铁尾矿粉在承德双峰寺碾压混凝土坝中的应用.pdf
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1、第 13 卷 第 1 期 2015年 2月 南水北调与 水利科技 South 2to2North Water Transfers and Water Science 可使混凝土具有较高的早期抗压强度, 且后期抗压强度具有较大 幅度的提高; 可使混凝土抗氯离子渗透性、 抗渗性能和抗冻性能得到明显增强。 关键词: 碾压混凝土; 铁尾矿粉; 工作性能; 力学性能; 耐久性能 中图分类号: TV431 文献标志码: A 文章编号: 1672 21683( 2015) 0120148205 Application of iron ore tailings powder in the roller com
2、pacted concrete dam of Shuangfeng T emple in Chengde WANG T ie 2qiang ( H ebei Provincial Academy of Water Resources, Shij iaz huang 050051, China) Abstract:Through a lot of experiments, the effects of artificial sand made by the mixing of the iron ore tailings powder and natu2 ral medium sand under
3、 a certain proportion on the hydraulic properties, mechanical properties, and durability of roller compacted concrete were analyzed. The results showed that when the ratio between the iron ore tailings powder and natural medium sand is 7: 3, the compressive strength, splitting tensile strength, axia
4、l compressive strength, and axial tensile strength of the hardening concrete increase significantly, the early and late compressive strengths of the concrete enhance, and the permeability, permeabil2 ity resistance, and freezing resistance performance of chloride ion in the concrete improve. Key wor
5、ds: roller compacted concrete; iron ore tailings powder; working performance; mechanical property; durability 随着钢铁工业的发展, 铁尾矿在工业固体废弃物占的比 例也越来越大1, 不仅占用了大量耕地而且对空气和水源造 成严重污染223, 所以铁尾矿的合理开发利用问题已引起广 泛重视。据分析, 尾矿利用将是 21 世纪矿产综合利用范围 最广、 潜力最大的领域, 尾矿将是人们争先利用的新资源和 矿山企业振兴的坚实物质基础425。目前国内外对尾矿综合 利用的大体思路是: 对有利用价值的铁尾矿
6、进行再选、 利用 尾矿充填采空区或生产具有高附加值的建筑装饰材料627, 但把铁尾矿粉应用到碾压混凝土中的研究还较少。 本文拟通过试验, 探讨铁尾矿粉在承德双峰寺水库枢纽 主要永久建筑物碾压混凝土中的应用。该工程共有混凝土 56. 22 万 m3, 其中碾压混凝土38. 03 万 m3; 变态混凝土4. 47 万m3, 常态混凝土13. 72 万 m3。由于采用天然砂石料, 砂中 细粉含量较少, 无法满足碾压混凝土施工要求, 为了保证碾 压混凝土的黏聚性、 可碾性及层间结合, 考虑采用部分铁矿 尾料( 其中小于 0. 16 mm 颗粒含量较多) 替代部分天然砂, 以增加天然砂中小于 0. 16
7、 mm 颗粒含量。 1 试验原材料及配合比 1. 1 试验原材料 ( 1) 水泥。采 用河北唐山 市某水泥有限 公司生产的 P. O42. 5水泥, 其主要性能见表 1。 表 1 水泥的主要物理性能 T ab. 1 Main physical properties of the cement 指标名称强度等级 比表面积/ ( m2# kg21) 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3 d28 d3 d28 d 指标值P# O42. 536025. 820325828. 559. 45. 68. 4 #148# 试 验 研 究 (2) 掺合
