一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土

技术领域

本发明涉及土木工程中建筑材料领域，具体涉及一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土。

背景技术

冻融破坏是指混凝土在吸水饱和状态下因一冻一融的循环往复作用而力学性能降低、表面浆体剥落的现象，主要发生在处于寒冷地区的混凝土结构经常与水接触的部位，冻融破坏的发生严重影响着混凝土结构的耐久性。在混凝土结构的使用年限内，因冻融作用而使建筑物破坏的工程实施例数不胜数。如北引总干渠的农道桥桥墩因其混凝土没有达到抗冻要求，在运行30年后，水位变化区内骨料外漏严重，最大剥蚀深度达到200mm；尼尔基水利枢纽电站厂房在运行4年后，发现闸墩处于水位变化区域的混凝土出现冻融剥蚀破坏，最大剥蚀深度达到100mm，钢筋局部外漏；除此之外，机场道面同样存在冻融破坏，大部分机场道面在投入运行很短时间内就因冻融作用大面积出现表层开裂、起皮、脱落的问题，对飞机行驶安全构成安全隐患。这种未达到使用年限，建筑物就破坏的情况造成严重的资源、能源的浪费。

目前工程上主要以粉煤灰作为矿物掺合料，碎石、河砂作为粗、细骨料来配制混凝土，或者掺加引气剂来提高混凝土的抗冻性能。然而，随着混凝土在建筑行业的大规模应用，多个省市已经发布混凝土行业风险提示，水泥、粉煤灰等原材料价格都有不同程度的上涨，且这些原材料十分紧缺，不能满足目前混凝土行业的供求量。除此之外，引气剂主要是靠增加混凝土内部微小气泡含量以及减小气泡间距系数来提高混凝土的抗冻性能，但是引气剂含量过高时可能对混凝土强度和抗冻性能产生不利影响。

目前，铁尾矿在混凝土领域的应用已经有了一定的进展，并且已有研究表明铁尾矿所配制混凝土的各性能均满足规范要求。

现有技术1，普遍使用粉煤灰作为矿物掺合料，普通碎石、河砂作为粗、细骨料来配制混凝土。粉煤灰作掺合料对混凝土抗冻性能有一定的改善作用，但是并不能达到高抗冻性能；而且目前由于环保意识的增强，燃煤电厂逐步减少，粉煤灰的产量不断减少且价位不断攀升，使这种粉煤灰混凝土成本升高。

现有技术2，普遍在搅拌混凝土时掺加一定剂量的引气剂来增加混凝土内微小气泡的含量、减小气泡间距系数，从而提高混凝土的抗冻性能。但是，引入引气剂后混凝土内部含气量不容易控制，可能对混凝土强度等性能产生不利影响。

现有技术3，在掺加粉煤灰和引气剂的基础上，加入硅藻土来提高混凝土的抗冻性能。但是所加入硅藻土的含量仅占水泥质量的1％-1.5％，并不能缓解目前水泥、粉煤灰货源缺乏的局面；而且与不掺加硅藻土的同类混凝土相比，其抗冻性能仅有较低程度的提高(例如公布号CN 109678428 A的发明专利申请)。

现有技术4，发明专利CN103771783A提供了一种应用于路面的铁尾矿砂水泥混凝土路面材料，但仅能保证这种铁尾矿砂水泥混凝土的抗压强度、抗折强度等力学性能满足公路各项技术指标要求，并没有对其抗冻性能进行研究。同时本专利研究表明只有铁尾矿粉具有较好的微集料填充作用，才能能保证所配制混凝土的致密性，进而导致铁尾矿混凝土具有超强的抗冻融性能；仅用铁尾矿砂作为混凝土细骨料，铁尾矿砂的高吸水性反而会降低混凝土的抗冻融性能。若路面所用混凝土的抗冻性能不足的话就会导致路面因冻融作用而导致裂缝的产生，对路面的正常使用造成严重影响。

现有技术5，发明专利CN104402335A所用铁尾矿粉经过磁化还原焙烧处理，化学成分中以氧化铁为主，二氧化含量仅为25％左右；将上述铁尾矿粉取代矿渣粉或粉煤灰作为掺合料应用于混凝土中，通过调整水胶比得到具备工作性能和力学性能的混凝土；其中仅给出了铁尾矿粉的平均粒径，根据此平均粒径并不能保证铁尾矿粉具有较好的微集料填充作用，不能保证所配制混凝土的致密性，当然更不能保证混凝土具有超强抗冻性能；同时该专利并没有对其抗冻性能进行研究。同时本发明所用铁尾矿粉为自然选矿未经处理且化学成分主要以二氧化硅为主，含量高达60％，而且所配制混凝土除满足抗压强度外还达到超强抗冻性能。

