某钒钛磁铁矿尾矿微粉对自密实混凝土性能的影响_李胜.pdf

收稿日期2019-09-30 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2018YFC1903602-1） 。 作者简介李胜 （1975） ， 男， 高级工程师。通讯作者郑永超 （1978） ， 男， 高级工程师， 博士。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 某钒钛磁铁矿尾矿微粉对自密实 混凝土性能的影响 李胜 1， 2 郑永超 1， 2 陈旭峰 1， 2 吝晓然 3 黄天勇 1， 21 （1. 北京建筑材料科学研究总院有限公司， 北京 100041； 2. 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室， 北京 100041； 3. 河北工程大学土木工程学院， 河北 邯郸 075000） 摘要为了拓展某钒钛磁铁矿尾矿的应用领域， 选用该钒钛磁铁矿尾矿微粉等体积替代粉煤灰制备 C30、 C35自密实混凝土， 研究了其对混凝土工作性能、 力学性能、 体积稳定性、 水化热的影响。结果表明 钒钛磁铁矿尾 矿微粉等体积替代粉煤灰， V漏时间减少， 扩展度提高， T500用时和J环差值均减少， 施工性能得到改善； 尾矿微粉 混凝土早期强度高于使用粉煤灰配制的混凝土， 28 d的混凝土抗压强度达到设计要求， 56 d的混凝土体积收缩率 都在可控范围内， 尾矿微粉胶凝体系7 d累积水化热较粉煤灰胶凝体系略低。 关键词钒钛磁铁矿尾矿微粉自密实混凝土矿物掺合料 中图分类号TD926.4文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-192-05 DOI10.19614/ki.jsks.201911032 Effect of vanadium-titanium magnetite tailings fine powder on properties of self-compacting concrete Li Sheng1， 2Zheng Yongchao1， 2Chen Xufeng1， 2Lin Xiaoran3Huang Tianyong1， 22 （1. Beijing Building Materials Academy of Sciences Research Co.， Ltd.， Beijing 100041， China； 2. Solid Waste Reuse for Building Materials State Key Laboratory， Beijing 100041， China； 3. College of Civil Engineering， Hebei University of Engi- neering， Handan 075000， China） AbstractIn order to expand the application field of a vanadium-titanium magnetite tailings， the C30 and C35 self-com- pacting concrete were prepared by replacing the fly ash with the same volume of vanadium-titanium magnetite tailings fine powder，and the effect of tailings fine powder on concrete workability，mechanical properties，volume stability and hydration heat were studied. The test results showed that when the tailings fine powder replaced the fly ash with equal volume，the V- leakage time decreased and the divergence increased. The workability improved with the decrease of T500 time and the J-ring difference. The early compressive strength of the tailings fine powder concrete was higher than that of the fly ash concrete， and the 28 d compressive strength met the design requirements. The 56 d concrete volume shrinkage rate is