铁尾矿粉在承德双峰寺碾压混凝土坝中的应用.pdf

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 compacted 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 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, axial 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 words: 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 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 tailings 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 R118863015813350. 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% ) , 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( 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= 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。 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. 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 R054. 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( % ) 5010015020050100150200 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。 ( 3) 当铁尾矿粉的替代比例不大于 30% 时, 可以提高碾 压混凝土的工作性能、 早期抗压强度和后期强度; 当铁尾矿 粉的替代比例超过 30% 时, 碾压混凝土抗压强度、 劈裂抗拉 强度、 轴心抗拉强度、 轴心抗压强度变化均明显降低。 ( 4) 当铁尾矿粉的掺替比例为 30% 时, 对碾压混凝土的 抗冻和抗渗性能均有所改善。综合本文研究结果, 铁尾矿粉 作为一种料填充材料应用到混凝土当中在技术上是可行的。 铁尾矿粉作为一种矿山废弃物, 在不改变碾压混凝土力学性 能和耐久性能的前提下, 最大化的利用具有一定的经济价值 和环保效益, 并符合绿色环保可持续发展战略要求, 具有很 大的应用潜力。 参考文献(References) : 1 朱申红. 矿业固体废物) 尾矿的资源化 J . 环境与开发, 1999, 14( 1) : 24 228. ( ZHU Shen2hong. M ining solid waste, tail2 ings comprehensive utilization J . Environment and Develop2 ment, 1999, 14( 1) : 24 228. ( in Chinese) ) 2 颜学军. 矿山尾矿资源的综合利用和环境保护 J . 稀有金属与 硬质合金, 2005, 33( 3) : 23 225.( YAN Xue2jun. Mine tailings re2 sources comprehensive utilization and environmental protection J . Rare M etals and Cemented Carbide, 2005, 33( 3) : 23 225. ( in Chinese) ) 3 闫满志; 白丽梅; 张云鹏; 等. 我国铁尾矿综合利用现状问题及 对策 J . 矿业快报, 2008( 7) : 9213. ( YAN M an2zhi , BAI Li 2 mei, ZHANG Yun2peng, et al. The problem of iron tailings comprehensive utilization present situation and countermeasure J . Mining Letters, 2008( 7) : 9 213. ( in Chinese) ) 4 韩冬芸. 铁尾矿整体综合利用技术 J . 矿业快报, 2007, 23( 5) : 11213. ( HAN Dong2yun. Iron tailings comprehensive utilization of the overall technology J . Journal of Mining Letters, 2007, 23( 5) : 11213. ( in Chinese) ) 5 肖力光, 伊晋宏, 崔正旭. 国内外铁尾矿的综合利用现状 J . 吉 林建筑工程学院学报, 2010, 27( 4) : 22 226. ( XIAO Li 2guang, YI Jin 2hong, CUI Zheng2xu. Iron tailings comprehensive utilization present situation at home and abroad J . Journal of Jilin Archi2 tectural Engineering College, 2010, 27( 4) : 22 226. ( in Chinese) ) 6 范海宝, 魏开宝, 谢鹏. 铁矿尾矿资源利用现状及发展趋势 A . 第二十届/ 冀鲁川辽晋粤0 七省矿业学术交流会论文集 C . 2013. ( FAN Hai 2bao; WEI Kai2bao; XIE Peng; Iron tail2 ings resource utilization present situation and development trend A . T he twentieth JiLuChuan LiaoJinYue seven prov2 inces mining academic symposia proceedings C . 2013. ( in Chi2 nese) ) #151# 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 7 何兆芳. 尾矿在预拌混凝土中应用的试验研究 J . 商品混凝 土, 2009( 6) . ( HE Zhao2fang. T ailings in the applications of ready2mix ed concrete experimental study J . Journal of Com2 modity Concrete, 2009( 6) . ( in Chinese) ) 8 郑永超, 倪文, 张旭芳, 等. 用细粒铁尾矿制备细骨料混凝土的 试验研究 J . 金属矿山, 2009( 12) . ( ZHENG Yong2chao, NI Wen, ZHANG Xu 2fang, et al. Preparation of fine aggregate con2 crete with fine g rained tailings test study J . Metal Mine, 2009 ( 12) . ( in Chinese) ) 9 徐宝华, 宋姗. 尾矿砂复配在混凝土生产中的研究及应用 J . 商品混凝土. 2010( 1). ( XU Bao2hua, SONG Shan. Tail ore distri2 bution of research and application in the production of concrete J . Journal of Commodity Concrete,2010(1) . (in Chinese) 10 GB 17671- 1999, 水泥胶砂强度检验方法( ISO 法) S . ( GB 17671- 1999, Method of testing cements2 2Determination of strength( ISO) S . ( in Chinese) ) 11 SL352 22006, 水工混凝土试验规程 S ( SL35222006, Test code for hydraulic concrete S . ( in Chinese) ) 12 蔡基伟, 张勇, 封孝信, 等. 