《武汉工程大学学报》  2016年06期 571-576   出版日期：2016-12-15   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
  石灰掺量对铁尾矿蒸压混凝土性能的影响


1　引　言随着各国节能减排相关政策的推行以及人们自身环保意识的增强，我国矿山生产过程中产生的大量工业废弃物的开发利用已成为重要的研究方向，尤其是金属尾矿的开发利用显得更为迫切. 由于金属尾矿的主要成分为石英，因此理论上可作为混凝土掺合料或骨料［1］. 因此，利用金属尾矿制备混凝土不仅可以减少金属尾矿的堆存，还可以降低混凝土生产成本［2-4］，达到真正意义上节能减排的目的. 铁尾矿蒸压混凝土是以铁尾矿、石灰、水泥、石膏以及其他少量外加剂为原料，经粉料的混合、浆料的搅拌浇筑、蒸压养护等工艺过程制成的实心混凝土. 铁尾矿蒸压混凝土是以工业废料铁尾矿为主要原料，以此来代替砂和部分水泥，是节能、节土、废物利用的新型绿色建筑材料. 特别是在民用住宅中，铁尾矿蒸压混凝土在隔墙、隔断等墙体材料方面有着其他建筑材料所不可替代的优势. 铁尾矿蒸压混凝土的抗冻性是衡量其耐久性的重要指标之一，对材料的实用性、可行性等有着重要的指导意义. 本实验通过改变石灰掺量，对不同石灰掺量下的铁尾矿蒸压混凝土进行强度、吸水率的测量以及冻融条件下的质量损失、强度损失的测量，并结合微观分析，研究了石灰掺量对铁尾矿蒸压混凝土力学性能和抗冻性的影响. 2　实验部分 2.1　原材料铁尾矿：选自辽宁本溪，化学组成如表1所示，经含水量测定，其含水率为4.63%；水泥：冀东P?O42.5水泥；石灰：生石灰，市售，氧化钙含量≥75%；石膏：二水石膏，市售；减水剂：聚羧酸减水剂，减水率＞30%. 2.2　研究方法实验参照GB50107—2010混凝土强度检测评定标准进行. 将铁尾矿、石灰、水泥、石膏等粉料分别磨细至适当细度并进行充分混合，按照0.45的水料比加水搅拌并浇筑至100 mm×100 mm×100 mm的模具中，静停后将试样进行蒸压养护，采用RGM-100A试验机测量不同石灰掺量试样的3 d、7 d和28 d抗压强度；通过试样质量的称量，计算其吸水率；通过冻融循环实验，测量并计算其质量损失和抗压强度损失，用以分析石灰掺量对试样力学性能的影响. 并利用Ultima IV多功能X射线衍射仪（XRD）分析试样的水化产物组成，利用NTB-4B扫描电子显微镜（SEM）观察试样的微观形貌，用以分析石灰掺量对试样抗冻性的影响. 3　结果与讨论 3.1　正交试验与极差分析利用9组方案的正交试验开展了不同配比铁尾矿蒸压混凝土的强度实验，实验方案及结果如表2所示. 利用9组实验方案及强度结果作为正交试验样本，并对其进行了极差分析，极差分析结果及最优决策如表3所示. 由表3可知，对3 d、28 d和（3+28） d的强度结果分别进行极差分析，其最优决策大致相同. 在3 d、28 d和（3+28） d强度数据的极差分析中，石灰掺量的相对权值均为最大，分别是2.7、7.3和6.0，说明无论在哪个龄期，石灰掺量对强度的增长都起主要作用；对3d 强度的极差分析中，石膏掺量的相对权值次之，为1.7，说明对于3 d强度，石膏掺量对强度起次要作用；对28 d强度和（3+28） d强度的极差分析中，均为铁尾矿掺量的相对权值次之，分别为6.0和3.4，说明对于28 d强度和（3+28） d强度，石灰和铁尾矿的质量比对强度起主要作用. 因此，通过极差分析得到石灰、水泥、石膏和铁尾矿的最优配比为60∶10∶3∶100. 由于石灰的碱激发作用，使其对蒸压混凝土的强度贡献最大，而对蒸压混凝土的中后期强度增长起主要作用的是石灰与铁尾矿的质量比. 因此，为探究石灰掺量对蒸压混凝土性能的影响规律，通过改变石灰掺量，采用改变单一变量的方法进行实验，实验方案如表4所示. 3.2　石灰掺量对试样物理、力学性能的影响不同铁尾矿蒸压试样的物理、力学性能随石灰掺量变化的结果如图1和图2所示. 由图1可知，石灰掺量对铁尾矿蒸压混凝土的抗压强度有显著影响，在石灰掺量为60%时，试样的抗压强度达到最高且28 d内的抗压强度增长幅度最大. 