掺高炉除尘灰与尾矿砂复合混凝土的制备及抗压强度试验★

阮小龙 林朝飞

(攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川 攀枝花 617000)

0 引言

高炉除尘灰是用除尘设备将工厂排放的颗粒烟尘收集得到的排弃物。它是高温条件下的化学反应产物，其性质发生变异，利用难度较大，囤积容易扬尘，在运输过程中及风季季节对环境产生污染，其含有的重金属物质对人类健康危害大。目前对除尘灰回收利用是提取可用金属元素和制灰砂砖，但由于金属提取技术不足、成本过高，一直未实现规模化生产，且灰砂砖利用量较小，故不能有效快速消耗掉大量囤积的除尘灰。目前采取填埋处理方式，易产生二次污染严重，高炉粉灰上覆土过薄会产生塌陷，堆积过厚会产生滑坡危害，安全隐患严重。

尾矿砂是选矿厂将矿石磨细选取有用成分后排放的废弃物。目前有企业利用页岩与矿渣按比例混合生产保温隔热性能好的多孔节能砖，但使用量少，不能有效消耗掉每年大量排放出的尾矿砂，尾矿砂逐年囤积于尾矿坝，占据耕地，并造成环境污染。仅以钒钛磁铁矿及钢铁工业城市攀枝花为例，矿渣年排出量超过50万t，虽有少部分加以回收利用，但利用方式单一。从图1可以看出，尾矿坝的囤积量逐年增加，尾矿砂回收利用问题亟待解决。

混凝土细骨料所用天然砂日益匮乏，其占混凝土重量约30%，若以尾矿砂作为天然砂的替代品，既解决了混凝土集料匮乏问题，还可以大量减少尾矿砂囤积，减少尾矿坝中矿渣的库容量，降低尾矿坝的安全隐患，同时减少了对环境的污染。

本试验通过四川省工业固态废弃物综合利用实验室立项，研究高炉除尘灰替代水泥，尾矿砂替代天然砂石作为混凝土的细骨料，形成一种新型复合混凝土，通过试验研究其强度、变形性能是否达到工程使用要求。

1 制备方案

本试验项目混凝土设计强度等级为C30;水泥：P.O42.5普通水泥,密度3 100 kg/m3；碎石：最大粒径20 mm，密度2 800 kg/m3,中砂：级配良好，密度2 600 kg/m3；尾矿砂：表观密度2 700 kg/cm3，比表面积480 m2/kg，含泥量2.3%；高炉除尘灰:细度5.2%，烧矢量3.23%，表观密度2 100 kg/cm3。

根据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程计算出基准配合比为水泥∶用水量∶细砂∶石子=Mco∶Mwo∶Mso∶Mgo=1∶0.57∶1.84∶2.59。

等量取代法规则是在基准配合比基础上用相等量的粉煤灰和尾矿砂分别取代等量的水泥及天然砂。根据GB/T 50146—2014粉煤灰混凝土应用技术规范，当水灰比大于0.4时，普通硅酸盐水泥矿渣掺量最大45%，除尘灰借鉴粉煤灰最大掺量30%，由于替代率不同于掺入量，高炉除尘灰和尾矿砂设计替代率分别为0%，5%，10%，20%，30%五个等级。

2 试验结果分析

试验采用HYE-300B型电液伺服压力试验机，最大压力300 t，加载速率0.5 MPa/s，根据设计替代率有25个组合，每组3个试块，试验共计75个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm标准土立方体试块，在标准条件下养护28 d后进行抗压强度试验。加载试验见图2。

图3对比五组不同替代率养护28 d后的立方体试块，发现随着替代率的增加混凝土逐渐开裂，替代率越高开裂现象越明显，这由于高炉除尘灰凝结强度不足和尾矿砂中含有一定量的泥所导致的开裂现象。

2.1 试验数据统计分析

通过对75个试块进行抗压强度试验，各替代率混凝土立方体抗压强度试验平均值和极差统计于表1中。

表1 各替代率混凝土立方体抗压强度试验值 MPa

从表1试验结果可以看出：

1)当高炉除尘灰替代率为0%时，尾矿砂替代率在30%及以下对复合混凝土强度影响甚微；当高炉除尘灰替代率为5%时，尾矿砂替代率在20%及以下复合混凝土强度满足要求。由此可见，尾矿砂完全可以替代天然砂石，替代率控制在10%～20%左右为宜。

2)当尾矿砂替代率为0%时，复合混凝土强度在除尘灰替代率为10%及以下时满足要求；当尾矿砂替代率为5%～20%时，复合混凝土强度在高炉除尘灰替代率为5%及以下时满足要求。可见，高炉除尘灰对复合混凝土强度影响较大，替代率不可太高，控制在5%～10%左右为宜。

3)尾矿砂替代率恒定时，除尘灰替代率变化对强度影响较大，强度极差平均值高达10.7 MPa。除尘灰替代率恒定时，高炉除尘灰尾矿砂替代率变化对强度影响较小，强度极差平均值4.5 MPa。

2.2 强度随替代率变化趋势对比分析

为了更清晰的分析除尘灰替代率和尾矿砂替代率对混凝土立方体抗压强度的影响效果，绘抗压强度随各替代率变化趋势图如图4,图5所示。

由图4可以看出，尾矿砂同一替代率时，复合混凝土抗压强度随高炉除尘灰替代率增加而大幅度减小，变化趋势线呈现直线型下降趋势，说明高炉除尘灰粘结力较水泥相差较大，只能作少量替代，不能够大量替代水泥。其抗压强度随除尘灰替代率变化呈现直线趋势，变化趋势线线性回归方程表达式：

y=-k0x+b

(1)

其中，y为抗压强度，MPa；x为除尘灰替代率，%；k0取值范围：4.63～4.949；b取值范围：40.47～45.651。

由图5可以看出，高炉除尘灰同一替代率时，复合混凝土抗压强度随尾矿砂替代率变化平缓，平均极差仅为4.6 MPa，对强度影响非常小，变化趋势线呈现对数型或幂指数型下降趋势，说明尾矿砂可以作为天然砂的替代品。其抗压强度随尾矿砂替代率变化趋势幂指数或对数型变化，趋势线线性回归方程表达式：

1)抗压强度随尾矿砂替代率幂指数变化趋势线性回归方程：

y=-Klnx+B

(2)

其中，y为抗压强度，MPa；x为尾矿砂替代率，%；K取值范围：0.398～5.04；B取值范围：19.32～39.643。

2)抗压强度随尾矿砂替代率对数型变化趋势线线性回归方程：

y=Cx-k

(3)

其中，y为抗压强度，MPa；x为尾矿砂替代率，%；C取值范围：19.738～39.644；k1取值范围：0.01～0.159。

3 结论

1)本项目通过试验发现随着高炉除尘灰和尾矿砂替代率增加，复合混凝土强度均不同程度降低，随除尘灰替代率增加而降低幅度略大。

2)高炉除尘灰比较适宜的替代率是5%～10%，尾矿砂比较适宜的替代率是10%～20%，强度达到标准混凝土的要求，但其在构件中的其他性能尚需继续研究。

3)随着高炉除尘灰和尾矿砂替代率的增加，混凝土逐渐出现开裂现象，替代率越高开裂越多。考虑到尾矿砂中含泥、高炉除尘灰粘结力不强导致复合混凝土开裂的问题，除尘灰和尾矿砂替代率均要根据实际情况调整。

4)在替代率超过一定范围之后，复合混凝土强度虽达不到标准要求，但可以适用于一些辅助性的建筑用材，比如地基找平层、人行道铺盖板、室外找平层等范围。