 混凝土, 2020(4):5.

[3]李壮. 铁尾矿砂混凝土力学性能研究[J]. 四川水泥, 2020(2):1.

[4]姚雷, 李晓芝, 鲁明星. 铁尾矿砂掺量对混凝土性能的影响[J]. 混凝土与水泥制品, 2019(10):4.

[5]李萌, 孟祥荫, 李涛,等. 铁尾矿砂再生骨料混凝土力学性能研究[J]. 混凝土, 2020(3):4.

作者简介：

宋皓、赵应天、毛英俊、陈张辉 衢州学院；

欧阳奇 衢州学院建筑工程学院实验师；刘晓洲 衢州学院建筑工程学院副教授；

项目来源：

1、铁尾矿砂混凝土物理力学性能试验研究（项目编号：KFXM202101），衢州学院实验室开放项目；

2、浙江区域铁尾矿砂再生混凝土抗侵蚀研究（项目编号：202111488055），国家级大学生创新创业项目；