随着石灰掺量的增加，试样的抗压强度先不断上升，再急剧下降，且在石灰掺量较高的情况下，强度下降较快. 由图2可知，石灰掺量与铁尾矿蒸压混凝土的吸水率也存在着一定的关系. 随着石灰掺量的增加，试样的吸水率也增加，并且增加幅度变大. 3.3　石灰掺量对试样抗冻性的影响对铁尾矿蒸压混凝土分别进行3、6、9、12、15次冻融循环实验，并测量其质量和抗压强度，结果如图3和图4所示. 随着冻融循环次数的增加，不同石灰掺量的铁尾矿蒸压混凝土的抗压强度均呈下降趋势. 随着石灰掺量的增加，试样的质量损失率呈现出先上升后下降的趋势，其抗压强度损失率呈现先急剧上升后缓慢下降的趋势. 冻融循环15次后除石灰掺量60%的试样质量损失率大于5%，且产生了严重的剥落现象之外，其他石灰掺量的铁尾矿蒸压试样的质量损失率都小于5%. 在冻融循环15次后，石灰掺量在40%~70%范围内的试样抗压强度损失率都小于25%. 在以上4个石灰掺量中，石灰掺量为50%的铁尾矿蒸压试样的抗冻性最好，石灰掺量为60%的铁尾矿蒸压试样的抗冻性最差. 3.4　机理分析铁尾矿蒸压混凝土的水化产物的组成和结构的搭接方式决定了其性能. 为了对铁尾矿蒸压混凝土的水化产物种类及其结构进行研究，对不同石灰掺量的试样进行了X射线衍射分析和SEM形貌观察，结果如图5和图6所示. 由图5可知，铁尾矿蒸压混凝土的水化产物以托勃莫来石、水化硅酸钙、硬硅钙石和方解石为主，并含有少量石英相. 通过不同石灰掺量试样的XRD对比可知，石灰掺量对水化产物的种类、结晶状态以及含量都有较大的影响［5］. 随着石灰掺量的增加，石英相的含量和结晶程度都明显下降，而碳酸钙的含量与结晶程度则逐渐上升；水化产物中托勃莫来石的含量与结晶程度明显下降，硬硅钙石的含量与结晶程度略有下降. 结合图6的扫描电镜照片可知，石灰掺量40%的试样中存在着较多未参与水化反应的铁尾矿颗粒，结构搭接松散；石灰掺量50%的试样中存在着大量结晶度较低的C-S-H，并且其中穿插着一些结晶较好的非连生体的托勃莫来石，这使得在以C-S-H形成网络结构的同时，结晶程度较好的托勃莫来石穿插在其中，使结构的搭接更为致密；石灰掺量60%的试样中存在着大量结晶度较低的C-S-H，形成空间网络状结构，并且其中穿插的托勃莫来石晶体明显减少；石灰掺量70%的试样中存在着较多长度小于3 μm的针状晶体. 铁尾矿蒸压混凝土中石灰掺量决定了水化产物的晶型及结晶程度，水化产物的结晶程度决定了水化产物的胶凝性能和强度. 石灰掺量过高，试样强度必然降低，而石灰掺量不足则对生成的水化产物产生不利影响. 试样的水化产物中，结晶程度较低的C-S-H中由于有适当数量结晶程度较好的托勃莫来石穿插在其中，使得其强度显著提高. 而过多的托勃莫来石甚至单一结晶程度较好的托勃莫来石连生体的存在，则会导致强度降低［6-7］. 铁尾矿蒸压混凝土中水化产物的晶型和含量对试样的力学性能有直接的影响，进而对试样抗冻性的改善起着重要作用. 托勃莫来石的结晶程度越好，含量越多，收缩越小，强度有所下降，但有助于抗冻性的改善；C-S-H凝胶含量越多，则强度越高，但收缩越大，会影响其抗冻性能［8-15］. 这就解释了60%石灰掺量的试样具有28 d龄期最高的强度，其质量损失率和抗压强度损失率也最大的原因. 4　结　语 1）在石灰掺量40%~70%的范围内，随着石灰掺量的增加，铁尾矿蒸压混凝土的强度先升高后降低，且在石灰掺量为60%时取得最高强度值. 质量损失率、抗压强度损失率也有着相似的规律. 2）在石灰掺量40%~70%的范围内，随着石灰掺量的增加，铁尾矿蒸压混凝土的抗冻性能先下降后上升，其中60%石灰掺量试样的抗冻性最差，50%石灰掺量试样的抗冻性最好. 3）不同石灰掺量铁尾矿蒸压混凝土的主要水化产物为托勃莫来石、C-S-H和硬硅钙石，但含量和结晶程度差异较大. 50%石灰掺量试样中存在结晶程度较好的托勃莫来石适量的穿插在C-S-H的网络结构中，而60%石灰掺量试样中存在由大量结晶程度不好的C-S-H搭接而成的空间网络结构.