鐵尾礦砂高溫性能試驗研究

魏源,徐國強,2,王興國,2,李凡雨

(1. 華北理工大學 建筑工程學院,河北 唐山 063210;2. 河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063210)

引言

建筑行業中混凝土的應用范圍廣、用量大,消耗了大量的建筑用砂,但由于生態環境遭到破壞,天然河砂已經被禁止開采,實際工程中就開始使用機制砂配制混凝土。鐵尾礦砂為鐵礦石經過選礦廠篩選后,產生的固體廢棄物加工而成的機制砂[1,2],可以用作混凝土的細骨料來代替天然河砂,并在實際建筑工程中得到了應用。建筑火災是所有火災類型中發生頻率最高的,建筑火災發生后,混凝土結構承載力急劇下降[3],火災高溫使混凝土內部的水泥漿體和骨料都發生一定程度的損傷。由于礦石產地和選礦工藝不同,礦物組成和元素組成有明顯差異[4],鐵尾礦砂比普通的機制砂的物質組成成分復雜,除石英、長石外,鐵尾礦砂中還含有高溫作用后易分解的云母、方解石、角閃石等礦物,會對鐵尾礦砂混凝土高溫作用后的力學性能產生影響。已有研究表明,高溫作用會影響混凝土細骨料的性能,陳波等[5]通過對天然砂高溫后的篩分試驗,分析了高溫對混凝土細骨料的影響,研究結果表明,天然砂受熱300 ℃后篩分質量變化不明顯,600 ℃后各粒徑篩分質量變化明顯,300～600 ℃這一溫度區段對天然砂的細度模數、級配、裂縫等性能參數產生影響。另外,機制砂的種類也會影響水泥砂漿和混凝土結構高溫作用后的力學性能,張文妍等[6]研究了不同細骨料對水泥砂漿高溫作用后力學性能的影響,結果表明,溫度為600 ℃時,相比于其它機制砂石灰石機制砂配制的水泥砂漿耐高溫性能更好,硅質骨料中石英晶體在573 ℃會受熱體積膨脹,導致出現裂縫,強度降低,800 ℃時,鈣質骨料中碳酸鈣受熱分解,水化產物徹底脫水分解,水泥砂漿喪失承載能力。高溫作用會影響細骨料的性能參數,繼而對不同種類細骨料水泥砂漿的力學性能產生影響,因此有必要對鐵尾礦砂的高溫性能進行試驗研究。

國內外學許多者對鐵尾礦砂混凝土和鐵尾礦砂水泥砂漿的高溫力學性能進行了研究。Chen Jihao等[7]利用掃描電鏡、X射線衍射儀對鐵尾礦砂高強混凝土高溫作用后的劣化損傷機理進行了研究,研究結果表明,溫度在300 ℃時,高溫高壓環境下催化水泥的二次水化反應,生成更多的水化產物,混凝土的強度略有提高;經歷500℃高溫作用后,由于鐵尾礦砂與水泥漿體的膨脹系數不同,削弱了骨料與水泥漿體之間的界面過渡區,造成混凝土抗壓強度低于常溫狀態下強度。Zhu Qian等[8]研究了不同鐵尾礦砂摻量對高溫作用后再生混凝土力學性能及損傷機理的影響,結果表明,經歷300 ℃高溫作用后,與普通再生骨料混凝土相比,摻加鐵尾礦砂的混凝土強度略有提升,表現出更好的耐高溫性能。李壯[9]分析了鐵尾礦砂的成分構成和骨料性能,并對高溫后鐵尾礦砂混凝土的力學性能進行了研究,結果表明,鐵尾礦砂的熱穩定性差,鐵尾礦砂顆粒過細,用來配制混凝土會導致拌合物和易性差;鐵尾礦砂混凝土經歷100 ℃作用后,混凝土內部自由水蒸發溢出,形成高溫高壓蒸養環境,促使水泥顆粒二次水化反應,軸心抗壓強度略有提高;加熱到500 ℃時,出現強烈的刺激性氣味,鐵尾礦砂中的黃鐵礦和方解石受熱容易分解,導致鐵尾礦砂混凝土強度大幅度降低。王微微等[10]研究了不同鐵尾礦砂摻量的混凝土在高溫作用后的質量損失和抗壓強度的變化規律,結果表明,800 ℃時相比普通混凝土鐵尾礦砂混凝土的質量損失率高1.8%,殘余抗壓強度僅有常溫時抗壓強度的22%,低于普通混凝土強度。MJ Miah等[11]研究了不同鐵尾礦砂摻量對水泥砂漿高溫后孔隙特征和抗壓強度的影響,結果表明,與天然河砂相比,鐵尾礦砂的導熱系數較大,高溫作用后隨著鐵尾礦砂摻量的增加,水泥砂漿試塊表面裂縫增多,水泥砂漿的抗壓強度逐漸降低?，F有研究表明,不同產地的鐵尾礦砂經歷不同溫度作用后性能有所不同,經歷100～300 ℃溫度作用后,鐵尾礦砂混凝土內部水分蒸發形成的高溫蒸養環境促使水泥水化產物增多,混凝土的強度略有提高,溫度高于500 ℃時,鐵尾礦砂中方解石、黑云母等礦物受熱分解導致鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度低于普通混凝土。為此,試驗從鐵尾礦砂和普通機制砂的礦物組成、鐵尾礦砂經歷不同溫度作用后的表觀形貌、質量損失率、鐵尾礦砂和普通機制砂的熱穩定性等方面對鐵尾礦砂的高溫性能進行了研究。

