魏源,徐国强,2,王兴国,2,李凡雨

(1. 华北理工大学 建筑工程学院,河北 唐山 063210;2. 河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063210)

引言

建筑行业中混凝土的应用范围广、用量大,消耗了大量的建筑用砂,但由于生态环境遭到破坏,天然河砂已经被禁止开采,实际工程中就开始使用机制砂配制混凝土。铁尾矿砂为铁矿石经过选矿厂筛选后,产生的固体废弃物加工而成的机制砂[1,2],可以用作混凝土的细骨料来代替天然河砂,并在实际建筑工程中得到了应用。建筑火灾是所有火灾类型中发生频率最高的,建筑火灾发生后,混凝土结构承载力急剧下降[3],火灾高温使混凝土内部的水泥浆体和骨料都发生一定程度的损伤。由于矿石产地和选矿工艺不同,矿物组成和元素组成有明显差异[4],铁尾矿砂比普通的机制砂的物质组成成分复杂,除石英、长石外,铁尾矿砂中还含有高温作用后易分解的云母、方解石、角闪石等矿物,会对铁尾矿砂混凝土高温作用后的力学性能产生影响。已有研究表明,高温作用会影响混凝土细骨料的性能,陈波等[5]通过对天然砂高温后的筛分试验,分析了高温对混凝土细骨料的影响,研究结果表明,天然砂受热300 ℃后筛分质量变化不明显,600 ℃后各粒径筛分质量变化明显,300～600 ℃这一温度区段对天然砂的细度模数、级配、裂缝等性能参数产生影响。另外,机制砂的种类也会影响水泥砂浆和混凝土结构高温作用后的力学性能,张文妍等[6]研究了不同细骨料对水泥砂浆高温作用后力学性能的影响,结果表明,温度为600 ℃时,相比于其它机制砂石灰石机制砂配制的水泥砂浆耐高温性能更好,硅质骨料中石英晶体在573 ℃会受热体积膨胀,导致出现裂缝,强度降低,800 ℃时,钙质骨料中碳酸钙受热分解,水化产物彻底脱水分解,水泥砂浆丧失承载能力。高温作用会影响细骨料的性能参数,继而对不同种类细骨料水泥砂浆的力学性能产生影响,因此有必要对铁尾矿砂的高温性能进行试验研究。

国内外学许多者对铁尾矿砂混凝土和铁尾矿砂水泥砂浆的高温力学性能进行了研究。Chen Jihao等[7]利用扫描电镜、X射线衍射仪对铁尾矿砂高强混凝土高温作用后的劣化损伤机理进行了研究,研究结果表明,温度在300 ℃时,高温高压环境下催化水泥的二次水化反应,生成更多的水化产物,混凝土的强度略有提高;经历500℃高温作用后,由于铁尾矿砂与水泥浆体的膨胀系数不同,削弱了骨料与水泥浆体之间的界面过渡区,造成混凝土抗压强度低于常温状态下强度。Zhu Qian等[8]研究了不同铁尾矿砂掺量对高温作用后再生混凝土力学性能及损伤机理的影响,结果表明,经历300 ℃高温作用后,与普通再生骨料混凝土相比,掺加铁尾矿砂的混凝土强度略有提升,表现出更好的耐高温性能。李壮[9]分析了铁尾矿砂的成分构成和骨料性能,并对高温后铁尾矿砂混凝土的力学性能进行了研究,结果表明,铁尾矿砂的热稳定性差,铁尾矿砂颗粒过细,用来配制混凝土会导致拌合物和易性差;铁尾矿砂混凝土经历100 ℃作用后,混凝土内部自由水蒸发溢出,形成高温高压蒸养环境,促使水泥颗粒二次水化反应,轴心抗压强度略有提高;加热到500 ℃时,出现强烈的刺激性气味,铁尾矿砂中的黄铁矿和方解石受热容易分解,导致铁尾矿砂混凝土强度大幅度降低。王微微等[10]研究了不同铁尾矿砂掺量的混凝土在高温作用后的质量损失和抗压强度的变化规律,结果表明,800 ℃时相比普通混凝土铁尾矿砂混凝土的质量损失率高1.8%,残余抗压强度仅有常温时抗压强度的22%,低于普通混凝土强度。MJ Miah等[11]研究了不同铁尾矿砂掺量对水泥砂浆高温后孔隙特征和抗压强度的影响,结果表明,与天然河砂相比,铁尾矿砂的导热系数较大,高温作用后随着铁尾矿砂掺量的增加,水泥砂浆试块表面裂缝增多,水泥砂浆的抗压强度逐渐降低。现有研究表明,不同产地的铁尾矿砂经历不同温度作用后性能有所不同,经历100～300 ℃温度作用后,铁尾矿砂混凝土内部水分蒸发形成的高温蒸养环境促使水泥水化产物增多,混凝土的强度略有提高,温度高于500 ℃时,铁尾矿砂中方解石、黑云母等矿物受热分解导致铁尾矿砂混凝土的抗压强度低于普通混凝土。为此,试验从铁尾矿砂和普通机制砂的矿物组成、铁尾矿砂经历不同温度作用后的表观形貌、质量损失率、铁尾矿砂和普通机制砂的热稳定性等方面对铁尾矿砂的高温性能进行了研究。