8、料。采用河北唐山市某粉煤灰厂生产的 F 类 级粉煤灰, 细度( 45 Lm 筛余量)7. 4% , 需水量比 96% 。 (3) 细骨料。采用工程所在地的天然河砂和当地的铁矿 尾粉按一定比例混合而成(满足碾压混凝土细骨料要求的细 度模数和含粉量)。 ( 4) 天然河砂。表观密度 2 640 kg/ m3, 细度模数 2. 77。 ( 5) 铁矿尾粉。表观密度 3 150 kg/ m3, 细度模数 1. 27, 其主要化学指标见表 2。 表 2 铁矿尾粉的化学指标检测结果 T ab. 2 Test results of the chemical indexes of iron ore taili
9、ngs powder( % ) 检测项目有机质轻物质Al2O3CaOMgOSiO2K2ON2OSO3烧失量Cl-/ 1025Fe2O3亚甲蓝 MB 值 检测结果浅于标准色04. 3215. 3015. 0747. 900. 811. 010. 054. 3989. 941. 0 ( 6) 粗骨料。采用工程所在地的天然卵石, 粒径分别为 5 20 mm、 20 40 mm、 40 80 mm, 表观密度 2 670 kg/ m3, 压 碎指标 6. 6% 。 (7) 外加剂。采用河北石家庄某外加剂厂生产的 Gk24A 固状缓凝高效减水剂和 GK29A 固状引气剂。 1. 2 试验配合比 试验采用
10、铁尾矿粉取代不同用量的砂子 8 29, 然后按表 3 的配合比成型混凝土试件。试验以 R0 为基准组, 研究不同 掺量的铁尾矿 粉对碾压混凝 土力学性 能和耐久 性能的 影响。 表 3 混凝土配合比 T ab. 3 Mix ing proportion of the concrete 试件组号 水泥 / ( kg #m23) 天然砂 / ( kg # m23) 铁尾矿粉 / ( kg # m23) 石子 / ( kg # m23) 水胶 比 水 / ( kg # m23) 砂率 ( % ) 减水剂 ( %) 引气剂 ( % ) R0188788013350. 4483360. 50. 15 R
11、118863015813350. 4483360. 50. 15 R218852223613350. 4483360. 50. 15 R318847331513350. 4483360. 50. 15 注: R1、 R2、 R3 铁尾矿粉与天然河砂的比例依次为2 B8、 3B7、 4 B6; 根据粗集料不同比例组合密度试验结果及骨料分离情况综合考虑, 碾压混凝土三级配骨料比 例为: 小石B中石B大石= 30 B40 B30。 2 用铁尾矿粉替代天然砂可行性分析 用一定量的粒径小于 0. 16 mm 的铁尾矿粉替代部分水 泥( 依次替代水泥量为 0% 、 20% 、 30% 、 40% ) ,
12、不同掺量粒径 小于 0. 16 mm 铁矿粉热学性能检测结果见图 1。 用一定量的粒径小于 0. 16 mm 的铁尾矿粉替代部分水 泥, 按照5 水泥胶砂强度检验方法( ISO 法)6 ( GB 17671- 1999) 10进行试验, 试件成型后按照标准养护条件, 养护至 规定龄期, 测定不同铁尾矿粉掺量( 依次替代水泥量为 0% 、 20% 、 30% 、 40% ) 、 相同养护条件下试件的抗折和抗压强度。 铁尾矿粉水泥胶砂强度检测结果见表 4。 按不同比例用铁尾矿粉取代同等质量的天然河砂, 依据 5水工混凝土试验规程6 SL 352- 2006 11测试其级配( 以下 试验均按此规程进
13、行测试), 结果见表 5。 图 1 铁尾矿粉热学性能与龄期关系 Fig. 1 Relationship between the thermal properties and age of the iron ore tailings powder 表 4 粒径小于 0. 16 mm 铁矿粉水泥胶砂强度检测结果 T ab. 4 T est results of the colloidal mortar strength of iron ore with the diameter of less than 0. 16 mm 水泥种类检测项目 抗压强度M Pa( 抗压强度比)抗折强度 MPa( 抗折强
