铁尾矿机制砂在混凝土中的应用技术研究

朱久玉

（天津联创混凝土有限公司，天津 301714）

项目组通过试验研究，分析铁尾矿机制砂对预拌混凝土工作性能、力学性能及耐久性能的影响，指导混凝土生产企业合理使用铁尾矿机制砂，缓解天然砂资源紧缺的现状。

1 原材料、仪器设备

1.1 原材料

（1）水泥：本项目采用唐山金剑水泥有限公司生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其基本物理化学性能测试结果见表 1，符合 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中的相关指标要求。

表1 水泥性能检验结果

（2）矿粉：本项目采用河北钢铁建设集团生产的S95级矿粉，其基本物理化学性能测试结果见表 2，符合 GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中相关性能指标的要求。

表2 矿粉性能检验结果

（3）粉煤灰：本项目采用天津北疆环保建材有限公司生产的 F 类Ⅱ级粉煤灰，其基本物理化学性能测试结果见表 3，符合 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中相关性能指标的要求。

表3 粉煤灰基本性能检验结果

（4）铁尾矿机制砂：本项目采用的铁尾矿砂产自唐山市宏泰矿业集团有限公司，分为粗砂、细砂两种规格，其基本物理化学性能测试结果见表 4。

表4 铁尾矿砂基本性能检验结果

（5）碎石：本项目采用河北省生产的 5～25mm连续粒级碎石，其技术指标测结果见表 5，符合 GB/T 14685—2011《建设用碎石卵石》中相关性能指标的要求。

表5 碎石技术指标测试结果

（6）外加剂：本项目采用聚羧酸系高性能减水剂，型号 HK-1，其性能测试结果符合 GB 8076—2008《混凝土外加剂》中相关性能指标的要求。

（7）水：本项目采用自来水，符合 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》中混凝土拌合用水相关性能指标的要求。

1.2 仪器设备

本项目混凝土试验采用 HJW-60 型单卧轴强制式混凝土搅拌机。

2 试验方案、配合比及试验方法

2.1 试验方案

我公司日常生产多为 C15～C50 范围内的中低强度等级混凝土，项目组本次试验研究首次尝试配制 C60高强度等级铁尾矿砂混凝土。采用铁尾矿粗、细砂配制强度等级 C20、C35、C60 混凝土，试验研究其对新拌混凝土和易性的影响；分别进行硬化试件的抗压强度、抗折强度、劈拉强度、轴心抗压、弹性模量、碳化试验、抗冻试验和收缩试验，研究铁尾矿砂对不同强度等级混凝土力学性能和耐久性能的影响。

铁尾矿粗砂缺少细颗粒，若单独使用，所配制的混凝土浆体粘聚性较差，容易出现离析、泌水等现象，需要增加大量胶凝材料。根据我公司实际生产经验，项目组在铁尾矿粗砂中掺入一定比例的铁尾矿细砂混合使用，完善细骨料颗粒级配。表 6 为我公司推荐采用的不同强度等级混凝土细骨料中铁尾矿细砂掺量范围。

表6 不同等级混凝土中细骨料铁尾矿细砂建议掺量

2.2 混凝土配合比

试配选用 C20、C35、C60 三个强度等级，将铁尾矿砂粗砂和细砂混合作为细骨料使用。由于铁尾矿砂的颗粒形状多成针片状，含有大量裂隙，对混凝土的流动性有一定的影响，而且铁尾矿砂中也有一定量的石粉，需要增加拌合用水，才能使配制的混凝土坍落度达到天然砂混凝土的程度。而且由于铁尾矿砂的表观密度比天然砂大，所以混凝土配合比中砂率适当提高。C20 混凝土配合比中胶凝材料总量为 340kg/m3，矿粉、粉煤灰掺量均为 20.6%，砂率为 48%，水胶比为 0.60，细骨料中铁尾矿细砂占 30%；C35 混凝土配合比中胶凝材料总量为 400kg/m3，矿粉掺量为 23%，粉煤灰掺量 18%，砂率为 45%，水胶比为 0.50，细骨料中铁尾矿细砂占30%；C60 混凝土配合比中胶凝材料总量为 540kg/m3，矿粉掺量为 19%，粉煤灰掺量为 11%，砂率为 42%，水胶比为 0.31，细骨料中铁尾矿细砂占 27%。三个不同强度等级的铁尾矿砂混凝土配合比见表 7。

