石场尾矿砂用作混凝土细集料的试验研究.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 1 2 年 1 1 月 非 金 属矿 N o n M e t a l l i c M i ne s V01 35 No 6 No v e mbe r ，2 01 2 石场尾矿砂用作混凝土细集料的试验研究 宋旭艳 韩静云 向祚铁 ( 1 苏州科技学院 土木工程学 院，江苏 苏州2 1 5 0 1 1 ；2 浙江省天和建材集 团有限公 司混凝土分公 司，浙江 杭州3 1 1 1 0 0 ) 摘要原状尾矿砂粗颗粒较 多且颗粒级配差， 但以适当比例与细砂混合后可使级配得 以改善， 适合配制混凝土。试验表 明， 尾矿混 合砂作 为混凝土 细集料 使用 ， 会增加 新拌混凝 土的需水量 ， 但通 过掺 加 高效减水剂 ， 在保持 用水量 不变的情况下 ， 使混凝 土拌舍料坍 落度 达到 ( 1 8 o + 2 o ) 删n， 取得与天然中砂混凝 土相 同的施工性 能。用 7： 3尾矿 细砂混合砂配置 C 3 0混凝 土， 2 8 d强度 比天然中砂混凝土提高 8 7 。尾矿混 合砂配制 的混凝土收缩值较天然 中砂 混凝土大。然而随着混合砂的级 配和细度模数的改善 ， 尾矿混合砂对混凝土的收缔 生能影响逐渐减小。 关键词石场尾矿砂细集料级配混凝土强度 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 2 ) 0 6 - 0 0 0 9 - 0 4 S t u d y o n Qu a r r y T a i l i n g S a n d a s Co n c r e t e F i n e Ag g r e g a t e S o n g Xu y a n Ha n J i n g y t m Xi a n g Zu o t i e 、 ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r in g ， S u z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , S u z h o u ， J i a n g s u 2 1 5 0 1 l ； 2 Co n c r e t e B r a n c h ， Z h e j i a n g T i a n h e B u i l d i n g Ma t e r i a l s G r o u p Co ， L t d ， Ha n g z h o u ， Z h e j i a n g 3 1 1 1 0 0 ) Ab s t r a c t I n r a w t a i l i n g s a n d i t c a n b e s e e n mo r e c o a r s e p a r t i c l e s and p o o r p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n ， b u t i t p r o p e r l y r r i i x e d wi t h fi n e s a n d c an ma ke g r a d a t i o n i mp r o v e d an d m a y b e s u i t a b l e f o r p r e pa r a t i o n o f c o n c r e t e T e s t s h o we d t h a t t a i l i ng m i x e d s a nd ， a s c o n c r e t e fin e a g g r e g a t e ， ma y i n c r e a s e wa t e r d e ma n d o f f