综上可知，现有技术多是在粉煤灰作掺合料并且掺加引气剂的基础上，掺加其他种类外加剂来提高混凝土的抗冻性，并没有寻找替代粉煤灰的新材料，而且对混凝土抗冻性能的提高只是在很小的范围内，并没有超强抗冻性能。因此，亟需研究一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土，既具有超强抗冻性能又能缓解粉煤灰紧缺的局面，同时将铁尾矿这种废弃物充分利用的新型混凝土。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种强度等级为C30和C40的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土，减少由于混凝土抗冻性能较低而造成的建筑物破坏现象的发生；选择铁尾矿粉作为混凝土掺合料，在实现混凝土超强抗冻性能的同时，充分利用铁尾矿，缓解铁尾矿大量堆积导致的土地资源浪费、周围环境污染等问题。

本发明涉及一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土，强度等级为C30和C40。每立方米混凝土所用原材料为水泥250～400kg,铁尾矿粉100～200kg，细骨料(河砂)700～800kg，粗骨料(普通碎石)950～1100kg，水150～200kg，减水剂1.5～3kg。

本发明中，胶凝材料为水泥和铁尾矿粉，且水泥：铁尾矿粉质量比(下同)为1:0.3-0.5。

本发明中，水泥为普通硅酸盐水泥。

本发明中，掺合料为经球磨机机械粉磨后，比表面积在475m

本发明中，细骨料为细度模数为2.5-3，Ⅱ区中砂，吸水率为1-1.5％的河砂。

本发明中，粗骨料为5～25mm连续级配，压碎指标为9％,吸水率为0.4％的普通碎石。

本发明中，减水剂为固含量为30-50％，减水率为20-30％的聚羧酸高效减水剂。

例如，优选的，本发明技术方案可以如下：

一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土，强度等级为C30和C40。每立方米混凝土所用原材料为水泥290～361kg,铁尾矿粉124～155kg，河砂729～767kg，普通碎石1007～1059kg，水170kg，减水剂2.07～2.58kg。

优选的，胶凝材料为水泥和铁尾矿粉，且水泥：铁尾矿粉为1:0.43。

优选的，水泥为P·O 42.5R普通硅酸盐水泥。

优选的，掺合料为经球磨机机械粉磨后，比表面积在450m

优选的，细骨料为细度模数为2.7，Ⅱ区中砂，吸水率为1.10％的河砂。

优选的，粗骨料为5～25mm连续级配，压碎指标为9％,吸水率为0.4％的普通碎石。

优选的，减水剂为固含量为40％，减水率为25％的聚羧酸高效减水剂。

本发明提供的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土中，铁尾矿粉作为矿物掺合料取代30％的水泥，铁尾矿粉优良的微集料填充作用大大降低了混凝土内部的有害孔含量，提高了无害孔及少害孔含量，使混凝土内部孔结构在很大程度上得到优化，从而使混凝土达到高抗冻性。

具体而言，本发明的有益效果如下：

利用铁尾矿配制超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土技术，采用铁尾矿粉取代30％左右的水泥作掺合料，与河砂、碎石经搅拌制成超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土。

本发明中铁尾矿粉混凝土具备超强抗冻性能。本发明中C30强度等级铁尾矿粉混凝土抗冻等级达到F1000，抗冻性能较同水胶比粉煤灰混凝土提高了8倍；C40强度等级铁尾矿粉混凝土抗冻等级达到F1450，抗冻性能较同水胶比粉煤灰混凝土提高了8.43倍。本发明中超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土具有优良的孔结构以及密实程度，大大提高了混凝土的抗冻性能。

本发明利用了铁尾矿。本发明中，用铁尾矿粉取代粉煤灰作掺合料，缓解了铁尾矿堆积带来的占用土地和环境污染问题；同时由于本发明的实施，可以缓解粉煤灰价格上涨以及短缺的问题。

附图说明

图1为实施例1中强度等级为C30的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土与现有技术1a中同水胶比的粉煤灰混凝土的相对动弹性模量随冻融循环次数的变化曲线；

