铁尾矿粉-硅粉矿物掺合料对混凝土性能的影响_吴丽萍.pdf
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1、铁尾矿粉-硅粉矿物掺合料对混凝土性能的影响吴丽萍 1,王军 2(1.山西工程职业学院,山西太原030009;2.太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024)摘要:将研磨后的铁尾矿粉末和硅粉分别按照 32 和 41 的比例制备了两种复合矿物掺合料替代水泥进行浆体和混凝土试样的制备。通过微观结构分析、强度和耐久性分析对铁尾矿-硅粉复合矿物掺合料浆体和混凝土的基本性能进行了研究,结果表明:随着复合矿物掺合料掺量的增加,试样的水化反应放热量、抗压强度、劈裂抗拉强度和冻融耐久性均逐渐降低;且加入铁尾矿粉可使的硬化浆体试块孔隙结构变大,导致混凝土的抗压强度和冻融耐久性降低;但增加硅粉的掺量可以提高试样
2、的水化反应强度,降低 Ca(OH)2的含量,且硅粉水化反应生产的 C-S-H 凝胶也可以细化孔结构,从而改善混凝土的微观特性、抗压强度、劈裂抗拉强度和冻融耐久性;弥补铁尾矿粉对混凝土性能的负面影响。整体上,改性混凝土的抗压强度在普通混凝土抗压强的 85%以上,能满足工程要求。关键词:铁尾矿粉;硅粉;混凝土;水化特征;微观结构;强度;冻融耐久性doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2023.02.028中图分类号:TD981 文献标志码:A 文章编号:1000-6532(2023)02018407 钢铁生产产生了大量的废弃物,例如,铁尾矿渣、高炉铁渣和煤渣等,如何合理处理这些
3、废弃物一直是一个挑战。目前对高炉铁渣和煤渣进行处理的方法是进行填埋,但对铁尾矿渣仍然是堆放处理,不仅占用大量的土地,尾矿库的稳定性和对环境污染的问题也非常棘手。许多专家学者对如何进行铁尾矿渣的利用开展了研究,根据目前的研究,铁尾矿渣利用的主要包括作为路基填料1、进行二次冶炼或加工2-4和作为混凝土的原材料5-6等。相比于作为路基填料和进行二次冶炼或加工,作为混凝土的原材料不仅实现铁尾矿渣的资源化利用,也可以减少水泥和天然骨料的消耗,达到保护环境的目的。作为混凝土的原材料根据铁尾矿渣的添加方式又可分为作为矿物掺料替代水泥7-8和作为骨料替代天然骨料9-10两类,结果表明一定量铁尾矿粉替代水泥制备
4、的混凝土的工作性能、力学特性和耐久性可以满足工程要求。利用铁尾矿渣作为骨料时会对混凝土的工作性能产生不利影响,凝结时间也逐渐增加;但对混凝土的抗压强度和抗拉强度没有明显的负面影响。由上可知,铁尾矿渣作为混凝土的原材料具有一定的适用性;但上述研究都未对铁尾矿渣对混凝土水化和孔隙结构等的影响进行深入的研究。因此,本文利用铁尾矿粉和硅粉按照 32 和41 的比例制备了两种复合矿物掺合料替代水泥制备了浆体和混凝土试样,通过物理力学测试,对铁尾矿粉对试样的水化特征、微观结构特征、强度特性和冻融耐久性的影响从微观到宏观进了深入的研究。1材料与实验方法 1.1材料特征所用水泥为强度等级为 42.5 普通硅酸
5、盐水泥,其比表面积为 350 m2/kg;铁矿粉是对铁尾矿石进行粉碎和研磨获得的,该铁尾矿石取自代县峨口镇的峨口铁矿。水泥、铁尾矿粉和硅粉的化 收稿日期:2021-12-08基金项目:山西工程职业学院 2020 年度教学科研课题(JY2020-12)作者简介:吴丽萍(1977-),女,硕士,讲师,主要研究方向为建筑材料,矿产综合利用等。矿产综合利用 184 Multipurpose Utilization of Mineral Resources2023 年矿物材料学成分见表 1。表 1 水泥、铁尾矿粉和硅粉的化学成分/%Table 1 Chemical composition of ceme
6、nt,iron tailingspowder and silica fume材料SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgOSO3Na2O 烧失量水泥21.554.593.2762.5 2.61 2.93 0.532.02铁尾矿粉 62.468.6811.98 9.84 3.78 0.45 1.691.12硅粉92.911.351.451.22 0.48 0.19 0.851.55 水泥、铁尾矿粉和硅粉的粒径分布见图 1。粗骨料和细骨料分别粒径为 525 mm 的碎石灰石和粒径GP1-30GP2-15GP1-15;这表明硅粉掺量越高小孔隙的比 0.350.300.250.200.150.100.