r e s h c o n c r e t e Bu t t h r o u g h i n t r o d u c i n g s u p e r pl a s t i c i z e r t o ma i n t a i n wa t e r d e ma nd c o n s i s t e n t ，s l u mp o f c o n c r e t e mi x i n g ma t e r i a l s c a n r e a c h( 1 8 0 + 2 0 ) i l n l ， wh i c h ma y o b t a i n t h e s a me wo r k a b i l i t y a s c o n c r e t e wi t h n a t u r a l me d i u m s a n d F o r C 3 0 c o n c r e t e p r e p a r e d wi t h t a i l i n g mi x e d s a nd t h a t t h e ma s s r a t i o o f mi l i n g s an d a n d fi n e s a n d wa s 7： 3，th e s t r e n g t h a t 28 d c an i n c r e a s e b y 8 7 t h an t h a t i n n a t u r a l me d i u m s an d c o n c r e t e Th e s h r i n k a ge o f c o n c r e t e p r e p a r e d wi t h t a i l i n g mi x e d s a nd ma y b e mo r e t h a n t h a t o f n a tu r a l me d i u m s and c o n c r e t e Ho we v e L wi th t h e i mp r o v e me n t o f gra d a t i o n a n d fi n e n e s s mo d u l u s o fm i x e d s an d ， the e ffe c t o ftai l i n g m i x e d s a n d o n c o n ta c t p r o p e rti e s o f c o n c r e t e m a y d e c r e a s e gr a d u a l l y Ke y wo r d s q u a r r y t a i l i n g s a n d fin e a g g r e g a t e g r a d a t i o n c o n c r e t e s t r e n g t h 细集料是配制混凝土的基本组成材料 ， 也是消耗 自然资源较大 的材料 。据中国砂石协会 2 0 0 8年统计 的数据， 全国每年建筑砂石用量为 7 0多亿吨， 其中用 砂量达到 2 5 亿吨左右。河砂、 江砂 的大量采挖造成 天然砂资源日渐匮乏， 短期内不可再生。混凝土细集 料仍以天然砂为主， 天然砂资源的短缺， 价格不断攀 升 ， 导致混凝土成本增加 ， 因此开发新砂源作为天然 砂 的替代材料势在必行。我 国有大量的金属矿和非 金属矿 ， 在采矿 和加工过程中排放 4 0 - 6 0 尾矿 ， 尾矿的随意堆放， 占用土地 ， 造成环境污染。据报道， 我国每年处理尾矿的费用高达 1 0 - 1 5 亿元 【” 。如果 利用尾矿适当加工制成人工砂， 代替天然砂用作混凝 土细集料， 不仅减少了开采天然砂对生态环境造成的 破坏， 降低了尾矿本身对环境的影响， 而且解决了混 收稿 日期 ：2 01 2 - 0 9 1 7 基 金项 目：2 0 1 1 年 江苏省 高校 自然科 学研 究 面上资助项 目f 1 1 KJ D 5 6 0 0 0 2 ) ； 2 0 1 0 年苏州市建设 系统科研项目 ( Z 1 5 7 4 ) ；苏州科技学院青 年骨干教师培养对象 项 目资助。 