within the controllable range，and the 7 d cumulative hydration heat of the tailings fine powder cementitious system is slightly lower than that of the fly ash. KeywordsVanadium-titanium magnetite， Tailings， Fine powder， Self-compacting concrete， Mineral admixture Series No. 521 November2019 尾矿是我国大宗固体废弃物之一， 年产量在10 亿t以上， 而铁尾矿的综合利用率较低 ［1］， 大量尾矿的 堆积不仅会造成资源的浪费， 还会对周边环境造成 严重的影响 ［2］。河北承德钒钛磁铁矿储量丰富， 目前 该地区堆存有大量的钒钛磁铁矿尾矿， 部分粗粒级 被筛选出来作为骨料使用， 大量细粒尾矿难以得到 大宗、 高附加值利用。国内研究者对铁尾矿微粉作 为混凝土掺合料进行了一些研究， 主要论证了铁尾 矿微粉在混凝土中运用的可行性等 ［3-4］。 自密实混凝土 （Self-compacting concrete.SCC） 是 以提高施工性为特点的高性能混凝土 ［5］， 又称自流平 混凝土， 最早由日本岗村甫研制室H.Okamura教授提 192 ChaoXing 出 ［6-7］。自密实混凝土具有优异的工作性能， 相比普 通混凝土， 在提高施工速度、 保证工程质量、 减少人 工、 改善施工环境等方面具有明显的优势 ［8］。 试验以磨细的某钒钛磁铁矿尾矿微粉为矿物掺 合料， 等体积替代粉煤灰进行C30/C35自密实混凝土 的制备， 研究尾矿微粉对自密实混凝土拌合物工作 性能， 以及对不同龄期混凝土的力学性能、 体积稳定 性、 耐久性能等的影响。 1试验原料 P.O42.5水泥、 二级粉煤灰、 S95级矿粉、 外加剂由 北京金隅混凝土有限公司提供， 钒钛磁铁矿尾矿 （以 下简称 “尾矿” ） 由河北睿索固废技术研究院提供， 用 球磨机粉磨至比表面积为420 m2/kg， 后续试验称尾 矿微粉。水泥、 粉煤灰、 矿粉和尾矿微粉的物理性能 见表1， 主要化学组成见表2， 激光粒度分析结果见图 1， 尾矿微粉的矿物组成见图2。 注 按照GB/T 1596-2017 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 标准 计算的尾矿微粉胶砂试块28 d的活性指数为67， 按照GB/T 18046- 2017 用于水泥、 砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉 标准计算的尾 矿微粉胶砂试块28 d的活性指数为37。 由表2及图2可以看出， 尾矿微粉的主要化学成 分为SiO2、 CaO、 Fe2O3、 MgO、 Al2O3， 主要矿物为铁角闪 石、 透辉石， 次要矿物为斜长石、 绿泥石、 云母和钛铁 矿； 铁主要赋存在铁角闪石和钛铁矿等矿物中。 混凝土集料为承德地区某钒钛磁铁矿尾矿废石 制备的粗、 细骨料， 其表观密度均为2.84 t/m3， 粒度见 表3。 2试验方法 2. 1试验配合比 根据尾矿微粉的活性指数和粒度分布情况， 使 用尾矿微粉等体积替代全部粉煤灰， 制备C30/C35自 密实混凝土， 试验配合比见表4。 2. 2试验方法 水泥的性能按照 GB 175-2007 通用硅酸盐水 泥 进行， 粉煤灰的性能按照GB/T 1596-2017 用于 水泥和混凝土中的粉煤灰 进行， 矿渣粉的性能按照 GB/T 18046-2017 用于水泥、 砂浆和混凝土中的粒化 高炉矿渣粉 进行， 尾矿微粉的性能按照GB/T 1596- 2017用于水泥和混凝土中的粉煤灰和 GB/T 18046-2017 用于水泥、 砂浆和混凝土中的粒化高炉 矿渣粉 进行。 自密实混凝土的工作性能按照 GB/T 50080- 2016 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 、 JGJ/ T283 自密实混凝土应用技术规程 和 CECS203- 2006 自密实混凝土应用技术规程 进行； 力学性能 2019年第11期李胜等 某钒钛磁铁矿尾矿微粉对自密实混凝土性能的影响 193 ChaoXing 按照GB/T 50081-2016 普通混凝土力学性能试验方 法标准 进行， 耐久性能按照GB/T 50082 普通混凝 土长期性能和耐久性能试验方法标准 进行。 3试验结果与分析 3. 1尾矿微粉胶凝材料体系水化反应放热趋势 根据表4自密实混凝土配合比， 测试了C30、 C35 强度等级混凝土胶凝材料体系7 d实时水化放热和 累计水化放热情况， 结果见图3、 图4。 