王樂，張靜，崔芳芮

（華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山063009）

0 引言

農(nóng)村公路建設是當前我國公路交通事業(yè)的重點工作，改革開放以來，我國農(nóng)村公路的建設取得了顯著成就，政府也加大了力度來改善農(nóng)村公路。由于農(nóng)村公路車速低，車流量較少，所以對設計等級要求比較低。對于農(nóng)村公路，水泥混凝土路面具有群眾參與程度高、可以就地取材和養(yǎng)護費用少等優(yōu)點，符合農(nóng)村公路建設需要發(fā)動群眾、依靠群眾的方針。但隨之水泥混凝土路面對于天然砂的需求量也日益增多，天然砂的超量開采已經(jīng)對農(nóng)田、河道造成了嚴重破壞，國務院和相關政府部門已經(jīng)出臺了禁采或限采天然砂的規(guī)定［1－2］。尾礦砂是鐵礦石經(jīng)過加工粉碎，選出鐵物質后剩余的一種產(chǎn)物，其大量堆存填埋不僅需要占用大量土地，并且部分鐵尾礦中含有重金屬等有害物質以及細尾礦顆粒引起的揚塵等嚴重影響了地下水資源和周邊環(huán)境［3］。據(jù)統(tǒng)計，我國金屬尾礦堆存量已達到50億噸以上，并且每年以6億噸的速度遞增。鐵尾礦的綜合治理和開發(fā)利用是我們面臨的重大課題，近年來尾礦作為二次資源已受到世界各國的重視［4］。在國外，很多國家已經(jīng)意識到尾礦帶來的嚴重后果，他們采取了一定的措施來解決尾礦帶來的嚴重問題，國外的尾礦利用率高達60%，但是國內對于尾礦的研究較少，其利用率僅達7%［5－6］。因此大力推廣尾礦砂在道路工程中的應用，對于尾礦廢物再利用和可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。不僅能夠節(jié)約天然砂、降低成本，又能充分開發(fā)和利用工業(yè)廢料、節(jié)約資源與能源、提高資源利用率、保護環(huán)境。

采用鐵尾礦砂替代天然砂配制出了C30農(nóng)村公路混凝土，研究了鐵尾礦砂混凝土的工作性能、力學性能、抗收縮性能和抗?jié)B性能。

1 試驗

1.1 試驗材料及性質

（1）水泥選用唐山市冀東水泥廠生產(chǎn)的P.S.A32.5普通硅酸鹽水泥，水泥的主要性能指標見表1。

表1 水泥的主要性能指標

（2）鐵尾礦砂為遷安鐵尾礦經(jīng)過篩分處理后的人工砂，堆積密度為1 598kg／m3，表觀密度為1 904kg／m3，細度模數(shù)為3.16。天然砂為普通中砂，堆積密度為1 675kg／m3，表觀密度為1 967kg／m3，細度模數(shù)為3.3。（3）試驗采用5～20mm連續(xù)級配碎石。

（4）減水劑為聚羧酸減水劑，減水率為30%，固含量為30%。

（5）試驗所用水為自來水。

1.2 配合比設計

表2 配合比設計

2 結果與討論

2.1 鐵尾礦砂摻量對混凝土坍落度的影響研究

對鐵尾礦砂摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%的C30混凝土的工作性能進行研究。

表3 鐵尾礦砂摻量對C30混凝土坍落度的影響

圖1 鐵尾礦砂摻量對C30混凝土坍落度的影響

從表3和圖1可以看出，對于C30混凝土，當鐵尾礦砂摻量為20%時，混凝土的坍落度小于基準組混凝土；當鐵尾礦砂摻量在40%～100%之間時，混凝土的坍落度大于基準組混凝土；當鐵尾礦砂的摻量為20%時，C30混凝土的坍落度為35mm；當鐵尾礦砂的摻量為80%時，C30混凝土的坍落度為60mm，C30混凝土的坍落度均在35～60mm之間。

2.2 鐵尾礦砂摻量對混凝土力學性能研究

對鐵尾礦砂摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%的C30混凝土的抗彎拉強度和抗壓強度進行研究。

圖2 鐵尾礦砂摻量對C30混凝土抗彎拉和抗壓強度的影響

從圖2可以看出，隨著鐵尾礦砂替代天然砂比例的增加，混凝土3d抗彎拉強度呈下降趨勢，7d抗彎拉強度先減小后增大，28d抗彎拉強度先增大后減小。當鐵尾礦砂的替代率為0%時，混凝土3d抗彎拉強度最大；當鐵尾礦砂替代率為100%時，混凝土7d抗彎拉強度最大，當鐵尾礦砂的替代率為40%時，混凝土28d抗彎拉強度達到最大?；炷?d抗壓強度先減小后增大，之后又有所下降，7d抗壓強度呈下降趨勢，28d抗壓強度先減小，后有所增加。當鐵尾礦砂的替代率為60%時，混凝土3d抗壓強度最大；當鐵尾礦砂的替代率為0%時，混凝土7d抗壓強度最大，當鐵尾礦砂替代率為100%時，混凝土28d抗壓強度達到最大。

