铁尾矿微粉混凝土强度和氯离子扩散系数试验研究
0 引言
铁尾矿是矿山选矿过程中排出的固体废弃物, 是工业固体废弃物的主要组成部分。铁尾矿赋存量巨大, 大量铁尾矿堆积不仅占用土地、破坏生态环境, 还会造成安全隐患。现阶段我国铁尾矿的利用率较低
国内外学者对铁尾矿微粉作为混凝土掺合料的研究较少, 主要集中于研究小掺量铁尾矿微粉对混凝土工作性能、强度的影响, 得出掺入适量铁尾矿微粉可改善混凝土和易性、力学性能及耐久性的结论
1 试验原材料及方法
1.1 试验原材料
1) 水泥排除水泥中不确定组分的影响, 试验用水泥为基准水泥, 性能指标如表1所示。
2) 铁尾矿微粉需水量比90%, 比表面积450m2/kg, 含铜、铁、锌等金属元素, 主要化学组分如表2所示。
3) 矿渣粉S95级, 密度2.8g/cm3, 比表面积485m2/kg, 需水量比96.2%, 各项指标均符合国家标准。
4) 骨料卵石粒径10～20mm, 碎石粒径5～10mm, 卵石∶碎石=8∶2。细骨料选用天然河砂, 含泥量较少, 为5.2%。细度模数为2.7, 级配良好。
5) 减水剂选用固含量为20%的聚羧酸减水剂。
1.2 配合比设计
考虑环保及经济性, 采用低水泥熟料体系, C30, C50混凝土中水泥占胶凝材料的30%, 40%。为研究不同铁尾矿微粉掺量对混凝土性能的影响, 分别取铁尾矿微粉∶矿渣粉=0∶10, 3∶7, 5∶5, 7∶3, 10∶0。由于铁尾矿微粉活性较低, 为保证混凝土强度, 随铁尾矿微粉掺量增加水胶比相应降低, 配合比如表3所示。
1.3 试验方法
采用NEL法测定混凝土氯离子扩散系数, 混凝土在标准养护条件下养护28d后, 将不同龄期混凝土试块切割成试验要求的尺寸 (100mm×100mm×50mm) , 切面应平整。将切好的试块放入NEL-VJH型真空饱水机中使用4mol/L NaCl溶液进行24h真空饱水, 利用混凝土电测仪测定氯离子扩散系数。
2 试验结果与讨论
2.1 混凝土工作性能
各组混凝土坍落度和扩展度测试结果如表4所示。
表4 混凝土坍落度和扩展度Table 4 Slump and slump flow of concrete mm
由表4可知, 铁尾矿微粉有利于提高混凝土坍落度及扩展度, 提高效果优于单掺矿渣粉, 铁尾矿微粉混凝土坍落度均≥210m、扩展度>500mm, 具有良好和易性, 有效改善混凝土工作性能, 为工程现场施工提供便利。
表1 基准水泥基本性能指标Table 1 Main properties of reference cement
表2 铁尾矿微粉主要化学组分Table 2 Main chemical composition of iron tailings powder
表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix proportion
kg·m-3
2.2 混凝土抗压强度
各组混凝土不同龄期抗压强度如图1所示。
图1 混凝土抗压强度Fig.1 Compressive strength of concrete
混凝土各龄期抗压强度随铁尾矿微粉掺量增加呈下降趋势。单掺矿渣粉A1, B1组混凝土28d抗压强度较高, 单掺铁尾矿微粉A5, B5组最低, 仅为28.6, 47.3MPa, 不满足强度要求。铁尾矿微粉掺量低于矿物掺合料的50%时, 混凝土各龄期强度与单掺矿渣粉时差别不大。铁尾矿微粉属无活性矿物掺合料, 不参加水化反应, 大量掺加铁尾矿微粉对混凝土强度不利, 但适当掺加可改善颗粒级配, 产生微集料效应以满足强度要求。在低熟料体系下, 铁尾矿微粉不宜单掺, 且掺量不宜超过矿物掺合料的70%。综合考虑经济、环保等方面, 铁尾矿微粉掺量为矿物掺合料的30%～50%较合理。
2.3 混凝土氯离子扩散系数
28, 90, 180d混凝土氯离子扩散系数测试结果如表5所示。
表5 不同龄期氯离子扩散系数Table 5 Chloride diffusion coefficients at different ages
10-14m2·s-1
由表5可知, 混凝土氯离子扩散系数随龄期增加而减小, 不同龄期C30混凝土氯离子扩散系数大于C50混凝土。28d龄期时, C30, C50混凝土氯离子扩散系数均为100～500, 属中等渗透性;铁尾矿掺量较少的C50混凝土在90, 180d龄期时氯离子扩散系数<100, 渗透性低。氯离子扩散系数受铁尾矿微粉掺量的影响较大, 其值随铁尾矿微粉掺量增加而增大。对于低强混凝土 (C30) , 铁尾矿微粉掺量低于矿物掺合料的50%时, 氯离子扩散系数与单掺矿渣粉差别较小, 而掺量为矿物掺合料的70%, 100%时则相反;对于高强混凝土 (C50) , 铁尾矿微粉掺量为矿物掺合料的30%时, 氯离子扩散系数与单掺矿渣粉差别较小。考虑氯离子渗透性, 低强混凝土铁尾矿微粉合理掺量为矿物掺合料的50%, 高强混凝土为30%。
将不同组别、不同龄期混凝土氯离子扩散系数与相应龄期抗压强度进行对比分析可知, 二者相关性较强, 相关系数均>0.9 (见图2) 。混凝土内部结构致密程度决定其渗透性能及力学性能, 因此, 抗压强度可较好反映混凝土抗氯离子渗透性能, 此规律可为铁尾矿微粉混凝土工程施工提供理论依据。
图2 混凝土氯离子扩散系数与抗压强度的关系Fig.2 Relationship between chloride diffusion coefficient and compressive strength of concrete
3 结语
适当掺加铁尾矿微粉作为混凝土掺合料, 不仅可解决固体废弃物堆积问题, 还可改善混凝土工作性能, 保证混凝土力学强度及耐久性。
1) 铁尾矿微粉混凝土坍落度及扩展度均大于单掺矿渣粉混凝土。
2) 混凝土各龄期强度随铁尾矿微粉掺量增加呈下降趋势, 在低熟料体系下, 铁尾矿微粉不宜单掺, 合理掺量为矿物掺合料的30%～50%。
3) 各龄期氯离子扩散系数随铁尾矿微粉掺量增加而增大, 在低、高强混凝土中, 铁尾矿微粉掺量小于矿物掺合料的50%, 30%时, 氯离子扩散系数较低。
4) 各龄期氯离子扩散系数与相应龄期抗压强度相关性较强, 抗压强度可较好反映混凝土抗氯离子渗透性能。
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