·1492 工程科学学报，第37卷，第11期 比，铁尾矿的综合利用率以及经济价值均较低。与此 泥.因而，可以初步预测铁尾矿粉能够发挥降低ECC基 同时，由于基础设施建设规模的扩展，我国部分地区已 体断裂韧度的作用.以此为理论依据，本文探索了采用 经突显出粉煤灰短缺的局面.因此，基于铁尾矿综合 磨细铁尾矿（铁尾矿粉）代替粉煤灰作为ECC中的矿物 利用以及为ECC的本地化提供更多原材料选择的目 掺合料的可行性，主要研究了铁尾矿粉掺量对ECC拉 的，本研究考虑同时采用原始铁尾矿（铁尾矿砂）作为 伸特性和抗压强度的影响，并比较研究了铁尾矿粉ECC 细骨料和磨细铁尾矿（铁尾矿粉）代替粉煤灰作为矿 和传统粉煤灰ECC的宏观力学性能. 物掺合料制备出高掺量铁尾矿ECC. 1 实验 采用铁尾矿粉作为矿物掺合料遵循了ECC的微观 力学理论原理.根据ECC的微观力学设计准则，实现多 1.1原材料和配比设计 缝开裂以及应变硬化需要限制基体的断裂韧度.前 实验原料包括水泥(C)、粉煤灰(FA)、铁尾矿、聚 人四研究工作表明采用粉煤灰代替水泥可有效降低基 乙烯醇(poly-vinyl alcohol,.PVA)纤维、聚羧酸减水剂 体的断裂韧度，增强ECC的延性.这主要是由于粉煤灰 和自来水.水泥为ASTM Type I波特兰水泥；粉煤灰为 的化学活性明显低于水泥，采用粉煤灰替代部分水泥之 ASTM Class F粉煤灰，细度为45μm筛余16.85%，需 后，水化产物数量减少，从而降低了基体断裂韧度.铁 水量97%，密度为2.45gcm3,28d强度活性指数 尾矿由结晶良好的矿物组成，室温下在水泥基材料中呈 92%:铁尾矿中Si02的质量分数达69.5%，主要矿物 惰性.铁尾矿经机械力化学活化制成细粉之后，表现出 为石英，属于高硅鞍山型铁尾矿 ·水泥、粉煤灰以及 定的反应活性，但其反应活性依旧低于粉煤灰或水 铁尾矿的化学组成如表1所示 表1 水泥、粉煤灰以及铁尾矿的成分（质量分数） Table 1 Composition of cement,fly ash and iron ore tailings 原料 Ca0 SiO2 Al203 Fe203 S03 Mgo K20 Na0 烧失量 水泥 65.34 19.59 4.49 2.73 4.13 0.38 0.43 2.64 粉煤灰 14.04 44.00 23.21 8.39 1.46 0.99 0.56 铁尾矿 4.14 69.52 7.44 8.23 0.03 3.72 1.97 1.40 2.51 根据前期研究结果四，采用原始的铁尾矿（称为 粉煤灰ECC的宏观力学性能，在配比E2~E4的基础 铁尾矿砂)作为ECC中的细骨料.该铁尾矿砂的平均 上采用粉煤灰作为矿物掺合料，设计了配比F1~F3. 粒径为140m,最大粒径为300μm.将同种铁尾矿砂 对于每个配比，聚乙烯醇纤维的体积掺量固定为2%， 进行粉磨以制备铁尾矿粉.铁尾矿粉被用作ECC中矿 前人的研究结果显示圆，新拌ECC基体料浆的黏度应 物掺合料，其比表面积为750m2·kg,特征粒径Dso为 控制在合理范围才能获得良好的纤维分散均匀性.若 5m,Do为35μm·根据ASTM C311可标准，测试铁 以马氏锥流动时间来间接表示料浆黏度，应将马氏锥 尾矿粉的强度活性指数，结果显示该铁尾矿粉的28d 流动时间控制在(30±5)s.实验中，通过调整减水剂 强度活性指数为82%. 掺量（减水剂占粉体材料的质量百分比）将各配比基 采用日本kurary公司生产的聚乙烯醇纤维作为增 体料浆的马氏锥流动时间都控制为(30±5)s. 强材料，该纤维被广泛使用于ECC的研究当中.聚乙 1.2试件制备和测试 烯醇纤维直径39μm,长度12mm,弹性模量42.8GPa, 根据传统ECC的成型流程制备试件m.