9一 凝土砂源紧缺的问题， 又为尾矿综合利用找到出路， 充分利用了 自然资源 ， 符合 国家可持续发展的基本战 略。 然而尾矿人工砂由于颗粒级配、 粒形、 石粉含量 等方面不同于天然砂， 不宜直接配制混凝土。由于在 混凝土中使用经验少， 多数混凝土生产单位还不能接 受尾矿人工砂。本实验通过采用安徽阜阳矿场开采 石料时废弃的尾矿 ， 适当加工作为细集料用于配制混 凝土。根据尾矿人工砂 的特点 ， 在颗粒级配调整、 对 混凝土拌合物施工性能的影响、 混凝土强度发展规律 以及石粉存在对混凝土收缩性能的影响等几个方面 进行试验研究， 为开发尾矿人工砂作为一种混凝土砂 资源提供应用参考。 1 实验部分 1 1 原料实验研究的尾矿砂取 自安徽阜阳矿场开 采石料时废弃的尾矿， 经筛分分析其颗粒分布见表 1 。 通过测定 ， 尾矿砂 的细度模数 3 4 ， 属于粗砂 ， 石粉含 量4 8 ， 石粉的含泥量经亚甲蓝吸附值快速测试法 第3 5 卷第6 期 非金 属矿 2 0 1 2 年1 1 月 检验合格 。 表1 尾矿砂的颗粒分布 天然细砂 ： 江西赣江产河砂 ， 细度模数 1 _ 3 ， 用于 调整尾矿人工砂的颗粒级配。 天然中砂： 江西赣江产河砂 ， 级配处于砂的级配 标准区范围内， 级配良好， 细度模数 2 5 ， 属中砂， 实 验中用于配制对比用基准混凝土。 石子： 混凝土所用粗集料为永业矿产的 5 3 2 5 n l r n 连续粒级石子， 级配良好。 水泥为苏州华新金猫水泥厂 生产的 P O 4 2 5普 通硅酸盐水泥， 基本性能指标见表 2 。 表2 水泥基本性能指标 标准稠度N mi n 抗折强度 l P a 抗压强度 I P 需水量 初凝终凝 3 d 2 8d 3 d 2 8 d 安 定 性 2 6 4 1 9 0 2 4 0 4 8 8 1 2 54 5 2 1 合 格 试验采用的减水剂为苏州永盛化工生产的Y S 一 2 B萘系减水剂， 外观为褐色液体， 主要成分是甲醛 萘磺酸钠缩合物及保塑剂 ， 其密度为 1 1 6 5 n L， p H 值为 7 2 5 ， 减水率为 2 0 ， 泌水率为 7 0 ， 含气量为 1 5 。 1 2 尾矿砂颗粒级配调整为了使尾矿砂的颗粒级 配符合 建筑用砂 G B T 1 4 6 8 4 2 0 0 1 标准规定 的砂 级配要求， 采用尾矿砂与适量细砂混合使用的方法 ， 即将尾矿砂与细砂按 4： 6 、 5： 5 、 6： 4 、 7： 3 、 8： 2的 质量比掺配使用， 以期达到改善尾矿砂颗粒级配的目 的。 l _ 3 混凝 土拌合物施 工性能试验本实验混凝 土 设计强度 C 3 0 ， 按新拌混凝土的要求， 施工坍落度 为 ( 1 8 0 + 2 0 ) l n n l 。以天然中砂设计的C 3 0 基准混凝 土 配合 比为 m 。 ： ： m =1： 2 , 5 3： 3 5 3 ， 水灰 比 C = 0 5 8 ， 砂率 4 1 7 5 。将尾矿砂和细砂按 1 2 节中所 述 比例混合， 分别取代天然中砂配制混凝土， 试拌时 每一配合比拌制为 1 0 L ， 水泥用量为 3 1 4 ， 砂子 ( 细 集料) 总用量为 7 9 5 ， 石子用量为 1 1 0 9 ， 混凝土 配合比见表 4 。通过调整 Y S 一 2 B减水剂用量， 保证坍 落度基本保持在 ( 1 8 0 + 2 0 ) w in ， 同时观察新拌混凝土 的粘聚性和保水性， 将其与天然砂配制的新拌混凝土 性能作对比， 分析尾矿砂掺量对混凝土施工性能的影 响。 