由图3可以看出， 1 d内C30WK的水化热峰值早 于 C30F， C30F 与 C30WK 在接近 4 d 时， 累计水化热 总量基本一致， 之后 C30F 的水化热高于 C30WK， C30F、 C30WK混凝土胶凝材料体系7 d的水化热分别 为238.00 J/g和236.38 J/g。 由图4可以看出， 1 d内C35WK的水化热峰值早 于 C35F， C35F 与 C35WK 在刚过 2 d 时， 累计水化热 总量基本一致， 之后 C35F 的水化热高于 C35WK， C35F、 C35WK混凝土胶凝材料体系7 d的水化热分别 为272.30 J/g和260.80 J/g。 呈现上述规律的原因可能是尾矿微粉颗粒较粉 煤灰细， 尾矿微粉 “晶核效应” 较粉煤灰略明显， 促进 了水泥的早期水化， 导致水化峰值略早于粉煤灰混 凝土。而总水化放热量的降低有利于减少混凝土由 于热应力导致的裂缝。 3. 2尾矿微粉对自密实混凝土拌合物工作性能的 影响 尾矿微粉等体积替代粉煤灰对自密实混凝土拌 合物工作性能的影响见图5。 由图5可以看出 尾矿微粉替代同体积的全部粉 煤灰后， V漏时间减少、 扩展度增加； T500用时和J环 差值均减少， 没有离析、 泌水和骨料堆积现象， 表明 尾矿微粉替代粉煤灰后拌合物流动性和充填性能均 有所提高。主要是由于尾矿微粉的粒度 （D5018.06 m） 较粉煤灰 （D5025.97 m） 更细， 且尾矿微粉表观 密度更大， 因此， 相同体积下， 尾矿微粉颗粒数量较 粉煤灰多， 尾矿微粉混凝土拌合物中粉体颗粒总量 较粉煤灰混凝土更多， 微集料的填充效应更明显， 拌 合物施工性能更好。 3. 3尾矿微粉对自密实混凝土力学性能的影响 尾矿微粉等体积替代粉煤灰对自密实混凝土力 学性能的影响见图6。 由图6可以看出 尾矿微粉替代同体积的全部粉 煤灰后， 早期 （3 d和7 d） 混凝土抗压强度高于使用粉 煤灰配制的混凝土， 长龄期 （28 d和56 d） 混凝土抗压 强度略低于使用粉煤灰配制的混凝土， 但均达到相 应强度等级要求。这可能是由于尾矿微粉的颗粒较 粉煤灰颗粒更细， 相同体积下， 尾矿微粉颗粒数量较 粉煤灰多， 微集料效应更明显； 另外还由于， 加入尾 矿微粉的胶凝材料体系水化放热峰值早于粉煤灰混 凝土， 且一般情况下3 d、 7 d龄期时粉煤灰的活性较 金属矿山2019年第11期总第521期 194 ChaoXing 小， 至14 d龄期后才会发挥其活性， 故3 d、 7 d龄期时 尾矿微粉混凝土强度略高； 之后粉煤灰的活性效应 开始显现， 对混凝土强度的贡献增大， 故后期强度粉 煤灰混凝土高于尾矿微粉混凝土。 3. 4尾矿微粉对自密实混凝土体积稳定性的影响 尾矿微粉等体积替代粉煤灰对自密实混凝土体 积稳定性的影响见图7。 由图7可以看出 1～7 d龄期时的收缩较明显， 且 C30WK早期收缩比C30F更大； 8～15 d龄期， 每日收 缩率趋于平缓， C30WK比C30F的收缩略大； 16～56 d 龄期， 2种混凝土的收缩率基本一致， 且趋于稳定； C30F、 C30WK混凝土胶凝材料体系56 d累计体积收 缩率分别为 5.0310-4、 6.3810-4，C30WK 比 C30F 大1.3510-4， 这可能是由于尾矿微粉的颗粒比粉煤 灰更细， 加入尾矿微粉后对胶凝材料体系水化进程 及二次水化反应产生影响所致。 通常， 随着水泥水化和掺合料的二次水化作用， 体系中固相的绝对体积不断增加， 但固相与液相体 积总和呈减小的趋势。由于尾矿微粉较粉煤灰活性 低， 二次水化作用产生的总固相量低于使用粉煤灰 的试样。 4结论 （1） C30F、 C30WK混凝土胶凝材料体系7 d的水 2019年第11期李胜等 某钒钛磁铁矿尾矿微粉对自密实混凝土性能的影响 195 ChaoXing 化热分别为238.00 J/g和236.38 J/g； C35F、 C35WK混 凝土胶凝材料体系7 d的水化热分别为272.30 J/g和 260.80 J/g。使用尾矿微粉替代粉煤灰后， 水化放热 峰值略有提前， 累积水化热均略有降低。 （2） 尾矿微粉全部替代同体积的粉煤灰， V漏时 间、 T500时间、 J环差值均减少， 扩展度增加， 施工性 能改善； 尾矿微粉混凝土早期抗压强度提升较快， 28 d抗压强度达到设计要求。 （3） C30F、 C30WK混凝土胶凝材料体系56 d累计 体积收缩率分别为5.0310-4、 6.3810-4， 自密实混 凝土的体积收缩率较大， 应采取措施降低体积收缩 率。 （4） 使用某钒钛磁铁矿尾矿微粉配制自密实混 凝土， 不仅可以提高尾矿的资源综合利用率， 还可降 低自密实混凝土的成本， 具有较高的环境效益和经 济效益。 参 考 文 献 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 （4） 22-26. 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