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用的是河北省唐山市的鐵尾礦砂和普通機制砂,使用D/max 2500 PC型高功率X射線衍射儀對烘干后的鐵尾礦砂粉體和普通機制砂粉體進行X射線衍射分析,掃描步長為0.02°,掃描范圍為5°～75°。分析得到該鐵尾礦砂屬于高硅型鐵尾礦,含有石英、黑云母、長石、角閃石、硼鐵等礦物,物質成分復雜,而普通機制砂只含有石英、鈉長石等礦物。

圖1 鐵尾礦砂和普通機制砂的XRD圖譜

鐵尾礦砂細度模數為1.82,表觀密度為2 747 kg/m3,超Ⅲ區下限,屬于過細砂區,普通機制砂的細度模數為2.83,表觀密度為2 627 kg/m3,屬于Ⅱ區中砂,其級配曲線如圖2所示。

圖2 鐵尾礦砂和普通機制砂的篩分變化曲線

1.2 試驗方法及設計

采用高溫電爐進行鐵尾礦砂高溫試驗,升溫曲線如圖3所示,取10份,每份500 g干燥后的鐵尾礦砂樣品,分別加熱至200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃,達到額定溫度后恒溫30 min,待爐內溫度冷卻至400 ℃左右,打開爐門,取出試樣置于空氣中自然冷卻。使用智能3D數碼顯微鏡觀測高溫作用后鐵尾礦砂的表觀形貌,使用天平稱量鐵尾礦砂的質量并計算質量損失率。使用STA449 F3型綜合熱分析儀對鐵尾礦砂和普通機制砂進行熱重-差熱分析(TG-DSC),升溫速率為10 ℃/min,溫度范圍為25～1 000 ℃,氬氣保護。

圖3 高溫電爐升溫曲線

2 試驗結果分析

2.1 高溫作用后鐵尾礦砂的表觀形貌

高溫作用后鐵尾礦砂的表觀形貌能夠直觀地反應鐵尾礦砂的高溫受損形態。使用電熱鼓風干燥箱將鐵尾礦砂烘干(105±5 ℃)至恒重,自然冷卻后取適量樣品置于高溫電爐內,加熱至目標溫度后恒溫30 min。

圖4～圖7為鐵尾礦砂經歷不同溫度后的形貌特征,放大倍數為70倍和300倍。從圖4～圖7可以看出,鐵尾礦砂以黑色砂粒為主,摻雜著少量紅褐色和白色砂粒,鐵尾礦砂多棱角,表面粗糙、有不規則的劃痕,溫度為200 ℃時,鐵尾礦砂顏色無明顯變化,溫度達到400 ℃時,黑色砂粒有部分變為棕色,當溫度為600 ℃時,黑色砂粒變為棕褐色,砂粒表面可以清晰地觀察到裂縫。當溫度為800 ℃時,部分砂粒破碎。溫度從600 ℃上升至1 000 ℃的過程中,黑色砂?？p隙逐步展開,裂縫寬度、長度不斷增大,裂縫數量增多。溫度為1 000 ℃時,黑色砂?？捎^察到寬度為53.12μm的裂縫,白色砂粒變為黃棕色,裂縫呈網狀分布,紅褐色砂粒變為紅棕色,有細小裂縫出現。

圖4 鐵尾礦砂高溫后的表觀形貌特征(70倍)

圖5 鐵尾礦砂高溫后的表觀形貌特征(70倍)