1 _ 4 混凝土强度本实验共成型 6 组混凝土试件， 其 中 1 组为天然中砂配制的基准混凝土试件， 另 5 组分 别将按尾矿人工砂与细砂按 4： 6 、 5： 5 、 6： 4 、 7： 3 、 8： 2 质量比混合取代中砂混凝土试件， 各组混凝土 配合 比见表 4 。试件 尺寸 1 0 0 mm 1 0 0m m 1 0 0 l l l m， 成型 1 d后脱模， 置 2 0水中养护， 龄期达 7 d 、 2 8 d和 6 0 d后测试混凝土抗压强度 ， 并与基准混凝土抗压强 度进行对 比。 ， 1 5 混凝土收缩性能收缩实验共成型 4 组混凝土 试件 ， 其中 1 组为基准混凝土试件 ， 另 3 组分别按尾矿 人工砂与细砂 4： 6 、 6： 4 、 8： 2质量比混合取代 中砂 的混凝土试件。试件尺寸 1 0 0 I n lT l x 1 0 0 n ff n x 5 1 5 n l m， 带模养护 1 d ， 视混凝土实际强度而定。试件拆模后立 即固定好不锈钢测头， 送至温度为 ( 2 0 士 3 ) ， 湿度大于 9 0 的标准养护室养护。试件在 3 d 龄期时从标准养 护室取出， 移入恒温恒湿试验室 ， 测定各组试件初始长 度， 然后按 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d 等时间间隔 测定各组试件的长度变形值。 2 结果与讨论 2 1 尾矿 混合砂 的颗粒级配 目前使 用的人工砂 有 2 类， 一类是经除土处理的专门加工的机制砂。这 类砂是 由岩石经机械破碎、 筛分制 成 的， 粒径小于 4 7 5 l n l n ， 可以做到粒形好 ， 能准确控制其级配及石粉 含量。这类机制砂也可以和天然河砂按级配混合制 成混合砂使用口 。另一类人工砂是采石场尾矿经加 工筛取的粒径小于 4 7 5 I l lT I 的颗粒， 即本实验述及的 石场尾矿人工砂 ， 简称为尾矿砂。这类尾矿砂 由于 母岩石质存在差异， 加工方式不同， 它的颗粒级配、 粒 形、 石粉含量及石粉质量差别很大， 尤其是颗粒级配， 如果不作调整， 原状尾矿砂不能直接用作混凝土细集 料。 由表 1 可知， 尾矿砂 的颗粒分布具有两头大 中 间小 的特点 ， 其 中粒径在 2 3 6 r n n l 以上的粗颗粒 占 4 S ， 由于这部分粗颗粒含量大， 砂的细度模数3 4 ； 另外是粒径小于等于 0 0 7 5 l n i i 1 的石粉含量较大。其 它文献也有类似报导， 可见这是原状尾矿砂的普遍特 点 。 原状尾矿砂与细砂按不同质量比混合后， 根据实 验结果计算得到的累积筛余百分率 ， 见表 3 。 一 1 0 调整前尾矿砂级配 调整后级配 ( 尾矿砂 ： 细砂为7：3 ) 1I 区 n1 5 O3 O蓐 1 1 1 1 2 4 T l 筛孔尺寸 m 图1 尾矿 砂调整前后 的级 配 宋旭艳，韩静云，向祚铁 石场尾矿砂用作混凝土细集料的试验研究 由表 3可见， 原状尾矿砂经与天然细砂混配后， 其颗粒级配得到了明显 的改善， 粒径分布两头大中间 小 的状态也有所缓解。当原状尾矿砂与细砂质量比 为 7： 3时， 尾矿混合砂 的级配符合 建筑 用砂 G B T 1 4 6 8 4 2 0 0 1 标准规定级配要求， 所得级配 曲线见图 l 。此时细度模数为 2 7 ， 属于 区中砂， 适合用于 配 制混凝土。 2 2 尾矿混合砂混凝土和 易性和力学强度试验结 果表明， 用尾矿混合砂配制混凝土时， 试验中保持用 水量不变 ， 通过调整 YS 一 2 B萘系减水剂 用量， 可 以使 混凝土拌合料坍落度达到 ( 1 8 0 + 2 0 ) m m。此时， 观察 各组混凝土拌合料的保水性、 粘聚性及流动性， 发现 它们与原状尾矿砂的掺量有一定关系。天然中砂混 凝土试件和尾矿混合砂混凝土试件， 7 d 、 2 8 d 和 6 0 d 龄期的抗压强度试验结果见表 4 。 