铁尾矿砂对泡沫混凝土力学性质和微观结构的影响

秦 毅

(辽东学院土木工程系，辽宁 丹东 118003)

0 引 言

混凝土内部的孔隙结构和缺陷对混凝土结构的耐久性和力学性质影响较大[1-3]。针对混凝土的上述缺点，学者们研制出了大量的新型混凝土材料来弥补混凝土孔隙结构对其性能的影响，例如再生混凝土、自密实混凝土和纤维混凝土等。与普通硅酸盐混凝土相比，新型混凝土具有强度高、质量轻、耐久性良好等特性，且这些混凝土材料也满足国家提倡的绿色建筑材料的要求。

泡沫混凝土作为一种新型的环保建筑材料，被广泛应用在建筑施工行业中。泡沫混凝土的制备过程不会产生污染环境的废液，而且将铁尾矿等尾矿废弃物作为制备混凝土的骨料，实现了铁尾矿的减量化、无害化、资源化应用[4]，减少了天然砂石材料的使用，为矿区的尾矿无害化处理指明了道路，保护了生态环境，满足了建筑物使用要求[5]。

其中，张静等[6]采用不同发泡剂制备泡沫混凝土，发现了采用微生物发泡制备混凝土的力学性能和保温性能优于采用动物蛋白发泡剂的混凝土。刘鑫等[7]研究冻融循环和浇筑工艺对泡沫混凝土性能的影响，发现整体浇筑混凝土的抗压强度变化幅度和经历冻融循环体积变化率均大于分层浇筑混凝土的性能。宋强等[8]着重对泡沫混凝土的保温和抗压强度性能的研究成果进行了归纳总结，并针对现有研究成果的不足指明后续泡沫混凝土的研究方向。支旭东等[9]研究钢管泡沫混凝土的力学性能，并在Perry-Robertson公式的基础上建立可描述钢管泡沫混凝土力学性能的模型。杨俊等[10]开展了泡沫混凝土材料墙板的抗冲击性能试验，分析了混凝土内部钢筋直径和墙板面积对抗冲击性能的影响。孙小巍等[11]采用石墨尾矿代替天然砂石材料做为骨料，分析了不同石墨尾矿掺量、水灰比和干密度对泡沫混凝土性能的影响。

本文将采用鞍山地区的铁尾矿砂，制备新型铁尾矿砂泡沫混凝土，分析不同水灰比、不同铁尾矿砂替代量和不同材料表观密度条件下的铁尾矿泡沫混凝土力学性能的变化规律，以及分析不同尾矿砂颗粒粒径大小和有无掺加铁尾矿砂的泡沫混凝土抗冻性能和微观结构性能。

1 试验原材料选择

1.1 铁尾矿砂的性能

采用S4PIONEER型X-荧光元素分析仪对所选用铁尾矿砂(取100 g作为试验对象)的化学成分进行测试，得到该铁尾矿砂的化学成分以及所占总试样的质量分数如表1所示。

表1 铁尾矿砂的化学成分及含量

由表1可知，该铁尾矿砂化学成分以二氧化硅和三氧化二铝为主，两者质量占尾矿砂总质量的81.33%。

采用D/MAX-2400型X光粉粒衍射仪对上述铁尾矿的矿物成分进行分析，得到该铁尾矿砂的XRD衍射图谱如图1所示。

图1 铁尾矿砂的XRD衍射图谱

经过XRD检测得到该铁尾矿砂的矿物成分主要有：长石、伊利石、钙硅石和石英。

1.2 其他材料的基本性能

水泥选取阜新水泥厂生产的普通硅酸盐水泥P·O42.5，初凝时间为 1.05 h，终凝时间为 4.25 h，烧失量2.55%，细度3.32%。粉煤灰取自阜新电厂，含水量0.29%，烧失量3.52%，细度90.58%。作为粗细集料的砂、石子就近取材，砂为中砂，石子为王营子煤矿巷道煤矸石，经过破碎处理后的级配石子，中砂采用细度为2.5，含泥量为0.96%，表观密度2 623 kg/m3的河砂。石子的粒径在 5～15 mm 之间，压碎指标为 5.65%，表观密度 2 791 kg/m3。发泡剂采用十二烷基苯磺酸钠，该发泡剂为易溶于水白色粉末状固体。稳泡剂采用聚乙烯醇，粘度为6 570～6 565 mPa·s。

1.3 泡沫混凝土的配合比

制备泡沫混凝土时，需要提前制定出混凝土的配合比，为后续分析铁尾矿砂替代量、材料表观密度和水灰比对混凝土性能影响的分析做铺垫。混凝土的配合比见表2。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

