尾矿人工砂高性能混凝土研究—宋少民

尾矿人工砂高性能混凝土研究
A study on high performance concrete with tail mineral sand
宋少民 北京建筑工程学院
1.课题的背景和意义
1.1 优质天然砂供需矛盾日益显露
我国目前处于规模空前的建设时期，混凝土用量非常大，
不少地区优质天然砂资源出现匮乏，为满足建设需求，且
面，从材料本身上来看，高流动性混凝土中微 粉量高达450～650kg／cm2，因此可以将细砂
中的微粉作为粉体的一部分，并且细砂混凝土
拌合物还具有粘聚性好、不易分高、泌水少、
易密性好的优点[2]。我们利用高性能混凝土配
制理念［3］，适度降低砂率，取较低的水胶比 和大粉煤灰掺量来配制混凝土。
3 研究思路
而机制砂颗粒表面粗糙，可以增加与水泥的粘
结力，从而提高混凝土的强度。但是，机制砂 颗粒的级配相对集中，且石粉含量较高，用水 量较大。因此，考虑将尾矿砂和机制砂配成混 合砂来使用。适宜的配合比不仅能改善颗粒级 配和材料密实度，获得高流动性、高强度的混 凝土，而且还具有节约水泥，降低混凝土成本 的作用。根据混合砂中机制砂的比例，混合砂 混凝土的配制共设计了0%、20%、40%、50%、 60%、80%、100%共7组配合比。
寻找可持续发展的技术途径，不断拓宽商品混凝土用砂的
砂源和品种，研究其在混凝土中的应用规律和方法是摆在 混凝土科研和企业技术人员面前的重要课题。
2002年2月1日起实施新国标《建筑用砂》（GB/T14684-2001）
增加了人工砂为建筑用砂之一，并规定了人工砂的定义、 技术要求、检验方法。
1.课题的背景和意义
1.2 人工砂与尾矿砂
机制砂与混合砂统称人工砂。 尾矿砂是各类金属矿石、非金属矿石在进行分选、浓
缩、提纯的过程中被当作废弃物被丢弃或进行有计划
存放的细颗粒，属于机制砂范畴。尾矿是我国产量、 储存量最多的固体废弃物。据不完全统计目前全国积
存的各类尾矿已达50多亿吨，而且每年还以3亿多吨的
数量增长，不仅占用大量土地；还严重污染环境。
5 问题讨论
4.3 混合砂改善和易性的原因
单独使用尾矿细砂或单独使用机制砂时，混 凝土的拌和物的和易性较差，这是因为砂率相 同时单独使用尾矿细砂比表面积大，颗粒形状 不规则，需要的浆量大；单独使用机制砂时，
由于石粉含量较高增大了比表面积，且由于颗
粒形状不好，影响了和易性。相互混合使用改 善了级配和粒形结构，又含有一部分石粉增加
亿吨，目前每年还以700万吨的速度继续排放，
规划该矿还要开采40年以上。
原材料
2.1 水泥 北京兴发水泥厂生产的P.O42.5水泥 2.2 粉煤灰 丰台粉煤灰加工厂一级灰 2.3 机制砂 细度模数2.9，石粉含量11.1% 2.4 尾矿砂细度模数1.8，石粉含量2.6%
2.5 石子 碎石，最大粒径为20mm
尾矿细砂高性能混凝土的氯离子渗透性 编号 WJ6 W12 W13 W14 W15 W21 扩散系数(10-14m2/s) 250 196 217 241 249 206 编号 W22 W23 W24 W25 RR 扩散系数(10-14m2/s) 145 196 125 182 198
4 试验结果
混凝土收缩试验所用设备符合下列规定。 (1)混凝土收缩仪：测量标距为 354±1mm，精 度为 0.001mm 的千分表； (2) 恒温恒湿室：能使室温保持在 20±2℃，相 对湿度保持在 60±5%。
10.00 泌水 10.00 轻微泌水 10.00 轻微泌水 10.00 不泌水 10.00 不泌水 10.00 不泌水 10.62 泌水偏粘 10.62 不泌水 10.62 不泌水 10.62 不泌水 10.62 很粘 10.62 太粘
4 试验结果
尾矿细砂和机制砂复合配制的高性能混凝土配合比（ kg/m3） 编号 WJ0 WJ1 WJ2 WJ3 WJ4 WJ5 WJ6 C 285 285 285 285 285 285 285 FA 140 140 140 140 140 140 140 W 161 161 161 161 161 161 161 比例 0:1 2:8 4:6 5:5 6:4 8:2 1:0 机制砂 0 145 291 364 436 582 727 尾矿砂 727 582 436 364 291 145 0 石 1186 1186 1186 1186 1186 1186 1186
注：RR 表示细骨料为机制砂
4 试验结果
尾矿砂高性能混凝土的试验结果（ kg/m3） 编号 W11 W12 W13 W14 W15 W16 W21 W22 W23 W24 W25 RR 坍落度 mm 215 245 240 220 215 180 240 230 225 210 90 190 扩展度 mm 50 × 55 48 × 50 55 × 50 53 × 54 51 × 44 35 × 39 55 × 51 50 × 51 50 × 50 41 × 43 —— 34 × 36 泵送剂 (kg/m3) 和易性 抗压强度（MPa） 3d 9.5 18.9 16.9 17.2 14.6 18.2 19.9 20.2 19.0 18.2 20.6 23.2 7d 24.7 23.9 24.1 22.2 18.7 25.4 26.8 28.1 25.3 24.8 28.9 31.8 14d 29.6 29.2 28.2 27.0 25.2 —— —— —— —— —— —— —— 28d 35.0 34.7 33.8 32.1 30.3 37.7 38.5 38.5 35.7 34.6 41.9 46.7
