不同养护条件对铁尾矿混凝土性能的影响*

崔孝炜 倪 文 吴 辉

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.商洛学院化学与化学工程系)

随着钢铁工业的迅速发展，铁尾矿在工业固体废弃物中所占的比例也越来越大。大量堆存的尾矿不仅占用土地、造成资源的巨大浪费，而且是周边环境污染的重要源头和库区安全的重大隐患。

虽然我国近年在建设生态矿山、绿色矿山方面投入较大，也推出了不少鼓励减排的政策，但2010年我国尾矿的综合利用率仍仅有14%左右，远低于发达国家60%左右的水平［1］。近年来，利用铁尾矿制备高性能混凝土成为了我国铁尾矿综合利用的主要途径，北京科技大学的李德忠等［2］以铁尾矿为主要原料制备出了高强混凝土结构材料。

从已有的研究成果看，养护方式对混凝土材料的强度和水化过程具有重要的影响。采用蒸汽养护能够加速混凝土中水泥的水化，具有显著提高混凝土早期强度、缩短生产周期、提高生产效率等作用，在混凝土预制构件生产中应用广泛。本试验将研究不同养护制度对铁尾矿混凝土的影响，并对水化产物及微观结构进行系统分析。

1 试验原料

(1)铁尾矿。铁尾矿取自鞍钢齐大山铁矿生产流程，粒度较细，+0.63 mm接近1%、－0.08 mm占14.40%，颗粒主要集中在0.2～0.04 mm粒级。

(2)高炉矿渣。高炉矿渣为首钢高炉水淬矿渣。

(3)水泥熟料。水泥熟料为唐山冀东水泥厂普通硅酸盐水泥。

(4)石膏。石膏为北京房山双山水泥厂的脱硫石膏。

(5)减水剂。减水剂为北京慕湖外加剂公司生产的PC高效减水剂。

各主要原料化学成分分析结果见表1。

表1 各主要原料化学成分分析结果 %

从表1可以看出，铁尾矿SiO2含量很高，达82.80%，其次为Fe2O3，其他成分含量很低，属优质混凝土掺合料。

2 胶凝材料的制备

将铁尾矿、矿渣、水泥熟料、脱硫石膏按40∶26∶26∶8的质量比进行梯级混磨，梯级混磨流程见图1。物料粉磨设备为SMø500×500型水泥实验球磨机，研磨介质为生产厂家标准配置，装料量固定为5 kg，预磨、梯级混磨1、梯级混磨2产品比表面积分别为2 591、4 636和4 928 cm2/g。

图1 原料梯级混磨流程

3 混凝土试块强度试验

3.1 试验步骤

以梯级混磨制备的粉磨产品为胶凝材料，不粉磨铁尾矿为骨料，按质量比1∶1混合，加入与胶凝材料质量比分别为0.4%和23%的减水剂和水，搅拌后制成40 mm×40 mm×160 mm的砂浆试块，在温度为20±1℃、相对湿度≥90%的养护箱中标准养护1 d后拆模，分别进行直接继续标准养护，在56℃下蒸汽养护12 h后再继续标准养护，在90℃下蒸汽养护12 h后再继续标准养护。直接继续标准养护的记为A1、在56℃和90℃下蒸汽养护12 h后再继续标准养护的分别记为A2、A3，测定规定龄期各试块的强度。

3.2 试验结果与讨论

按照《GB/T 17671—1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》对不同养护条件、不同龄期的混凝土试块进行了强度测试，结果见图2、图3。

图2 A1、A2和A3试样的抗折强度

图3 A1、A2和A3试样的抗压强度

从图2、图3可以看出，3种养护条件最终均能获得符合要求的铁尾矿混凝土。先56℃蒸汽养护可以显著提高铁尾矿混凝土试块的早期强度，对铁尾矿混凝土试块的后期强度也有积极的影响;先90℃蒸汽养护对铁尾矿混凝土试块早期强度的积极影响更大，但对后期强度却有负面影响。

4 混凝土试块微观分析

4.1 混凝土试块的XRD分析

将直接标准养护、先56℃和90℃蒸汽养护3 d和28 d的铁尾矿混凝土用Rigaku D/Max－RC衍射仪进行XRD分析，衍射图谱见图4、图5。

图4 A1、A2、A3试块养护3 d的XRD图谱

图5 A1、A2、A3试块养护28 d的XRD图谱

从图4可以看出，直接标准养护和先不同温度下蒸汽养护过3 d的试块的XRD图谱大致相同，均主要由石英、绿泥石、赤铁矿、Ca(OH)2、钙矾石和二水石膏组成。养护3 d时，各试样中均已出现水化产物——钙矾石，但先经56℃蒸汽养护过的试块中钙矾石的衍射峰最强，说明先56℃蒸汽养护更能加快水泥熟料的早期水化速度。

从图5可以看出，28 d时各试样均已生成了大量的水化产物——钙矾石，未水化的二水石膏量很少。先56℃蒸汽养护产物中二水石膏的衍射峰强度明显低于直接标准养护和先90℃蒸汽养护，说明先56℃蒸汽养护更能加快尾矿和矿渣的二次水化速度。

4.2 混凝土试块的SEM分析

将直接标准养护、先56℃和90℃蒸汽养护的28 d铁尾矿混凝土用英国剑桥S250型扫描电镜观察，铁尾矿混凝土试块的微观形貌见图6。

从图6可以看出，铁尾矿混凝土主要由石英，未水化的C3S和C2S，水化产物CH、钙矾石和C－SH凝胶组成。到水化龄期为28 d时，在铁尾矿混凝土试块的气孔中看到长杆状的钙矾石晶体，铁尾矿颗粒和钙矾石晶体已完全被C－S－H凝胶包裹胶结成整体，随着水化过程的进行，凝胶相不断生成，并且填入孔隙，使得大的空隙减少，混凝土结构变得更加致密;相比较而言，先蒸汽养护的试块的结构致密度明显优于标准养护的试块。

5 结论

(1)不同养护方式对铁尾矿混凝土的强度有影响。先蒸汽养护比直接标准养护更有利于提高铁尾矿混凝土的早期强度，先56℃蒸汽养护还能提高铁尾矿混凝土的后期强度，但先90℃蒸汽养护对铁尾矿混凝土的后期强度有负面影响。因此，先蒸汽养护时温度的选择很重要，它不仅决定了能源消耗，而且影响铁尾矿混凝土的后期强度。

图6 A1、A2、A3试块养护28 d的SEM照片

(2)XRD和SEM分析结果表明，养护方式对铁尾矿混凝土的水化硬化过程有重要影响，但不会改变水化产物的物相组成。铁尾矿高强结构材料主要由石英，未水化的C3S和C2S，水化产物CH、钙矾石和C－S－H凝胶组成，随着反应龄期的增长，C－S－H凝胶不断包裹未发生反应的尾矿颗粒和钙矾石，胶结成整体，并填入原有的孔隙中，使材料内部结构变得更加致密。

［1］ 杨国华，郭建文，王建华.尾矿综合利用现状调查及其意义［J］.矿业工程，2010，2(8):55-57.

［2］ 李德忠，倪 文，郑永超，等.大掺量铁尾矿高强混凝土材料的制备［J］.金属矿山，2010(2):167-170.

［3］ 于 淼，倪 文，陈 勇，等.齐大山铁尾矿制作人工鱼礁材料的研究［J］.金属矿山，2012(11):163-167.