圖6 鐵尾礦砂白色砂粒高溫后的表觀形貌特征

圖7 鐵尾礦砂紅褐色砂粒高溫后的表觀形貌特征

2.2 高溫作用后鐵尾礦砂的質量損失

鐵尾礦砂高溫后的質量損失率可以從量化角度體現,即高溫作用前和高溫作用后的質量差占原質量的百分比,按式(1)計算:

(1)

式中:

I—質量損失率,%;

M—高溫作用前鐵尾礦砂的質量,g;

Mf—高溫作用后鐵尾礦砂的質量,g。

鐵尾礦砂經歷不同溫度(200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃,1 000 ℃)作用后的質量及質量損失率如表1和圖8所示。

表1 高溫作用后鐵尾礦砂的質量損失

圖8 高溫后鐵尾礦砂質量損失率變化曲線

由圖8可知,隨著溫度升高,高溫作用后的鐵尾礦砂質量損失率逐漸增大,在低溫區段(0～200 ℃),損失率達到5.2%,溫度從400 ℃開始,質量損失率緩慢增大,溫度為800 ℃時,質量損失率增長1%左右,直到溫度達到1 000 ℃時,鐵尾礦砂的質量損失率為7.4%。

2.3 鐵尾礦砂和普通機制砂的熱穩定性分析

鐵尾礦砂和普通機制砂的TG-DSC曲線如圖9所示。

由圖9(a)可知,鐵尾礦砂和普通機制砂的質量下降主要發生在200 ℃以下,尤其在25～120 ℃質量分數分別下降5.64%、1.64%,鐵尾礦砂和普通機制砂中礦物的結合水受熱蒸發[12],導致質量下降較快,與普通機制砂相比,鐵尾礦砂的細度模數小,細小顆粒多,比表面積大,因此鐵尾礦砂中含有的結合水比普通機制砂多。在整個升溫過程中鐵尾礦砂和普通機制砂質量下降分別為7.71%、1.64%,鐵尾礦砂質量分數減小量相當于普通機制砂的4.7倍,普通機制砂物質成分相對穩定,失去結合水后質量變化較小。

由圖9(b)可知,573 ℃附近吸熱峰對應鐵尾礦砂和普通機制砂中的石英晶體由α相轉化為β相[13],體積膨脹約0.85%[6],硅質砂粒內部出現裂縫,溫度為721 ℃時,鐵尾礦砂中黑云母礦物繼續吸收熱量發生分解反應[14],質量下降較快。

由此得出,溫度從室溫上升到1 000 ℃的過程中,鐵尾礦砂的物質成分極不穩定,受熱易分解或變形,導致鐵尾礦砂的裂縫、質量損失率逐漸增大,與普通機制砂相比,鐵尾礦砂的熱穩定性較差。

3 結論

(1)鐵尾礦砂和普通機制砂的主要礦物成分均為二氧化硅,屬于硅質骨料,但鐵尾礦砂成分組成比普通機制砂復雜,除石英、長石外,鐵尾礦砂中還含有黑云母、角閃石、硼鐵等礦物。

(2)常溫狀態下,鐵尾礦砂以黑色砂粒為主,摻雜少量紅褐色、白色砂粒,鐵尾礦砂表面粗糙、多棱角。高溫作用后的鐵尾礦砂,黑色砂粒逐漸變為棕褐色,紅褐色砂粒逐漸變為紅棕色,白色砂粒顏色變為黃棕色,經歷600 ℃高溫后,黑色砂?？梢钥吹角逦牧芽p,隨著溫度升高,縫隙逐步開展,裂縫寬度、長度增大,裂縫數量增多,鐵尾礦砂在800 ℃溫度作用后,部分砂粒破裂,溫度為1000 ℃時,黑色砂粒裂縫寬度可達53.12 μm,白色砂粒裂縫呈網狀分布,紅褐色砂粒有細小裂縫出現。

(3)高溫作用后的鐵尾礦砂,隨著受熱溫度升高,質量損失率逐漸增大,大部分質量損失發生在200 ℃以下,經歷溫度為400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃作用后,質量損失率緩慢增加,經1 000 ℃高溫作用后,鐵尾礦砂質量損失率為7.4%。

(4)與普通機制砂相比,鐵尾礦砂的熱穩定性差,當溫度為120 ℃時,鐵尾礦砂內部的結合水蒸發質量下降5.64%;當溫度為573 ℃時,石英礦物晶型發生改變,由α相轉化為β相;當溫度為1 000 ℃時,鐵尾礦砂質量降低7.71%,是普通機制砂質量分數減小量的4.7倍。