铁尾矿粉对混凝土工作性与强度的 影响 J .商品混凝土, 2009( 8) : 32 235. ( CAI Ji 2wei, ZHANG yong, FENG Xiao2xin, et al. Iron ore tails influence on the workability and strength of concrete J . Commercial Con2 crete, 2009( 8) : 32 235. ( in Chinese) ) 13 黄智德, 彭志辉, 彭家惠, 等. NEL 法测定海工混凝土氯离子 扩散系数的应用研究 A . 第七届全国混凝土耐久性学术交 流会论 文集 C . 2008. ( HU ANG Zhi 2de; PENG Zhi2hui. PENG Jia2hui, et al. NEL method determination of Marine en2 gineering concrete chloride ion diffusion coefficient of applied research A . T he 7th national conference on concrete durabil2 ity C . 2008. ( in Chinese) ) 14 易成, 郭婷婷, 程涛, 等. NEL 法与 ASTM C1202 法氯离子渗 透性对比试验研究 J . 混凝土, 2007( 3) : 4 26. ( YI Cheng ; GUO Ting2ting; CHENG tao, et al. NEL method and ASTM C1202 method the chloride ion permeability contrast test re2 search J . Concrete, 2007( 3) : 4 26. ( in Chinese) ) 15 栾宏图. 影响混凝土抗渗性能的因素 J . 民营科技, 2008 ( 12) : 194. ( LU AN Hong2tu. T he influence factors of permea2 bility of concrete J . Private Science and T echnology, 2008 ( 12) : 194. ( in Chinese) ) 16 马德宝, 王玉龙. 混凝土抗冻耐久性能的研究进展 J . 科技资 讯, 2008( 12) . ( MA De2bao; WANG Yu2long. The research progress of concrete frost resistance durability performance J . Journal of Information Science and Technology, 2008 ( 12) . in Chinese) ) ( 上接第 147 页) 7 Lacy S J, Prevo st J H. A procedure for locating the free surfac J .International Journal for Numerical and Analytical Meth2 ods in Geomechanics, 1987, 11( 6) : 585 2601. 8 速宝玉, 朱岳明. 不变网格确定渗流自由面的结点虚流量法 J . 河海大学学报, 1991, ( 5) : 1132117. ( SU Bao2yu, ZHU Yue2ming. The same grid determination of seepage free surface nodal virtual flux method J . Journal of Hohai U niversity, 1991 ( 5) : 1132117. ( in Chinese) ) 9 陈守开, 刘尚蔚, 郭利霞, 等. 中、 小型土石坝渗流场三维有限元 分析方法及应用 J . 应用基础与工程科学学报, 2012, 20( 4) : 6122621. ( CHEN Shou 2kai, LIU Shang2wei, GUO Li 2xia, et al. 32D Finite element method of seepage field of middle2small earth2rock dam and its application J . Journal of Basic Science and Engineering,2012, 20( 4) : 6122621. ( in Chinese) ) 10 柴军瑞. 混凝土坝渗流场与稳定温度场耦合分析的数学模型 J. 水力发电学报, 2000, 68( 1) : 27 225. ( CHAI Jun 2rui. On mathematical model for coupled seepage and temperature field in concrete dam J . Journal of Hydro Electric Engineering, 2000, 68( 1) : 27 225. (in Chinese) ) 11 李凤志. 渗流自由面分析的比例边界有限元法 J . 计算物理, 2009, 26( 5) : 665 2670. ( LI Fengzhi. Scaled Boundary Finite 2el2 ement Method for Seepag e Free Surfaces Analysis J . Chinese Journal of Computational Physics, 2009, 26( 5) : 6652670. ( in Chinese) ) 12 刘文, 钟小彦, 覃昕慧, 等. 西夏水库防渗方案渗流场的有限体 积法数值模拟研究 J . 水利与建筑工程学报, 2008, 6( 3): 58 2 61. ( LIU Wen, ZHONG Xiao2yan, QIN Xin 2hui, et al. Numeri2 cal simulation for seepage field of Xix ia Reservoir by finite volume method J. Journal of Water Resources and Architec2 tural Engineering, 2008, 6( 3) : 58 261. ( in Chinese) ) 13 曹纪刚, 乐陶. 某山谷型尾矿库三维渗流场模拟分析 J . 金属 矿山, 2013, 441( 3) : 36 238. ( CAO Ji 2gang, YU E Tao. Numeri2 cal simulation on the three 2dimensional flow field of a valley2 type tailings pond J . Metal M ine, 2013, 441( 3) : 36 238. ( in Chinese) ) 14 王建新, 朱岳明, 吴世勇. 深圳抽水蓄能电站地下厂房渗流特 性研究 J . 水电能源科学, 2008, 26( 1) : 71274. ( WANG Jian 2 xin, ZHU Yue2ming, WU Shi 2yong. Analysis of seepag e char2 acteristics of underground powerhouse of Shenzhen Pumped Storage Power Station J . Water Resources and Power, 2008, 26( 1) : 71 274. ( in Chinese) ) 15 崔皓东, 朱岳明. 有自由面渗流分析的改进节点虚流量全域迭 代法 J . 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2009, 33 ( 2) : 2382241. ( CUI Hao2dong, ZHU Yue2ming. Improved pro2 cedure of nodal virtual flux of global iteration to solve seepage free surface J . Journal of Wuhan University of Technology: T ransportation Science & Engineering, 2009, 33( 2) : 238 2241. ( in Chinese) ) #152# 第 13 卷 总第 76 期# 南水北调与水利科技# 2015年 2月