图2为实施例1中强度等级为C30的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土与现有技术1a中同水胶比的粉煤灰混凝土的质量损失率随冻融循环次数的变化曲线；

图3为实施例2中强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土与现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土的相对动弹性模量随冻融循环次数的变化曲线；

图4为实施例2中强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土与现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土的质量损失率随冻融循环次数的变化曲线；

图5为现有技术1a中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环375次)的冻融结束后的切割面图；

图6为实施例1中强度等级为C30的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1025次)的冻融结束后的切割面图；

图7为现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环425次)的冻融结束后的切割面图；

图8为实施例2中强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1525次)的冻融结束后的切割面图；

图9为实施例2中强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1525次)的冻融结束后的粗骨料与浆体的界面过渡区的扫描电镜图；

图10为现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环425次)的冻融结束后的粗骨料与浆体的界面过渡区的扫描电镜图；

图11为实施例2中强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1525次)冻融结束后的浆体部分的扫描电镜图；

图12为现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环425次)的冻融结束后的浆体部分的扫描电镜图；

图13为实施例2中强度等级为C30的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土在冻融循环前的扫描电镜图对比；

图14为现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土在冻融循环前的扫描电镜图对比。

具体实施方式

为便于理解本发明，现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明，不应视为对本发明的具体限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

为进一步阐述本发明，下面结合实施例对本发明一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土作进一步的详细说明。

所用原材料为：P·O 42.5R普通硅酸盐水泥；铁尾矿粉取自河北省迁安市蔡园镇：铁尾矿粉经球磨机粉磨后，比表面积为475m

实施例1

本发明提供一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土，强度等级为C30。每立方米混凝土由414kg胶凝材料、170kg水、767kg细骨料、1059kg粗骨料以及2.07kg减水剂经搅拌而成。

实施例2

本发明提供一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土，强度等级为C40。每立方米混凝土由516kg胶凝材料、170kg水、729kg细骨料、1007kg粗骨料以及2.58kg减水剂经搅拌而成。

实施例1、2中，所述胶凝材料为水泥和铁尾矿粉，铁尾矿粉对水泥的取代比例为30％，水泥：铁尾矿粉的质量比为1:0.43。

实施例1、2中，水泥为P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，实测28d抗压强度为52.5MPa。