从混合砂中原状尾矿砂掺量不同的各组拌合料 的性状可以发现 ， 混合砂的细度模数偏大会影响混凝 土拌合物和易性， 造成粘聚性下降， 静止后会呈现浆 跟集料分层现象。随着细度模数的减小 ， 砂 的比表面 积增加， 要保持流动性不变， 尾矿混合砂配制的混凝 土的需水量逐渐增大。即使 8： 2的尾矿混合砂 ， 其 需水量也远比中砂混凝土要大。试验结果表明， 通过 调整掺加减水剂掺量， 可以有效解决尾矿混合砂混凝 土需水量增大 的问题。在 5种不同尾矿混合砂 中， 随着原 状尾矿砂所 占比例加大 ， 减水剂用量逐渐减 少。究其原 因， 是因为原状尾矿砂带入的大颗粒逐渐 增加， 混合砂 的平均粒径变大 ， 比表面积减小 ， 砂颗粒 表面包裹的水泥浆增加， 颗粒之 间的润滑作用大幅提 高， 因此新拌混凝土的流动性得到明显改善。加之原 状尾矿砂 中所带的石粉增加 ， 一定程度上也改善了混 凝土拌合料的和易性。显而易见， 减水剂的掺加是使 尾矿砂混凝土满足施工和易性能的关键。 表4 新拌混凝土工作性及抗压强度 试 件 编 号 ( 尾 矿 砂 ) ( to O )实 际 水 量 外 力 口 剂 落 度 保 水 性 粘 聚 性 2 ，m m 抗 压 强 度 a 备 注 4 ：6 5 ：5 6 ： 4 7 ：3 8 ： 2 从表 4 试验结果可见， 所有混凝土试件 2 8 d强度 都达到了设计强度 C 3 0 。在所有试件中， 4： 6 尾矿混 合砂混凝土的7 d 和2 8 d 抗压强度低于中砂基准混凝 土的强度。它与前文所反映的拌合料和易性试验结 果较差是相对应的。其原因是这组混合砂 中细颗粒 较多， 比表面积大 ， 颗粒级配较差。其余各组试件所 有龄期强度均超过中砂配制的基准混凝土强度。当 混合砂中原状尾矿砂占7 0 时， 强度水平最高， 这表 明高掺量的原状尾矿砂与细砂混合完全可以替代天 然中砂配制商品混凝土。 砂 中 然 天 6 2 7 5 7 4 & & 3 3 3 3 3 3 3 9 5 3 1 6 L 3 3 3 3 3 3 l 9 l 8 2 3 L 2 2 2 2 2 2 好 良 好 良 O 2 l O 8 6 l 2 2 2 1 1 ， O O O O 0 第3 5 卷第6 期 非金 属矿 2 0 1 2 年1 1 月 原状尾矿砂粒形以颗粒尖锐有棱角居多， 粗颗粒 含量多， 石粉含量高， 颗粒级配差， 砂的细度模数也偏 大。经与细砂混合后， 颗粒级配有所改善， 然而与天 然中砂相比， 尾矿混合砂仍不及天然中砂。但试验结 果表明， 尾矿混合砂混凝土强度反而比天然中砂混凝 土高， 原 因在于适量增加减水剂用量， 使流动性达到 商品混凝土的泵送要求 ( 1 8 0 + 2 0 ) mi l l ， 实际用水量并 没有增加， 水灰 比 W C保持不变 ； 另一方面 ， 尾矿混 合砂中的石粉在拌和期间起到了浆体的作用， 使得新 拌混凝土的浆体量增加， 保水性改善， 泌水率减小， 减 少了自由水在界面上聚集， 有利于浆 一 集料界面的改 善 ； 再者， 尾矿人工砂粒型较粗， 表面粗糙， 外形富 有棱角， 质地坚硬 ， 砂与水泥石有更强的粘结力， 颗粒 级配差的问题通过与细砂复合得到改善， 当人工砂占 混合砂 7 0 时， 级配基本符合混凝土用砂 区的要 求。所以尾矿混合砂混凝土在相同水泥用量、 水灰比 不变、 相 同坍落度的条件下， 比天然 中砂混凝土强度 高。 2 _ 3 尾矿混合砂混凝土收缩I 生 能基准混凝土试件 和 3 组分别按原状尾矿砂与细砂 4： 6 、 6： 4 、 7： 3 质 量比的混合砂取代中砂的混凝土试件， 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d的收缩试验结果， 见图 2 。 