收缩试验结果 编号 RR W13 1d 收缩 (10-6) 40 41 3d 收缩 (10-6) 130 110 7d 收缩 (10-6) 170 130 14d 收缩 (10-6) 230 160 28d 收缩 (10-6) 300 200
5 问题讨论
4.1 砂率与单位体积用水量
Ⅱ区中砂配制高性能混凝土的砂率一般在45%左 右。利用尾矿细砂配制高性能混凝土，为保持 较低的单位体积用水量，将砂率降低至38— 40%是非常有效的技术措施，把混凝土中骨料
5.3 尾矿细砂高性能混凝土 NEL 法氯离子渗透性较低 , 与 机制砂高性能混凝土的氯离子渗透性相当。
5.4 尾矿细砂高性能混凝土收缩值不大，且小于机制砂 混凝土。
3 研究思路
用尾矿细砂配制混凝土细砂颗粒多，比
表面积大，且由于空隙率大，拌合物粘 滞性大，在拌制相同和易性的拌合料时 单位用水量和水泥用量比同等条件下的 中、粗砂混凝土多，且容易导致较大的 收缩与徐变，引起预应力损失，对配制 高性能混凝土非常不利。
但将细砂应用于高性能混凝土也具有良好的一
的比表面积降低到了合理的范围，保证了新拌
混凝土良灰的作用
优质粉煤灰在尾矿人工砂高性能混凝土中首先 可以起到减水作用，在同样单位体积用水量的 情况下，改善混凝土和易性；其次由于尾矿细 砂比表面积较大，需要足够的浆体包裹，粉煤 灰的掺入可以减少水泥用量，使胶凝材料体系 更为合理［4］；同时大掺量粉煤灰的应用可以 有效的减少和抑制收缩。
混合砂中机制砂的不同比例对应的不同的细度模数 混合砂中尾矿细砂的比例% 细度模数 0 2.90 20 2.56 40 2.45 50 2.49 60 2.33 80 2.06 100 1.80
4 试验结果
采用 NEL 氯离子扩散系数法。该试验试块采用 100×100× 100mm 规格，标准养护 28 天，用氯离子渗透性电测仪测定高 性能混凝土中氯离子的扩散系数， 评定高性能混凝土的抗渗透 耐久性的高低。该试验采用的测定氯离子渗透性的仪器为 NEL-VJ 型混凝土真空饱水饱盐设备和 NEL-PD 型混凝土渗透性 电测仪
4 试验结果
尾矿细砂高性能混凝土的配合比（kg/m3） 编号 W11 W12 W13 W14 W15 W16 W21 W22 W23 W24 W25 RR 胶凝材料 水泥 胶材 粉煤灰 260 400 140 260 400 140 260 400 140 260 400 140 260 400 140 260 400 140 285 425 140 285 425 140 285 425 140 285 425 140 285 425 140 285 425 140 水 168 168 168 168 168 168 161 161 161 161 161 161 砂 671 690 709 728 767 804 669 708 727 765 803 650 石 1246 1227 1207 1188 1150 1111 1243 1205 1186 1148 1109 1262 砂率% 35 36 37 38 40 42 35 37 38 40 42 34 水胶比 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38
了粘聚性，所以提高了和易性。
6结论
5.1 对于细度模数为 1.8 的尾矿砂，在水胶比为 0.38 ～ 0.42 时，砂率在 37% ～ 40% 之间能够配制出坍落度在 180mm ～ 220mm ，工作性较好的高性能混凝土，但强度 较低；
5.2 在水胶比相同的情况下，随着机制砂占混合砂比例 的提高，混凝土的坍落度和抗压强度呈现先增加后减 少又增加的趋势，最佳范围大约在 20% ～ 40% ，此时混 凝土的工作性比较好，抗压强度较高。
2.6 外加剂。萘系泵送剂，减水率21％
2 试验原材料
人工砂中的石粉
石粉不是一般碎石生产企业所称的“石粉”、“石 沫”，而是在生产人工砂的过程中，在加工前经除土 处理，加工后形成粒径小于 75μm,其矿物组成和化学 成分与母岩相同的物质，与天然砂中的粘土成分在混 凝土中所起的负面影响不同，它的掺入对完善混凝土 细骨料级配，改善混凝土和易性，提高混凝土密实性 有很大的益处，进而起到提高混凝土综合性能的结果。 许多用户和企业将人工砂中的石粉用水冲掉的做法是 错误的。亚甲蓝试验 MB 值是用于判定人工砂中粒径小 于75μm颗粒含量主要是泥土还是与母岩化学成分相同 的石粉的指标。