对于表2 拉伸强度1620MPa,延伸率6.0%，纤维表面涂覆了与 中的每个配比，分别浇筑三个50×50×50mm3立方体 纤维质量比为1.2%的油涂层. 试件以测试抗压强度和三个狗骨状试件以测试拉伸特 ECC的配比设计如表2所示.其中，配比E1~E4 性.狗骨状试件的几何尺寸见文献8].另外，将配比 以铁尾矿粉为矿物掺合料制备出铁尾矿粉ECC.固定 E1~E4的基体料浆（不含纤维）分别成型三个 砂胶质量比为0.36、水胶质量比为0.26，改变铁尾矿 304.8mm×76.2mm×31.8mm梁试件以测试基体断 粉的掺量，使得铁尾矿粉与水泥质量比（为叙述方便， 裂韧度.试件在成型24h之后拆模，接着用湿布包裹 采用P/C表示)分别为0.6、1.2、2.2和4.4.当P/C 并置于塑料袋中，在实验室环境下((23±3)℃)进行 为0.6、1.2、2.2和4.4时，铁尾矿粉ECC中对应铁尾 养护，养护龄期为28d. 矿（铁尾矿砂+铁尾矿粉）的总用量分别为996.0、 采用单轴拉伸试验表征ECC的拉伸特性，加载速 1159.8、1335.3和1492.9kgm3,分别占固体基体原 率控制为0.5mm'min.试件变形监测区的长度范围 材料总质量的54.0%、66.6%、77.0%和86.4%.为了 为(100±2)mm,在试件两侧装置两套线性变形传感 对比在不同矿物掺合料用量下铁尾矿粉ECC与传统 器(LVDT)以记录监测区长度的变化，最终长度变化工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 比，铁尾矿的综合利用率以及经济价值均较低． 与此 同时，由于基础设施建设规模的扩展，我国部分地区已 经突显出粉煤灰短缺的局面． 因此，基于铁尾矿综合 利用以及为 ECC 的本地化提供更多原材料选择的目 的，本研究考虑同时采用原始铁尾矿( 铁尾矿砂) 作为 细骨料和磨细铁尾矿( 铁尾矿粉) 代替粉煤灰作为矿 物掺合料制备出高掺量铁尾矿 ECC． 采用铁尾矿粉作为矿物掺合料遵循了 ECC 的微观 力学理论原理． 根据 ECC 的微观力学设计准则，实现多 缝开裂以及应变硬化需要限制基体的断裂韧度． 前 人［3］研究工作表明采用粉煤灰代替水泥可有效降低基 体的断裂韧度，增强 ECC 的延性． 这主要是由于粉煤灰 的化学活性明显低于水泥，采用粉煤灰替代部分水泥之 后，水化产物数量减少，从而降低了基体断裂韧度． 铁 尾矿由结晶良好的矿物组成，室温下在水泥基材料中呈 惰性． 铁尾矿经机械力化学活化制成细粉之后，表现出 一定的反应活性，但其反应活性依旧低于粉煤灰或水 泥． 因而，可以初步预测铁尾矿粉能够发挥降低 ECC 基 体断裂韧度的作用． 以此为理论依据，本文探索了采用 磨细铁尾矿( 铁尾矿粉) 代替粉煤灰作为 ECC 中的矿物 掺合料的可行性，主要研究了铁尾矿粉掺量对 ECC 拉 伸特性和抗压强度的影响，并比较研究了铁尾矿粉 ECC 和传统粉煤灰 ECC 的宏观力学性能． 1 实验 1. 1 原材料和配比设计 实验原料包括水泥( C) 、粉煤灰( FA) 、铁尾矿、聚 乙烯醇( poly-vinyl alcohol，PVA) 纤维、聚羧酸减水剂 和自来水． 水泥为 ASTM Type I 波特兰水泥; 粉煤灰为 ASTM Class F 粉煤灰，细度为 45 μm 筛余 16. 85% ，需 水量 97% ，密 度 为 2. 45 g·cm － 3，28 d 强度 活 性 指 数 92% ; 铁尾矿中 SiO2 的质量分数达 69. 5% ，主要矿物 为石英，属于高硅鞍山型铁尾矿［4］． 水泥、粉煤灰以及 铁尾矿的化学组成如表 1 所示． 表 1 水泥、粉煤灰以及铁尾矿的成分( 质量分数) Table 1 Composition of cement，fly ash and iron ore tailings % 原料 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO K2O Na2O 烧失量 水泥 65. 