其原因一是鐵尾礦砂來自于人工的破碎，密度和硬度比較大，兩者集料粗細搭配形成堅固的框架。二是因為棱角相對于天然砂而言比較多，接觸點就多，這樣在水泥水化時，就能與砂石形成更牢固的骨架，使得混合砂混凝土的抗壓強度高于未摻入鐵尾礦砂的混凝土。

2.3 鐵尾礦砂摻量對混凝土耐久性能研究

2.3.1 混凝土抗收縮試驗

由于裂縫會加劇混凝土的劣化，所以裂縫對于公路混凝土有很大的影響，然而在非荷載作用下產(chǎn)生裂縫主要原因是混凝土的收縮變化。本研究中主要考察當鐵尾礦砂摻量分別為0%、50%和100%時，C30混凝土在1d、3d、7d、14d、28d和60d的收縮量。

從圖3可以看出，對于C30混凝土，摻鐵尾礦砂50%的混凝土的收縮量小于基準組混凝土，摻鐵尾礦砂100%的混凝土的收縮量大于基準組混凝土。鐵尾礦砂混凝土的收縮量均是在14d之前增長較快，28d以后慢慢趨于平緩，而基準組混凝土的收縮量還在持續(xù)增長。當鐵尾礦砂摻量為50%時，混凝土的收縮量與基準組混凝土相比，混凝土1d收縮量降低了62.8%，14d收縮量降低了6.9%，56d收縮量降低了12.5%。2.3.2混凝土抗?jié)B試驗

圖3 C30混凝土不同齡期的收縮量

在實際的工程中，很多混凝土的病害與水有著直接關系。在混凝土內部的水，尤其是冬天比較寒冷的天氣，內部產(chǎn)生凍脹，脹裂了混凝土的路面，失去了強度，進而加速混凝土路面的破壞。此外，如果冬季積雪比較厚，還會向路面撒除冰鹽，由于鹽中含有大量的氯離子，從而會侵蝕混凝土路面，破壞路面結構。因此，抗?jié)B性能對于路面混凝土至關重要。

鐵尾礦砂摻量分別為0%、50%和100%的混凝土滲水高度試驗斷面如圖4所示。

圖4 C30混凝土滲水高度試驗斷面

圖5 C30混凝土標準養(yǎng)護28d滲水高度試驗

從圖5可以看出，對于C30混凝土，摻鐵尾礦砂各組混凝土的滲水高度明顯低于基準組混凝土，基準組的滲水高度為36mm。當鐵尾礦砂摻量為50%時，混凝土的平均滲水高度為14mm；當鐵尾礦砂摻量為100%時，混凝土的平均滲水高度為10mm。鐵尾礦砂摻量為50%和100%的混凝土與基準組混凝土相比較，滲水高度分別降低了61.1%和58.3%。

這是因為鐵尾礦砂中含有微量的石粉微粒，石粉微粒填實了混凝土中的孔隙，減少有害大孔數(shù)目，明顯改善了混凝土的孔徑大小及分布，強化了水泥漿體－集料的界面結構，從而增強了水泥與骨料間的密實性，提高了混凝土的抗?jié)B性。

3 結論

（1）隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的坍落度呈升高趨勢，且鐵尾礦砂混凝土的坍落度均在2～60 mm之間，能夠滿足農(nóng)村公路混凝土對于工作性能的要求。

（2）摻加鐵尾礦砂的C30混凝土的28d抗彎拉強度均在5～7MPa之間，能夠滿足農(nóng)村公路混凝土對于抗彎拉強度的要求。當鐵尾礦砂摻量為100%時，混凝土的抗壓強度與沒有摻入鐵尾礦砂的混凝土相比提高了11%，混凝土的抗彎拉強度提高了3%。

（3）摻加鐵尾礦砂的混凝土的收縮量隨著齡期的變化呈現(xiàn)出非線性增長趨勢，且早期收縮的增長速率比后期快。與基準組混凝土相比，摻加50%鐵尾礦砂混凝土的收縮量低于基準組混凝土，且均能滿足農(nóng)村公路混凝土對抗收縮性能的要求。

（4）不同摻量鐵尾礦砂混凝土的滲水高度均低于基準組混凝土，均能滿足農(nóng)村公路混凝土對抗?jié)B性能的要求。當鐵尾礦砂摻量為50%時，C30混凝土標準養(yǎng)護28d齡期的平均滲水高度最小，與基準組混凝土的滲水高度相比最大可降低61.1%。

［1］楊玉輝.C80機制砂混凝土的配制與性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2007.

［2］韋慶東.人工砂石制備高性能混凝土研究［D］.北京：北京工業(yè)大學，2007.

［3］吉少清，王志良，高軍燕.霍邱鐵礦鐵尾礦資源化綜合利用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2012（9）：78－80.

［4］程琳琳，朱申紅.國內外尾礦綜合利用淺析［J］.中國資源綜合利用，2005（11）：30－32.

［5］徐鳳平，周興龍，胡天喜.國內尾礦資源綜合利用的現(xiàn)狀及建議［J］.礦業(yè)快報，2007（3）：4－6.

［6］閆滿志，白麗梅，張云鵬，等.我國鐵尾礦綜合利用現(xiàn)狀問題及對策［J］.礦業(yè)快報，2008（7）：9－13.