铁尾砂细集料配制喷射混凝土的试验研究

2021-09-28杨如仙刘书程朱志刚

中国港湾建设 2021年9期

杨如仙，刘书程，朱志刚

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040；2.中交二航武汉港湾新材料有限公司，湖北麻城 438300；3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室（创新平台），湖北武汉 430040）

0 引言

铁尾矿是铁矿石经过破碎、筛分、研磨、分级等工艺处理以后剩余和被废弃的部分。根据2018年《中国矿产资源报告》统计，截止2017年底，我国每年排放尾矿量近15亿t，全国累计堆存量尾矿近600亿t、废石近400亿t。我国铁尾矿总量大、种类多、颗粒细，其长期堆放会带来环境和安全问题。近年来国家颁布了一系列政策鼓励综合利用工业固体废弃物。而大宗工业固体废弃物最大的应用市场是建材行业，约有70%的工业固体废弃物的主要应用领域为建材行业[1]。

喷射混凝土采用喷浆机将混凝土拌合物直接喷射到工作面，具有原材料广、施工便利且速度快、对施工现场适应性强等优点，而被广泛的应用到大坝、隧道、矿井支护等工程中。通常喷射混凝土在应用中存在回弹率高、粉尘大、强度低等问题[2]，本研究拟采用铁尾矿砂作为骨料解决以上问题，探索研究铁尾矿砂在喷射混凝土中的应用。

1 试验

1.1 试验原材料

铁尾矿：安徽某铁尾矿企业堆存的铁尾矿，铁尾矿的化学成分见表1、性能指标见表2，矿物组成见图1。由表1可知该铁尾矿SiO2含量低于65%为低硅型铁尾矿，由图1可知该铁尾矿的主要矿物组成为钠长石和钙长石，含有少量的石英和黄铁矿，该铁尾矿磁性指数4.67%，细度模数1.3，级配曲线见图2，堆积密度1 450 kg/m3，紧密密度1 680 kg/m3，950益的烧失量为5.87%。

表1 铁尾矿的化学成分Table 1 Chemical composition of iron tailings

表2 铁尾砂性能指标Table 2 Performance index of iron tailings

图1 铁尾矿砂的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of iron tailing sand

图2 铁尾矿砂级配曲线Fig.2 Iron tailing sand gradation curve

矿粉：S95级矿粉，烧失量0.4%，7 d活性指数78%，28 d活性指数101%。

硅灰：SiO2含量92%，95%的颗粒粒径在2滋m以下，平均粒径0.12滋m，比表面积大于8 000 m2/kg，密度约2 200 kg/m3。

天然砂：普通河砂，细度模数为2.6，表观密度约2 670 kg/m3，有害物质在规定含量以下。

粗骨料：石灰石，表观密度为2 650 kg/m3，堆积密度为1 478 kg/m3，有害物质在规定的含量以下。

减水剂：武汉某材料公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率25%。

速凝剂：武汉某材料公司生产的混凝土速凝剂，灰色粉状，固体，速凝剂掺量为胶凝材料用量的3%~5%。

1.2 试验方法

参照现行标准JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计混合砂喷射混凝土配合比，通过调整水胶比、速凝剂、减水剂掺量，控制喷射混凝土初凝时间在30~45 min内，坍落度控制在160 mm以下，回弹率小于40%，喷射混凝土配比方案如表3所示。

表3 喷射混凝土配合比方案Table 3 Mix ratio scheme of spray concrete

1）喷射回弹率测定方法

喷射回弹率采用质量法进行测定。在喷射部位的地面上铺设1层帆布，将称量好质量的试样喷射到墙壁上，然后收集完成后的回弹料并称量质量，回弹料的质量与喷射前的质量比值即为此试样的回弹率。

2）喷射混凝土强度测定方法

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测定喷射混凝土试样的抗压强度、劈裂抗拉强度。标准试块为100 mm伊100 mm伊100 mm的棱柱体，在标准条件下养护，并测试1 d、3 d、7 d、28 d的抗压强度、劈裂抗拉强度。

3）喷射混凝土粉尘浓度测定方法

按照AQ/T 4268—2015《工作场所空气中粉尘浓度快速检测方法——光散射法》测定喷射混凝土工作面的总粉尘浓度，采用CCZ3000直读式粉尘浓度测量仪进行测量，按照GBZ/T 192.1—2007《工作场所空气中粉尘测定第1部分：总粉尘浓度》的采样原则与要求，确定工作场所的监测点和检测位置。