通过控制泡沫的掺量来改变铁尾矿粉泡沫混凝土的表观密度，进而分析表观密度对混凝土性能的影响。表观密度等级和泡沫掺量见表3，其余材料参量均按照编号8的配合比掺入。

表3 表观密度等级和泡沫掺量

2 泡沫混凝土的力学性能分析

2.1 力学性能试验方案

抗压强度试样尺寸为 150 mm×150 mm×150 mm标准立方体，抗折强度试样尺寸为150 mm×150 mm×550 mm标准小梁。抗压试验设备采用辽宁工程技术大学土木工程学院的TAW-2000岩石试验系统，该设备由长春市展拓试验仪器有限公司生产，主要技术参数为：最大轴向试验力2 000 kN，试验力测量误差为±1%。抗折试验设备采用 5 KN-300 KN门式微机控制电子万能试验机，该设备由菱悦试验机产品中心生产，主要技术参数为：试验力为5～300 kN，位移测量精度优于±1.0%。抗压和抗折试验仪器如图2所示。

图2 抗压和抗折试验仪器

抗压试验步骤[12]：1)采用试验无尘纸将混凝土端面和承压板擦除干净后，将混凝土试样放置在承压板上；2)施加一个较小的轴向应力，使得试验机的承压板与试件刚接触，进而调整试样并保证混凝土的轴心与试验机下压板中心对准；3)以一定的速率(0.05 MPa/s)施加轴向荷载直至混凝土试样破坏为止；4)以1 s的时间间隔保存试验数据，并将破坏后的混凝土试样编号保存。

抗折试验与抗压试验差异在于抗折试样需要选定支点和施加荷载点，即从试件一端量起，分别在距混凝土端部的 50，200，350，500 mm处划出标记，分别作为支点 (50 mm和 500 mm处)和加载点(200 mm和350 mm处)的具体位置。抗折试验的加载示意如图3[13]所示。

图3 抗折试验的加载示意（单位：mm）

2.2 力学性能结果分析

根据试验方案和试验步骤绘制出不同铁尾矿砂替代量、水灰比和表观密度条件下混凝土的抗压强度的应力-应变曲线见图4。

图4 混凝土的应力-应变曲线

不同铁尾矿砂替代量、水灰比和不同材料表观密度条件下，铁尾矿泡沫混凝土抗压强度和抗折强度的变化规律见图5。

图5 抗压强度和抗折强度的变化规律

由图5(a)可知，随着铁尾矿替代率的不断增多，铁尾矿泡沫混凝土抗压强度和抗折强度的变化规律都呈现出先增大后减小的变化趋势；当铁尾矿替代率为20%时，泡沫混凝土抗压强度和抗折强度均达到最大值，但是当铁尾矿替代率继续增大后，泡沫混凝土抗压强度和抗折强度的均降低，这是由于铁尾矿砂充填在混凝土的孔隙内部，在一定程度上提升了固体骨架的力学性能；同时，铁尾矿砂的强度要高于河砂的强度，可以较好地弥补泡沫水泥硬化过程中河砂强度偏低的缺点。

由图5(b)可知，随着水灰比的不断增大，铁尾矿泡沫混凝土抗压强度和抗折强度的变化规律也都呈现出先增大后减小的变化趋势，且在水灰比在0.40时混凝土的强度达到最大值，这说明了适当增大的水灰比可以有效提升泡沫混凝土的强度。

由5(c)可知，随着表观密度等级的增大，铁尾矿泡沫混凝土抗折强度和抗压强度的变化规律均呈现增大的趋势，这说明了表观密度对铁尾矿泡沫混凝土的力学性能影响较大，且表观密度越大混凝土的强度越大。

3 铁尾矿砂泡沫混凝土抗冻性分析

3.1 试验方案

抗冻试验步骤为：1)按照试验要求将铁尾矿砂泡沫混凝土制备成 100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱形试件，并养护28 d后放入水中进行试样的饱和(一般浸泡7 d左右)；2)在试样饱和之后取出，并擦去试件表面的水珠，采用精度为0.1 g的电子秤进行称重；3)将不同配合比的试样进行编号，再次放入水中，使得水面高出试样约20 mm；4)将上述试样放入到抗冻箱中进行抗冻试验，将抗冻试验的温度设置为-15～5 ℃，试验冻融循环一定次数（25、50、75和100次）后即可停止试验(必须保证质量损失达到5%以上)；5)每一组试样按照上述步骤反复冻融N次之后，待试样内部完全消融后称重。

3.2 抗冻指标质量损失率的确定

一般混凝土试样在经历冻融循环作用后，其质量会有一定的损失，每一个混凝土试件的质量损失率按下式计算：

式中：Woi——初始质量；

WNi——冻融循环i次后的质量。

对于每一组试样的质量损失率按下式计算：

其中 Δ由3个试件质量损失率的平均值计算得到。

3.3 不同粒径铁尾矿砂混凝土的质量损失率

按照上述试验步骤进行不同粒径铁尾矿砂泡沫混凝土的抗冻试验。选取粒径为15 mm和粒径为20 mm的两种铁尾矿砂，来分析粒径和冻融循环次数对混凝土质量损失率的影响。