14、度比) 3 d28 d3 d28 d 冀东水泥 P # O42. 5 100% 水泥28. 5( 100% )64. 0( 100% )4. 6( 100% )8. 4( 100% ) 80% 水泥+ 20% 小于 0. 016 mm 铁矿粉17. 3( 61% )46. 1( 72% )3. 4( 75% )6. 5( 77% ) 70% 水泥+ 30% 小于 0. 016 mm 铁矿粉15. 0( 53% )38. 6( 60% )3. 1( 67% )5. 7( 68% ) 60% 水泥+ 40% 小于 0. 016 mm 铁矿粉13. 7( 48% )35. 2( 55% )2. 6(
15、 56% )4. 4( 52% ) 注: 表中括号内数据为检测值与纯水泥同龄期胶砂强度的比值的百分数。 由上述试验得到以下结论。 (1) 小于 0. 16 mm 的铁尾矿粉不会增加水化热且无活 性, 可作为填充料改善碾压混凝土的和易性和碾压混凝土的 粘聚性和可碾性。 (2) 天然砂的筛分结果符合中砂要求。 (3) 铁尾矿粉的 M gO 含量较高。为了保证工程的安全, 采用 40% 小于 0. 08 mm 的铁尾矿粉替代水泥进行水泥净浆 压蒸安定性试验, 试验结果表明铁尾矿粉对混凝土的安定性 无不利影响这与人工砂中 MgO 无活性( 非轻烧 MgO) 有关。 ( 4) 当天然砂: 铁尾矿粉= 7
16、B 3 时, 混合砂的的细度模数 及小于 0. 16 mm 细粉颗粒可满足碾压混凝土用砂要求。 3 铁尾矿粉对碾压混凝土性能的影响 3. 1 铁尾矿粉对碾压混凝土工作性能的影响 不同替代比例铁尾矿粉对碾压混凝土碾压混凝土 VC 值 ( 用于测定碾压混凝土拌合物的工作度)影响分析结果见图 2。 #149# 王铁强# 铁尾矿粉在承德双峰寺碾压混凝土坝中的应用 试 验 研 究 表 5 细骨料颗粒级配检测结果 T ab. 5 Test results of the grain composition of fine aggregate 天然砂B 铁尾矿粉筛孔尺寸公称5. 002. 501. 250.
17、6300. 3150. 1600. 080 1 000 ( 很高) 500 1 000 ( 高) 100 500 ( 中) 50 100 ( 低) 10 50 ( 很低) 5 10 ( 极低) 5( 可忽略) 表 8 不同替代比例铁尾矿粉碾压混凝土氯离子渗透性 Tab. 8 Permeability of chloride ion in the roller compacted concrete with different mixing proportions of iron ore tailings powder 试件编号氯离子扩散系数/ ( 10210cm2# s21)混凝土渗透性能 R
18、054. 23低 R138. 35很低 R234. 27很低 R380. 32低 凝土的抗渗性能。原因是铁尾矿粉的掺入, 使混凝土更加密 实, 而且铁尾矿粉的微填充作用阻断了碾压混凝土内部的毛 细通道15, 从而提高碾压混凝土的抗渗性能。 3. 3. 2 铁尾矿粉对水工混凝土抗冻融性能的影响 不同替代比例铁尾矿粉碾压混凝土 28 d 抗冻融性能结 果见表 9。 表 9 混凝土 200 次快速冻融试验结果 Tab. 9 T est results of rapid freezing and thawing of concrete 试件 组号 质量损失率( % )相对动弹性模量( % ) 5010
19、015020050100150200 R00. 380. 892. 563. 8190797366 R10. 350. 772. 062. 5393847970 R20. 310. 721. 982. 1995888375 R30. 410. 932. 784. 0288737063 从表 9 中可以看出, 各替代比例的铁尾矿粉碾压混凝土 试件28 d 龄期均能达到 200 次冻融循环; 随着替代量的增大 各组试件的质量损失先减小后增大, 相对动弹性模量先增大 后减小, 当替代比例不超过 30% , 掺加铁尾矿粉对抵抗冻融 破坏具有明显优势; 当掺量超过 30% , 混凝土试件也具有一 定的抗
20、冻融能力但效果不及普通试件好; 随着掺量的继续加 大, 其抗冻融循环能力将达不到 200 次。 一定掺量的铁尾矿粉对碾压混凝土抗冻性能具有一定 的改善, 这主要是由于铁尾矿粉的加入调节了碾压混凝土的 级配体系, 减少了混凝土内部空隙 16, 阻断了外部水进入混凝 土内部的毛细孔道, 从而提高混凝土抵抗冰冻破坏的能力。 4 结论 ( 1) 小于 0. 16 mm 的铁尾矿粉不会增加水化热且无活 性, 可作为填充料改善碾压混凝土的和易性和碾压混凝土的 粘聚性和可碾性。 ( 2) 当天然砂B 铁尾矿粉= 7B 3 时, 混合砂的的细度模 数及小于 0. 16 mm 细粉颗粒可满足碾压混凝土用砂要求。
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