1 试验

1.1 原材料

试验采用的是河北省唐山市的铁尾矿砂和普通机制砂,使用D/max 2500 PC型高功率X射线衍射仪对烘干后的铁尾矿砂粉体和普通机制砂粉体进行X射线衍射分析,扫描步长为0.02°,扫描范围为5°～75°。分析得到该铁尾矿砂属于高硅型铁尾矿,含有石英、黑云母、长石、角闪石、硼铁等矿物,物质成分复杂,而普通机制砂只含有石英、钠长石等矿物。

图1 铁尾矿砂和普通机制砂的XRD图谱

铁尾矿砂细度模数为1.82,表观密度为2 747 kg/m3,超Ⅲ区下限,属于过细砂区,普通机制砂的细度模数为2.83,表观密度为2 627 kg/m3,属于Ⅱ区中砂,其级配曲线如图2所示。

图2 铁尾矿砂和普通机制砂的筛分变化曲线

1.2 试验方法及设计

采用高温电炉进行铁尾矿砂高温试验,升温曲线如图3所示,取10份,每份500 g干燥后的铁尾矿砂样品,分别加热至200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃,达到额定温度后恒温30 min,待炉内温度冷却至400 ℃左右,打开炉门,取出试样置于空气中自然冷却。使用智能3D数码显微镜观测高温作用后铁尾矿砂的表观形貌,使用天平称量铁尾矿砂的质量并计算质量损失率。使用STA449 F3型综合热分析仪对铁尾矿砂和普通机制砂进行热重-差热分析(TG-DSC),升温速率为10 ℃/min,温度范围为25～1 000 ℃,氩气保护。

图3 高温电炉升温曲线

2 试验结果分析

2.1 高温作用后铁尾矿砂的表观形貌

高温作用后铁尾矿砂的表观形貌能够直观地反应铁尾矿砂的高温受损形态。使用电热鼓风干燥箱将铁尾矿砂烘干(105±5 ℃)至恒重,自然冷却后取适量样品置于高温电炉内,加热至目标温度后恒温30 min。

图4～图7为铁尾矿砂经历不同温度后的形貌特征,放大倍数为70倍和300倍。从图4～图7可以看出,铁尾矿砂以黑色砂粒为主,掺杂着少量红褐色和白色砂粒,铁尾矿砂多棱角,表面粗糙、有不规则的划痕,温度为200 ℃时,铁尾矿砂颜色无明显变化,温度达到400 ℃时,黑色砂粒有部分变为棕色,当温度为600 ℃时,黑色砂粒变为棕褐色,砂粒表面可以清晰地观察到裂缝。当温度为800 ℃时,部分砂粒破碎。温度从600 ℃上升至1 000 ℃的过程中,黑色砂粒缝隙逐步展开,裂缝宽度、长度不断增大,裂缝数量增多。温度为1 000 ℃时,黑色砂粒可观察到宽度为53.12μm的裂缝,白色砂粒变为黄棕色,裂缝呈网状分布,红褐色砂粒变为红棕色,有细小裂缝出现。

图4 铁尾矿砂高温后的表观形貌特征(70倍)

图5 铁尾矿砂高温后的表观形貌特征(70倍)