7、050110100100010000孔径/nm微孔孔容/(mLg1)CPGP1-15GP1-30GP2-15GP2-30CPGP1-15GP1-30GP2-15GP2-30(a)不同浆体的微孔孔容110100100010000孔径/nm0.300.250.200.150.100.050累计孔容/(mLg1)(b)不同浆体的累计孔容图 4 浆体的孔隙特征Fig.4 Pore characteristics of paste 186 矿产综合利用2023 年例也相对较高,这可能是由于硅粉比铁尾矿粉具有更高的反应活性,生产的 C-S-H 凝胶可以细化孔结构,降低大孔隙的比例;由此可知,G1-30和
8、G2-30 较有可能孔隙比较大则应该是铁尾矿粉粒径较大、活性较低。由图 4b 可知,复合矿物掺合料试样的掺量=30%时,试样的总累积孔隙体积大于对照组,但复合矿物掺合料试样的掺量=15%时,试样的总累计孔隙体积小于对照组,且硅粉掺量增加会降低浆体材料的总累积孔隙体积。CP、GP1-30 和 GP2-30 试样的微观结构见图 5。由图 5a 可以知,对照组试样内部具有大量水合物和水化反应形成的结构也使得试样更为致密。与对照组相比,在 GP1-30 中能够观察到一定量的水合产物,但结构相对松散(见图 5b),表明添加30%的复合矿物掺合料会对结构的致密性产生不利影响。对比图 5b 和图 5c 可以
9、发现,GP2-30 试样结构较 GP1-30 试样更为致密,且水合产物也比较多(图 5c),但仍然可以观察到未反应的圆形硅粉颗粒,这表明增加硅粉可以改善铁尾矿粉带来的不利影响,提高试样的致密性;这与图 4 的结构相同。2.2混凝土的基本特性 2.2.1强度特性不同混凝土试样的抗压强度如图 6 所示。与对照组试样 C 对比可以发现,掺入铁尾矿粉的混凝土试样的抗压强度均有不同程度的下降,且相比之下 G1-30 试样的抗压强度较低(为 47.2 MPa),较对照组试样(53.1 MPa)下降了 11.2%。在复合矿物掺合料掺量相同的时,G2 试样的抗压强度均大于 G1 试样的抗压强度,其中 G2-1
10、5 试样的抗压强度较高,为 52.07 MPa;G1-15 试样的抗压强度次之,为 50.8 MPa。一般情况下,孔径大于 100 nm的孔隙含量增加可能会导致试样的抗压强度下降;而小于 10 nm 的孔含量的增加不会对试样抗压强度产生明显的负面影响。由图 4 可看出,铁尾矿粉掺量的增加会使得试样中大于 100 nm 的孔隙增加,导致试样的抗压强度出现了不同程度的下降;而加入硅粉则能够降低大孔隙的比例,削弱铁尾矿粉的不利影响。5550454035抗压强度/MPaCG1-15G1-30G2-15G2-30图 6 混凝土的抗压强度Fig.6 Compressive strength of conc
11、rete 虽然利用复合矿物掺合料替代水泥会使得混凝土试样的抗压强度下降;但复合矿物掺合料混凝土的抗压强度均在普通混凝土抗压强的 85%以上,这表明利用复合矿物掺合料混凝土具有工程实用性。不同混凝土试样的劈裂抗拉强度见图 7。与抗压强度的结果稍有不同,G2-15 试样的劈裂抗拉强度较高,为 6.43 MPa;G2-30 试样的劈裂抗拉强度次之,为 6.3 MPa;均大于对照组混凝土的劈裂 10 m10 m30 m(a)CP(b)GP1-30(c)GP2-30图 5 浆体试样的微观结构特征Fig.5 Microstructure characteristics of paste 第 2 期2023
12、 年 4 月吴丽萍等:铁尾矿粉-硅粉矿物掺合料对混凝土性能的影响 187 抗拉强度(6.13 MPa)。但,G1-15 和 G1-30 试样的劈裂抗拉强度分别为 5.98 MPa 和 5.85 MPa,均小于对照组混凝土的劈裂抗拉强度。这可能是由于硅粉比例的提高消耗了 Ca(OH)2,一定程度改善了混凝土界面过渡区特性。CG1-15G1-30G2-15G2-30劈裂抗拉强度/MPa7654图 7 混凝土的劈裂抗拉强度Fig.7 Splitting tensile strength of concrete 2.2.2混凝土的冻融耐久性经历冻融循环后,混凝土试样的完整性不仅会下降,试样的质量由此出