实施例1、2中，选用经球磨机粉磨后，比表面积在450m

实施例1、2中，细骨料为河砂，细度模数为2.7，Ⅱ区中砂，吸水率为1.10％。

实施例1、2中，粗骨料为普通碎石，5～25mm连续级配，压碎指标为9％，吸水率为0.4％。

实施例1、2中，减水剂为固含量为40％，减水率为25％的聚羧酸高效减水剂。

实施例1、2中，水为市政用水。

实施例1、2中，铁尾矿粉为选矿后的工业废渣，经过水洗、筛分后获得。

现有技术1a

现有技术1a的每立方米混凝土由414kg胶凝材料、170kg水、754kg细骨料、1041kg粗骨料以及2.07kg减水剂经搅拌而成。

现有技术1b

现有技术1b的每立方米混凝土由516kg胶凝材料、170kg水、713kg细骨料、984kg粗骨料以及2.58kg减水剂经搅拌而成。

上述现有技术中，所述胶凝材料为水泥和粉煤灰，粉煤灰对水泥的取代比例为30％，水泥：粉煤灰的质量比为1:0.43。

水泥为普通硅酸盐水泥P·O 42.5R水泥，实测28d抗压强度为52.5MPa。

采用F类Ⅱ级粉煤灰作为掺合料，比表面积在410m

细骨料为河砂，细度模数为2.7，Ⅱ区中砂，吸水率为1.10％。

粗骨料为普通碎石，5～25mm连续级配，压碎指标为9％,吸水率为0.4％。

减水剂为固含量为40％，减水率为25％的聚羧酸高效减水剂。

水为市政用水。

将按上述材料制得的混凝土依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中快冻法试验规定，每组混凝土制作3块100mm×100mm×400mm棱柱体试块，在相对温度20±2℃，相对湿度不小于95％的环境中标准养护24d，在进行冻融试验之前试块应在(20±2)℃常温水中浸泡4d，取出后擦干试块表层水分并测各混凝土试块的初始横向基频和质量，测量结束后将试块放入冻融箱内开始试验，试验过程中应保证试块中心最低温度和最高温度分别控制在(-18士2)℃和(5士2)℃内且每次冻融循环时间在(2-4)h内完成。每经过25次冻融循环后取出试块再次测量试块质量和横向基频，应保证试块横向基频和质量的测试在试块表面无水分和杂质的情况下进行并且各项数据测完后将试块颠倒上下位置重新放入冻融箱内继续试验，直至混凝土的相对动弹性模量低于60％或质量损失率超过5％。混凝土质量损失率和相对动弹性模量均按照现行标准GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定方法计算，应以三个试块的平均值作为测定值。

表1本发明高抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土冻融后的性能测试

本发明的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土实施例1，水胶比为0.41，28d抗压强度达到40.47Mpa(强度等级为C30)，在试验室快速冻融条件下经过1000次冻融循环后相对动弹性模量才低于60％，质量损失率仅为1.849％；与现有技术1a中同水胶比粉煤灰混凝土的相对动弹性模量在冻融循环125次就已经低于60％相比，本发明的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土抗冻等级达到F1000，抗冻性能提高了8倍。相对动弹性模量和质量损失率随冻融循环次数的变化曲线见图1、2。

本发明的高抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土实施例2，水胶比为0.33，28d抗压强度达到49.70Mpa(强度等级为C40)，在试验室快速冻融条件下经过1475次冻融循环后相对动弹性模量才低于60％，质量损失率为4.959％。与现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土的相对动弹性模量在冻融循环175次就已经低于60％相比，本发明的高抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土抗冻等级达到F1450，抗冻性能提高了8.43倍。相对动弹性模量和质量损失率随冻融循环次数的变化曲线见图3、4。

水胶比为0.41、0.33的现有技术1a、现有技术1b的粉煤灰混凝土分别在冻融循环375次、425次断裂后已变酥，有肉眼可见的裂缝，粗骨料及浆体可轻易取下，已基本没有强度。而本发明的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土实施例1、2(水胶比分别为0.41、0.33，强度等级分别为C30、C40)在冻融循环1025次、1525次后切割面仍较平整，没有肉眼可见的裂缝，通过抗压试验可以较为准确的确定其剩余强度(见表1)。

图5、6为实施例1的强度等级为C30的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1025次)与现有技术1a中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环375次)的冻融结束后的切割面对比；图7、8为实施例2的强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1525次)与现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环425次)的冻融结束后的切割面对比；图9、10为实施例2的强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1525次)与现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环425次)的冻融结束后的粗骨料与浆体的界面过渡区的扫描电镜图；图11、12为实施例2的强度等级为C40的一种超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土(冻融循环1525次)与现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土(冻融循环425次)的冻融结束后的浆体部分的扫描电镜图。

对本发明的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土实施例2在冻融1525次后、现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土冻融425次后进行扫描电镜试验(图9、10)，由图可知，本发明的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土冻融试验结束后的粗骨料与浆体的界面过渡区仅有较细的小裂缝存在，而同水胶比的现有技术1b粉煤灰混凝土的界面过渡区却有较为明显的宽裂缝。本发明冻融1525次后的浆体部分的裂缝宽度明显小于同水胶比的现有技术1b冻融425次后的裂缝宽度(图11、12)。

对本发明的超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土实施例2以及现有技术1b中同水胶比的粉煤灰混凝土在冻融循环前进行扫描电镜试验(图13、14)。由图可知，现有技术1b粉煤灰混凝土中存在较多孔隙，孔径较大且形成许多连通孔，而本发明实施例1超强抗冻性能绿色铁尾矿粉混凝土中内部孔隙被铁尾矿粉填充，使内部微观结构更加致密、孔洞数量及松散度远低于现有技术1b粉煤灰混凝土，对降低混凝土冻融破坏程度提供有利条件，为本发明提供了理论依据。

与现有技术中以粉煤灰为掺合料或者在粉煤灰作掺合料的基础上掺加引气剂、硅藻土相比，本发明仅采用铁尾矿粉取代30％水泥，并没有掺加引气剂或其他材料，使混凝土搅拌工艺流程更加简单。而且本发明采用铁尾矿粉取代粉煤灰作掺合料，在提高铁尾矿利用水平的同时，缓解了粉煤灰缺乏及价格上涨的现状。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。