0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 4 2 7 3 0 3 3 3 6 3 9 4 2 4 5 4 8 5 1 5 4 5 7 6 0 龄 期 d 图2 收缩试验结果 从图 2 可看 出， 3 组尾矿混合砂混凝土试件， 随着 硬化龄期的增长 ， 其收缩发展规律与基准混凝土试件 相似， 呈逐渐增大的态势 ， 但 3 组尾矿混合砂混凝土各 龄期的收缩值均比基准混凝土高。尾矿混合砂混凝土 比天然中砂混凝土 1 d龄期收缩值大 3 0 - 5 0 ， 2 8 d 收缩值大 1 4 3 0 ， 6 0 d收缩值大 1 0 2 5 。硬化 龄期越长， 收缩值相差越小。其中m( 原状尾矿砂)： m( 细砂)= 4： 6的混凝土试件， 各龄期的收缩值增长 尤为突出。原因是由于这组试件的尾矿混合砂的级配 较差， 细度模数小， 细颗粒较多， 因此混凝土的收缩值 也最大。 如前所述， 尾矿混合砂与天然中砂的很大区别是 前者含有石粉。石粉对混凝土的影响不同于砂中含 1 2 泥量影响， 在某种意义 上， 少量石粉对混凝土的和易 性甚至强度产生有利的影响。但石粉对混凝土收缩 性能却有负面影响。有文献报道 5 人工砂混凝土的 收缩率随石粉含量的增加而增大， 且高石粉含量人工 砂混凝土早期干缩发展较快。本尾矿混合砂的收缩 实验结果也证实了这一情况， 即尾矿混合砂混凝土其 收缩值一般比天然中砂混凝土要大。但随着尾矿混 合砂中原状尾矿砂与细砂比例增加， 粗颗粒增多， 砂 的级配得到改善 ， 因此尾矿混合砂混凝土各龄期的收 缩值下降， 混凝土收缩性能改善。由图 2 可见， m( 尾 矿混合砂)： m( 细砂) = 7： 3时的混凝 土， 收缩 曲线 接近天然中砂混凝土， 说明调整尾矿混合砂的颗粒级 配， 可以改善混凝土的收缩 I生能。 3 结论 1 原状尾矿砂粗颗粒多且颗粒级配较差， 通过与 细砂以7： 3 比例混合后， 尾矿混合砂的级配符合 建 筑用砂 G B T 1 4 6 8 4 - 2 0 0 1 规定要求， 细度模数为 2 7 ， 属于 区中砂 ， 适合配制混凝土。 2 尾矿混合砂作为混凝土细集料使用， 会增加新 拌混凝土的需水量。但通过掺加高效减水剂或高性 能减水剂， 能在保持需水量不变的情况下， 使混凝土 拌合料坍落度达到 ( 1 8 0 + 2 0 ) m m， 可以取得与天然中 砂混凝土相同的施工性能。 3 尾矿混合砂取代天然中砂配制 C 3 0 混凝土， 可 以提高混凝土强度。其中 m( 原状尾矿砂)： m( 细砂) 为 7： 3时, 2 8 d强度可提高 8 7 。因此， 尾矿混合砂 混凝土的物理力学性能完全能满足要求。 4 尾矿混合砂配制的混凝土收缩值较天然中砂 混凝土大。然而随着混合砂 的级配和细度模数的改 善， 尾矿混合砂对混凝土的收缩性能影响呈逐渐减小 趋势。 参考文献： 1 陈家珑 尾矿利用与建筑用砂 J 金属矿 山， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 7 1 7 5 2 中华人民共和 国国家质量监督检验检疫总局 G B T 1 4 6 8 4 2 0 0 1建 筑用砂 s 】 北京： 中国标准 出版社 ， 2 0 0 1 3 】 祁建 华， 张裕 民， 柳 刚， 等 人工砂的应用研 究 J 建筑技 术， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 ) ： 5 5 5 7 4 边慧霞， 刘春杰， 李志成 人工砂混凝土和人工砂粉煤灰混凝土 配制强度 关系式研究 明 华北水利水电学院学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 8- 2 0 5 1 5 5李兴贵 高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究 J 建筑材料学 报， 2 0 0 4 ， 7 ( 1 ) ： 6 6 7 1 风 | 栅 枷姗湖 垂 毫 猢 啪 0 0l 好 堪