绘制出在不同冻融循环次数、不同粒径条件下，铁尾矿砂混凝土的质量损失率变化规律如图6所示。

图6 不同粒径和铁尾矿砂替代率作用下混凝土的质量损失率

由图可知，在不同铁尾矿砂替代率下，泡沫混凝土质量损失率的变化规律随着冻融次数的增大呈现增长的趋势，但是粒径为20 mm的铁尾矿砂泡沫混凝土的质量损失率大于粒径为15 mm的铁尾矿砂泡沫混凝土的质量损失率，造成上述现象的原因是：1)小粒径的铁尾矿砂可以更好地填充泡沫混凝土内部孔隙，有利于提升泡沫混凝土抗冻性能；2)小粒径的铁尾矿砂可以更好地改善泡沫混凝土的传热性能，使得混凝土抗冻性能显著性提升。在同一冻融循环次数下，随着铁尾矿替代率的增加，大粒径铁尾矿砂泡沫混凝土质量损失率变化幅度要小于小粒径的泡沫混凝土，且在铁尾矿砂替代率为30%时泡沫混凝土的质量损失率最小，造成上述现象的原因是：粒径为15 mm的泡沫混凝土的抗冻性更容易受到铁尾矿砂替代率的影响。

综上所述，在铁尾矿砂替代率为30%时，铁尾矿泡沫混凝土的抗冻性能最佳。

3.4 有无铁尾矿砂泡沫混凝土的质量损失率

按照上述试验步骤进行有无铁尾矿砂泡沫混凝土的抗冻试验，得到有无铁尾矿砂泡沫混凝土的质量损失率的变化规律如图7所示。

图7 不同水灰比和有无铁尾矿砂替代率作用下混凝土的质量损失率

由图可知，随着冻融次数的增加，有无铁尾矿砂泡沫混凝土的质量损失率都呈现出增大的趋势，且在冻融次数达到100次时，有铁尾矿的大多在3.5%～4%之间，没有铁尾矿大多在4.8%左右。相对于掺加铁尾矿砂的泡沫混凝土，不掺加铁尾矿砂的泡沫混凝土质量损失率更大，且在水灰比为0.35、冻融50次时，质量损失率相差达到最大3.56%，这说明了掺加铁尾矿砂可以有效地提升泡沫混凝土的抗冻性能。

在泡沫混凝土中掺加铁尾矿砂后，尾矿砂充填在混凝土孔隙结构中，对骨料与砂浆接触面结构的相互联结起到增强作用，使得在冻融循环作用下泡沫混凝土颗粒之间的黏结作用更好，泡沫混凝土更不容易发生表面块体的脱落。对于掺加铁尾矿砂的泡沫混凝土在水灰比为0.40时质量损失率最小，而不掺加铁尾矿砂的破泡沫混凝土也在水灰比为0.40时质量损失率最小，说明了在水灰比为0.40时，铁尾矿泡沫混凝土的抗冻性能最佳。

反应堆压力容器本体螺孔材质为16MND5，主要用于制作核电工程中蒸发器、稳压器、压力容器及封头、支撑部件。螺孔材质 16MnD5力学性能：HB=200，Rm=550-670Mpa，Rp0.2≥400Mpa；螺栓材料为 40NCDV7-0.3力学性能：Rp0.2≥900Mpa,Rm=1000-1170Mpa，HB=302-375。从力学性能来看，螺栓材质的硬度比法兰螺纹的硬度（相差约100HB），螺栓在下旋过程中形成积屑瘤产生高温并在螺纹之间产生塑性变形，使其硬度高于法兰螺孔材质的硬度，积屑瘤在螺栓与螺孔螺纹之间，随着螺栓的旋入在法兰螺纹螺牙上留下了沟痕，造成了螺纹损伤。

4 核磁共振微观结构分析

混凝土在外部环境发生改变时，其内部结构也会受到影响而产生变化，故需要通过微观结构试验来分析不同粒径、有无铁尾矿砂泡沫材料混凝土，在抗冻试验后的微观结构变化。本文采用纽迈公司所生产的MacroMR12-150H-I型核磁共振仪来进行微观结构性试验，该仪器的磁场大小为0.3 T，共振频率 50～60 Hz。