34 19. 59 4. 49 2. 73 — 4. 13 0. 38 0. 43 2. 64 粉煤灰 14. 04 44. 00 23. 21 8. 39 1. 46 — — 0. 99 0. 56 铁尾矿 4. 14 69. 52 7. 44 8. 23 0. 03 3. 72 1. 97 1. 40 2. 51 根据前期研究结果［2］，采用原始的铁尾矿( 称为 铁尾矿砂) 作为 ECC 中的细骨料． 该铁尾矿砂的平均 粒径为 140 μm，最大粒径为 300 μm． 将同种铁尾矿砂 进行粉磨以制备铁尾矿粉． 铁尾矿粉被用作 ECC 中矿 物掺合料，其比表面积为 750 m2 ·kg － 1，特征粒径 D50为 5 μm，D90为 35 μm［4］． 根据 ASTM C311［5］标准，测试铁 尾矿粉的强度活性指数，结果显示该铁尾矿粉的 28 d 强度活性指数为 82% ． 采用日本 kurary 公司生产的聚乙烯醇纤维作为增 强材料，该纤维被广泛使用于 ECC 的研究当中． 聚乙 烯醇纤维直径 39 μm，长度 12 mm，弹性模量 42. 8 GPa， 拉伸强度 1620 MPa，延伸率 6. 0% ，纤维表面涂覆了与 纤维质量比为 1. 2% 的油涂层． ECC 的配比设计如表 2 所示． 其中，配比 E1 ～ E4 以铁尾矿粉为矿物掺合料制备出铁尾矿粉 ECC． 固定 砂胶质量比为 0. 36、水胶质量比为 0. 26，改变铁尾矿 粉的掺量，使得铁尾矿粉与水泥质量比( 为叙述方便， 采用 IP /C 表示) 分别为 0. 6、1. 2、2. 2 和 4. 4． 当 IP /C 为 0. 6、1. 2、2. 2 和 4. 4 时，铁尾矿粉 ECC 中对应铁尾 矿( 铁尾 矿 砂 + 铁 尾 矿 粉) 的 总 用 量 分 别 为 996. 0、 1159. 8、1335. 3 和 1492. 9 kg·m － 3，分别占固体基体原 材料总质量的 54. 0% 、66. 6% 、77. 0% 和 86. 4% ． 为了 对比在不同矿物掺合料用量下铁尾矿粉 ECC 与传统 粉煤灰 ECC 的宏观力学性能，在配比 E2 ～ E4 的基础 上采用粉煤灰作为矿物掺合料，设计了配比 F1 ～ F3． 对于每个配比，聚乙烯醇纤维的体积掺量固定为 2% ． 前人的研究结果显示［6］，新拌 ECC 基体料浆的黏度应 控制在合理范围才能获得良好的纤维分散均匀性． 若 以马氏锥流动时间来间接表示料浆黏度，应将马氏锥 流动时间控制在( 30 ± 5) s． 实验中，通过调整减水剂 掺量( 减水剂占粉体材料的质量百分比) 将各配比基 体料浆的马氏锥流动时间都控制为( 30 ± 5) s． 1. 2 试件制备和测试 根据传统 ECC 的成型流程制备试件［7］． 对于表 2 中的每个配比，分别浇筑三个 50 × 50 × 50 mm3 立方体 试件以测试抗压强度和三个狗骨状试件以测试拉伸特 性． 狗骨状试件的几何尺寸见文献［8］． 另外，将配比 E1 ～ E4 的 基 体 料 浆 ( 不 含 纤 维) 分 别 成 型 三 个 304. 8 mm × 76. 2 mm × 31. 8 mm 梁试件以测试基体断 裂韧度． 试件在成型 24 h 之后拆模，接着用湿布包裹 并置于塑料袋中，在实验室环境下( ( 23 ± 3) ℃ ) 进行 养护，养护龄期为 28 d． 采用单轴拉伸试验表征 ECC 的拉伸特性，加载速 率控制为 0. 5 mm·min － 1 ． 试件变形监测区的长度范围 为( 100 ± 2) mm，在试件两侧装置两套线性变形传感 器( LVDT) 以记录监测区长度的变化，最终长度变化 · 2941 ·