图6 铁尾矿砂白色砂粒高温后的表观形貌特征

图7 铁尾矿砂红褐色砂粒高温后的表观形貌特征

2.2 高温作用后铁尾矿砂的质量损失

铁尾矿砂高温后的质量损失率可以从量化角度体现,即高温作用前和高温作用后的质量差占原质量的百分比,按式(1)计算:

(1)

式中:

I—质量损失率,%;

M—高温作用前铁尾矿砂的质量,g;

Mf—高温作用后铁尾矿砂的质量,g。

铁尾矿砂经历不同温度(200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃,1 000 ℃)作用后的质量及质量损失率如表1和图8所示。

表1 高温作用后铁尾矿砂的质量损失

图8 高温后铁尾矿砂质量损失率变化曲线

由图8可知,随着温度升高,高温作用后的铁尾矿砂质量损失率逐渐增大,在低温区段(0～200 ℃),损失率达到5.2%,温度从400 ℃开始,质量损失率缓慢增大,温度为800 ℃时,质量损失率增长1%左右,直到温度达到1 000 ℃时,铁尾矿砂的质量损失率为7.4%。

2.3 铁尾矿砂和普通机制砂的热稳定性分析

铁尾矿砂和普通机制砂的TG-DSC曲线如图9所示。

由图9(a)可知,铁尾矿砂和普通机制砂的质量下降主要发生在200 ℃以下,尤其在25～120 ℃质量分数分别下降5.64%、1.64%,铁尾矿砂和普通机制砂中矿物的结合水受热蒸发[12],导致质量下降较快,与普通机制砂相比,铁尾矿砂的细度模数小,细小颗粒多,比表面积大,因此铁尾矿砂中含有的结合水比普通机制砂多。在整个升温过程中铁尾矿砂和普通机制砂质量下降分别为7.71%、1.64%,铁尾矿砂质量分数减小量相当于普通机制砂的4.7倍,普通机制砂物质成分相对稳定,失去结合水后质量变化较小。

由图9(b)可知,573 ℃附近吸热峰对应铁尾矿砂和普通机制砂中的石英晶体由α相转化为β相[13],体积膨胀约0.85%[6],硅质砂粒内部出现裂缝,温度为721 ℃时,铁尾矿砂中黑云母矿物继续吸收热量发生分解反应[14],质量下降较快。

由此得出,温度从室温上升到1 000 ℃的过程中,铁尾矿砂的物质成分极不稳定,受热易分解或变形,导致铁尾矿砂的裂缝、质量损失率逐渐增大,与普通机制砂相比,铁尾矿砂的热稳定性较差。

3 结论

(1)铁尾矿砂和普通机制砂的主要矿物成分均为二氧化硅,属于硅质骨料,但铁尾矿砂成分组成比普通机制砂复杂,除石英、长石外,铁尾矿砂中还含有黑云母、角闪石、硼铁等矿物。

(2)常温状态下,铁尾矿砂以黑色砂粒为主,掺杂少量红褐色、白色砂粒,铁尾矿砂表面粗糙、多棱角。高温作用后的铁尾矿砂,黑色砂粒逐渐变为棕褐色,红褐色砂粒逐渐变为红棕色,白色砂粒颜色变为黄棕色,经历600 ℃高温后,黑色砂粒可以看到清晰的裂缝,随着温度升高,缝隙逐步开展,裂缝宽度、长度增大,裂缝数量增多,铁尾矿砂在800 ℃温度作用后,部分砂粒破裂,温度为1000 ℃时,黑色砂粒裂缝宽度可达53.12 μm,白色砂粒裂缝呈网状分布,红褐色砂粒有细小裂缝出现。

(3)高温作用后的铁尾矿砂,随着受热温度升高,质量损失率逐渐增大,大部分质量损失发生在200 ℃以下,经历温度为400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃作用后,质量损失率缓慢增加,经1 000 ℃高温作用后,铁尾矿砂质量损失率为7.4%。

(4)与普通机制砂相比,铁尾矿砂的热稳定性差,当温度为120 ℃时,铁尾矿砂内部的结合水蒸发质量下降5.64%;当温度为573 ℃时,石英矿物晶型发生改变,由α相转化为β相;当温度为1 000 ℃时,铁尾矿砂质量降低7.71%,是普通机制砂质量分数减小量的4.7倍。