4.1 不同粒径铁尾矿混凝土的试验结果分析

以铁尾矿替代率为30%时的泡沫混凝土的T2图谱作为分析对象，绘制出不同粒径铁尾矿砂泡沫混凝土的孔隙变化分布规律如图8所示。

图8 不同冻融次数作用下泡沫混凝土T2图谱

由图可知，随着冻融次数的增加，泡沫混凝土的T2图谱峰值点都逐渐增大；在同一冻融次数下，粒径为20 mm铁尾矿砂泡沫混凝土的孔径分布要大于粒径为15 mm的铁尾矿砂泡沫混凝土的孔径分布，这是由于大粒径铁尾矿砂泡沫混凝土在经历冻融循环后，内部孔径不断增大导致混凝土结构发生破坏造成的；这也侧面说明了粒径为20 mm铁尾矿砂泡沫混凝土的抗冻性弱于粒径为15 mm铁尾矿砂泡沫混凝土，且粒径为15 mm的铁尾矿砂泡沫混凝土可以有效抑制裂隙的发展，减少孔隙发育和泡沫混凝土的累积损伤。

4.2 有无铁尾矿砂泡沫混凝土的试验结果

为更进一步研究有无铁尾矿混凝土在冻融后微观结构的变化，绘制出水灰比为0.40的泡沫混凝土T2图谱曲线如图9所示。

图9 有无铁尾矿砂泡沫混凝土的T2图谱

由图可知，随着冻融次数的增加，无铁尾矿砂泡沫混凝土的幅值增加幅度大于有铁尾矿砂泡沫混凝土的幅值增加幅度，这是由于无铁尾矿砂混凝土在受到冻融作用后，内部孔隙变化、结构发生失稳破坏造成的。

有铁尾矿砂泡沫混凝土的第二峰值点的幅度值远远小于无铁尾矿砂泡沫混凝土的幅值，尤其在未冻融时有铁尾矿砂泡沫混凝土的第二峰值面积几乎为零，这说明了掺加铁尾矿砂的泡沫混凝土可以有效地防止混凝土内部裂隙的扩展，并降低了泡沫混凝土在冻融作用下孔径进一步扩展的可能，进而提升了泡沫混凝土的抗冻性能。

5 泡沫混凝土的流变性能

测定混凝土流变性能的设备采用美国博乐飞生产的R/S流变仪(见图10)，该流变仪通过控制物料的剪切应力或剪切速率，可以得到物料的流动曲线的变化曲线[14-15]。

图10 R/S流变仪

图11 不同铁尾矿替代率和水灰比的流变曲线和表观粘度曲线

由图11可知，在剪切速率一定时，随着水灰比的增大，泡沫混凝土剪切应力呈现增大的趋势，但是表观粘度值的变化规律呈现出减小的趋势。造成上述现象的原因是：水灰比的增大势必会造成混凝土内部自由水分的增多，使得混凝土内部絮凝团数量减少、体积变小，进而混凝土在转子转动时所受到絮凝结构的阻力也会减小，最后表现为剪切应力和表观粘度都降低。

在剪切速率一定时，随着铁尾矿替代率的增大，泡沫混凝土剪切应力和表观粘度值的变化规律都呈现出减小的趋势。造成上述现象的原因是：1)铁尾矿砂内部含有大量的球状小颗粒，这些颗粒在混凝土中起到类似于“滚珠”的作用，使得混凝土内部颗粒之间的摩擦力减小；2)铁尾矿在水泥水化进程中会充填在混凝土内部孔隙中，会迫使孔隙内部的一些自由水流出，进而提升混凝土浆体的流变性能。

6 结束语

1)有无铁尾矿砂泡沫材料混凝土随着冻融次数的增加，其质量损失率也逐渐增大，在冻融次数达到100次时，有铁尾矿的大多在3.5%～4%之间，没有铁尾矿在4.8%左右。

2)对于掺加铁尾矿砂的泡沫混凝土在水灰比为0.40时质量损失率最小，而不掺加铁尾矿砂的破泡沫混凝土也在水灰比为0.40时质量损失率最小，说明了在水灰比为0.40时，铁尾矿泡沫混凝土的抗冻性能最佳。

3)在同冻融循环次数下，随着铁尾矿替代率的增加，粒径为20 mm的铁尾矿砂泡沫混凝土质量损失率变化幅度要小于粒径为15 mm的泡沫混凝土，且在铁尾矿砂替代率为30%时泡沫混凝土的质量损失率最小，且在铁尾矿砂替代率为30%时，铁尾矿泡沫混凝土的抗冻性能最佳。

4)当铁尾矿替代率为20%时，泡沫混凝土抗压强度和抗折强度的均达到最大值；当水灰比在0.40时混凝土的强度达到最大值；而随着表观密度等级的增大，铁尾矿泡沫抗折强度的变化规律呈现增大的趋势，且抗压强度的变化规律也呈现出增大的趋势。

5)在剪切速率一定时，随着水灰比和铁尾矿替代率的增大，泡沫混凝土剪切应力的变化规律呈现出增大的趋势，且表观粘度值的变化规律也呈现出减小的趋势。