13、现损失;混凝土试样的抗压强度也会出现不同程度的降低。未经历冻融循环时,试样表面平整,棱角也很完整;经历过 100 次冻融循环之后,试样表面的浆体受侵蚀,发生剥落,使得试样的棱角消失,试样的表面也出现了明显的侵蚀坑洼,露出粗骨料。经历 50、100、150 和 200 次冻融循环后,五种混凝土试样的质量损失率见图 8。从图 8 可知,随着冻融循环次数的增加所有试样的质量损失率均逐渐增加,且在 150200 次冻融循环时的质量损失增长率明显大于 0150 次冻融循环时的质量损失增长率。这一现象说明冻融循环具有累计效应,冻融循环次数越多,损伤效应也就越强。在冻融循环次数相同的条件下,对照组混凝土试样
14、的质量损失较低,而 G1-30 试样的质量损失率较高,这表明铁尾矿粉掺量较高会对混凝土试样的冻融耐久性产生不利影响。同时,在复合矿物掺合料掺量相同时,G2 试样的质量损失率也低于G1 试样的质量损失率,这也说明铁尾矿粉掺量较高时,混凝土试样的冻融耐久性较差。冻融循环后,混凝土试样的抗压强度损失率见图 9。和质量损失率的变化规律相同,随着冻融循环次数的增加,混凝土试样的抗压强度损失率也单调上升,且在冻融循环次数相同的条件下,对照组试样的抗压强度损失率较低,G1-30 试样的抗压强度损失率较高;在复合矿物掺合料掺量相同时,G2 试样的抗压强度损失率低于 G1 试样的抗压强度损失率。这也再次说明,复
15、合矿物掺合料替代水泥会降低混凝土的冻融耐久性,且铁尾矿粉掺量越高,混凝土试样的冻融耐久性越差。同时,上述现象也说明增加硅粉的掺量可以一定程度地弥补铁尾矿粉的负面作用。40302010050100150200 冻融循环次数抗压强度损失率/%CG1-15G1-30G2-15G2-30图 9 冻融循环后的强度损失率Fig.9 Strength loss rate after freeze-thaw cycles 3结论(1)随着复合矿物掺合料掺量的增加,试样的放热峰、累计放热量、抗压强度和劈裂抗拉强度均逐渐降低;但硅粉掺量高的试样的放热峰值、累计放热量和强度均较大;表明硅粉可以弥补铁尾矿粉的负面影响
16、。(2)Ca(OH)2和 AFt 是所有试样的主要矿物成分;增加硅粉的掺量可以降低 Ca(OH)2的含量,改善试样内界面特性从而提高试样的劈裂抗拉强度。(3)加入铁尾矿粉会使的硬化浆体试块孔隙结构变大,增大孔径大于 100 nm 孔隙的比例,使得混凝土试样的抗压强度降低,但硅粉水化反应产生的 C-S-H 凝胶可以细化孔结构,改善混凝土孔隙特性。(4)冻融循环具有累计效应,冻融循环次数 CG1-15G1-30G2-15G2-30129630050100150200 冻融循环次数质量损失率/%图 8 冻融循环后的质量损失率Fig.8 Mass loss rate after freeze-thaw
17、 cycles 188 矿产综合利用2023 年越多,质量损失率和抗压强度损失率越大;铁尾矿粉掺量越高,混凝土的抗冻融耐久性越差,但增加硅粉的掺量对混凝土的冻融耐久性有利。参考文献:1 李军卫,刘长明,单雪峰.水泥改良铁尾矿砂路基填料的力学特性J.矿产综合利用,2021(3):193-199.LI J W,LIU C M,SHAN X F.Research on mechanicalproperties of cement-improved iron tailings sand roadbedfillerJ.Multipurpose Utilization of Mineral Resourc
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