表7 混凝土试配配合比 kg/m3

2.3 试验方法

新拌混凝土坍落度检测依据 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》；混凝土力学性能检测依据 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》中抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度及抗折强度的试验方法进行；混凝土耐久性检测按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中混凝土抗碳化性能、抗冻融性能（慢冻法）和收缩性能的试验方法测试。

3 试验研究结果分析

3.1 混凝土拌合物性能

铁尾矿砂混凝土拌合物和易性及坍落度测试结果见表 8。

表8 试配坍落度扩展度记录表

测试结果表明采用铁尾矿砂配制不同强度等级混凝土的坍落度都超过 200mm，随着混凝土强度等级的增大，胶凝材料的增加，水胶比的降低，混凝土拌合物的粘度逐渐增加。C20 混凝土略微有泌水现象。不同强度等级混凝土坍落度测试见图 1。

图1 铁尾矿砂混凝土拌合物坍落度测试结果

3.2 混凝土力学性能

铁尾矿砂混凝土力学性能测试结果见表 9。

表9 混凝土力学性能测试结果（28d）

铁尾矿砂混凝土力学性能测试结果表明：在提高水胶比和砂率的前提下铁尾矿砂混凝土试件 28d 抗压强度均达到设计强度；由于铁尾矿砂颗粒表面粗糙，增加与水泥浆体的机械咬合力，所以铁尾矿砂混凝土劈拉强度和抗折强度比相同强度等级天然砂混凝土略大；三个强度等级铁尾矿砂混凝土弹性模量与天然砂混凝土相近。

3.3 混凝土耐久性能

铁尾矿砂混凝土抗冻性和碳化试验测试结果见表10，干燥收缩试验结果见图 2。

表10 铁尾矿砂混凝土抗冻性能（慢冻法）和抗碳化性能测试结果（28d）

图2 天然砂、混合砂混凝土干燥收缩测试结果

耐久性能测试结果表明：铁尾矿砂混凝土 50 次冻融循环后试件质量、抗压强度损失较小；铁尾矿砂混凝土碳化深度随着混凝土强度等级的提高、密实度的增加而减小；C60 铁尾矿砂混凝土经过 28d 没有被碳化；三个强度等级铁尾矿砂混凝土的干燥收缩率规律相近，90d 之后基本稳定。

4 生产应用情况

我公司自使用铁尾矿砂以来，取得了相当好的效益，近两年来，铁尾矿砂混凝土年产量达 80 万方，其中大项目包括：中冶天工集团沐景园项目，使用尾矿混凝土约 15 万方，天津小站建筑公司采微雅苑项目，约24 万方。经过现场各方面检测验证，强度性能相当理想，完全满足设计要求。铁尾矿砂混凝土在生产使用过程中，力学性能较好，虽然生产用水量略有增加，但通过一年的实体验证强度完全满足要求。图 3 为施工现场表观状态，与普通河砂混凝土外观无差别。工程现场实体回弹结果显示实体强度完全符合设计要求。

图3 中冶项目实物尾矿砂配制 C35 混凝土

5 结论

（1）将铁尾矿粗砂和细砂混合，作为混凝土细骨料，适当提高水胶比和砂率，制备出的混凝土具有良好的和易性和工作性。

（2）三个强度等级的铁尾矿砂混凝土力学性能均达到设计强度；铁尾矿砂混凝土劈拉强度和抗折强度比相同强度等级天然砂混凝土略高；混凝土弹性模量与天然砂混凝土相近。

（3）铁尾矿砂混凝土抗冻融、抗碳化性能良好；三个强度等级铁尾矿砂混凝土的干燥收缩率规律相近，90d 之后基本稳定。

（4）通过我公司近八年大量应用证明，铁尾矿砂作为细骨料制备混凝土，具有与普通混凝土基本相同的性能，用铁尾矿砂代替天然砂配制混凝土是可行的。