2 试验结果与分析

2.1 工作性能

由表4可知，随着铁尾矿砂掺量的增加，坍落度呈逐渐下降的趋势。这是由于铁尾矿砂细度模数较小，颗粒分布较集中、不合理，随着尾矿砂掺量的增加，混合砂的细度模数逐渐降低，由于铁尾矿砂的颗粒形状为多棱角、表面粗糙、吸水率较大，在同等条件下比天然砂混凝土的流动性差，故坍落度呈现逐渐下降的趋势[3-4]。在铁尾矿砂掺量为20%时，铁尾矿砂掺量较少，能和天然砂、粗集料互补形成连续的颗粒级配，混合砂的细度模数略有降低，故坍落度与天然砂混凝土相比略有减小。随着铁尾矿砂掺量的增加混凝土的初凝时间略有增加，但仍在设计规程的范围内。掺入铁尾矿砂后混凝土的回弹率明显降低且均低于10%。随着铁尾矿砂掺量的增加，工作面的粉尘浓度逐渐降低，这主要是因为铁尾矿砂的吸水性较天然砂要强很多，另外与铁尾矿砂颗粒较细有关，铁尾矿砂中0.15 mm以下的颗粒占35.5%，这些细颗粒相当于粉体填充料填充于混凝土骨料间的空隙，使混凝土浆体量增加，提高了混凝土的黏聚性，从而有效的降低喷射混凝土的回弹率和粉尘浓度[2]。铁尾矿砂的加入降低了混凝土的坍落度，流动性差，初凝时间有所延长，这些均可以通过外加剂来调节，并不影响铁尾矿砂掺入后混凝土整体的工作性能，铁尾矿混凝土在回弹率方面的性能远高于天然砂喷射混凝土，回弹率降低，工作面的粉尘浓度降低。

表4 工作性能Table 4 Work performance

2.2 力学性能

分别测试各配比的混凝土1 d、3 d、7 d和28 d抗压强度和劈裂抗拉强度，试验结果如图3、图4所示。

图3 各配合比不同龄期的抗压强度Fig.3 The compressive strength of each mixture ratio at different ages

图4 各配合比不同龄期的劈裂抗拉强度Fig.4 The splitting tensile strength of each mixture ratio at different ages

由图3、图4可知，随着铁尾矿砂掺量的增加，各龄期混凝土抗压、劈裂抗拉强度都呈现先上升后下降趋势。这是因为铁尾砂颗粒较细，适当掺量的铁尾矿砂，可以填补集料和砂之间的空隙，从而使集料之间形成密实骨架，另外，铁尾矿砂具有多棱角的颗粒形状，接触点多，在水泥水化时能和砂石形成更加牢固的骨架，从而使混凝土的强度增加。但是随着铁尾矿砂掺量的进一步增加，铁尾矿砂破坏了集料的级配梯度，导致级配间断，降低了骨架密实度，从而导致了混凝土强度的降低[5-7]。掺入20%铁尾矿的混凝土各龄期抗压、劈裂抗拉强度均为最大值，性能最优。铁尾矿掺入量小于80%的混凝土28 d抗压强度都超过设计要求30 MPa。总体来说，当掺入比例在20%左右时，由于其各龄期强度达到最大，最能满足喷射混凝土施工工艺早期硬化阶段早凝早强的要求。

2.3 耐久性能

喷射混凝土的耐久性能应符合设计要求，耐久性能试验方法按照现行国家标准GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

1）抗冻性能

按照冻融150次循环后各配比混凝土的强度损失率和质量损失率变化如图5所示。

图5 不同配合比混凝土冻融强度、质量损失率Fig.5 Freeze-thaw strength and mass loss rate of concrete with different mix ratio

由图5可知，冻融150个循环后，铁尾矿掺量为20%时混凝土的强度损失率最小，随着铁尾矿砂掺量继续增加，强度损失率逐渐增大，但强度损失率均小于25%。掺入铁尾矿混凝土冻融前后质量损失率都比天然砂混凝土稍小，质量损失率都小于5%。掺入铁尾矿的混凝土冻融前后强度和质量损失率和天然砂混凝土相差不大，说明铁尾矿砂混凝土和天然砂混凝土的抗冻性基本接近，其中，掺20%铁尾矿砂的混凝土强度、质量损失率都最小，抗冻融性能最优。

2）抗碳化性能

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的碳化试验方法对各配比的混凝土进行测试。混凝土各配比28 d的抗碳化性能试验结果如图6所示。由图6可知，掺入铁尾矿的混凝土经28 d碳化后碳化深度都小于5 mm，抗碳化性能良好，铁尾矿掺量为20%时碳化性能最好。这是因为，铁尾矿掺量为20%时，混凝土骨料级配合理，混凝土骨架密实，强度较高则其抗碳化能力也较强。随着铁尾矿掺量的继续增加，由于铁尾矿颗粒较细，导致混凝土骨料级配不合理，混凝土强度下降，其抗碳化性能也逐渐降低，碳化深度逐渐增大[8]。