1. 前言
目前，高性能混凝土耐久性己成为国际工程界普遍关注的重大课题 [1] [2] 。随着科学技术的发展和人类文明的进步，人类生产活动涉及的范围越来越广，各种在严酷环境下使用的混凝土工程，如跨海大桥、海洋工程核反应堆、电站大坝等不断增多，这些工程关系国计民生，必须实现百年大计甚至千年大计，这就更加要求混凝土具有优异的耐久性即足够长的使用寿命 [3] [4] 。硫铝酸盐水泥基高性能混凝土具有快硬、早强、抗冻、抗渗、微膨胀及耐蚀性，其在寒冷地区、盐碱地区及水工工程中具有独特的优势 [5] [6] 。
铁尾矿化学成分中：氧化硅含量在60%~80%之间，铁含量在5%~15%之间，属高硅和高铁型尾矿。它们一般都经过破碎和分级处理，颗粒较细，级配良好，有些还因经过一定程度的煅烧或化学处理而具有一定的化学活性 [7] 。铁尾矿砂中铁相矿物多以磁铁矿形式存在，铁相矿物含量由生产工艺不同有所变化，一般小于8%，生产工艺落后的，其含量在8%~15%。从铁尾矿的成分上来说符合建筑用砂的指标要求 [8] 。
目前，铁尾矿砂的市场应用也较多，大部分都是应用在普通硅酸盐水泥基混凝土中，且铁尾矿砂普通硅酸盐水泥基混凝土已经广泛应用各类建筑工程中(市政、铁路、高速公路、港口，等)，且铁尾矿砂普通硅酸盐水泥基混凝土工作性能，力学性能，耐久性能都满足相关工程和相关标准的要求 [9] [10] ；而铁尾矿砂在硫铝酸盐水泥基高性能混凝土中的应用基本没有报道。
本文研究铁尾矿砂中石粉含量对硫铝酸盐水泥基高性能混凝土抗渗性能、抗冻性能影响，以适应实际工程所处的特定使用环境。
2. 试验材料、试验仪器、试验设计方案
2.1. 试验材料
水泥：硫铝酸盐水泥(SAC42.5)，初凝和终凝时间分别为26 min、50 min，安定性合格，烧失量2.3%，标准稠度用水量26%，为山东省淄博市淄博特种水泥有限公司；粉煤灰：D类一级灰，细度7.6%，需水量比93%，烧失量0.4%，为山东省济南市济南黄台电厂产；砂S1：天然中粗河砂，含泥量1.1%，泥块含量0.3%，细度模数2.80，颗粒级配良好，为山东省济南市港沟某砂厂产；砂S2：铁尾矿砂，石粉含量1.22%，泥块含量0%，细度模数3.2，颗粒级配一般，表观密度2780 Kg/m3，为山东省济南山钢集团某铁尾矿堆放厂；石粉：专门收集的<0.075 mm的铁尾矿砂细粉，为山东省济南山钢集团某铁尾矿厂收集细粉；碎石：颗粒尺寸5 mm~20 mm，颗粒级配良好，含泥量0.4%，泥块含量0%，针片状颗粒含量5.7%，压碎值7.6%，为山东省济南市莱芜区某石料厂产；外加剂：缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水率 > 30%，来自山东华伟科技有限公司；缓凝剂：硼酸，分析纯，纯度不低于92%，为天津市某化工市场产；水：为自来水。
表1为水泥和粉煤灰的化学成分分析，表2为两种砂S1和S2的性能指标。
Table 1. Chemical composition of sulfur-aluminate cement and fly ash
表1. 硫铝酸盐水泥、粉煤灰的化学成分
Table 2. Technical indicators of natural river sand and iron tailings sand
表2. 天然河砂、铁尾矿砂的技术指标
2.2. 试验仪器
混凝土搅拌机，万能压力机，混凝土抗冻仪，混凝土抗渗仪，混凝土振动台，坍落度筒，含气量筒，抗冻试模，抗渗试模，等等。
2.3. 设计方案
混凝土强度设计标号为C35，其配合比如表3。
Table 3. C35-sulfur-aluminate cement-based high-performance concrete mix ratio
表3. C35-硫铝酸盐水泥基高性能混凝土配合比
3. 试验结果与讨论
试验方案见下表4所示。
Table 4. Test results of slump and gas content of high-performance concrete
表4. 高性能混凝土坍落度和含气量的试验结果
表4为通过调整外加剂的掺量，使不同石粉含量的各组混凝土初始坍落度控制在200 mm~220 mm，以及混凝土含气量控制在1.5%~3.5%之间，然后对比石粉含量对硫铝酸盐水泥基高性能混凝土性能的影响。
3.1. 铁尾矿砂中石粉含量对高性能混凝土抗冻性能的影响
表5为石粉掺量对混凝土抗冻性能的影响。
Table 5. Test results of the influence of stone powder dosage on the freezing resistance of high-performance concrete
表5. 石粉掺量对高性能混凝土抗冻性影响的试验结果
从表5中试验数据可以看出：针对抗冻性指标而言，当坍落度和含气量控制在规定范围时，当石粉掺加到硫铝酸盐水泥基高性能混凝土中，其高性能混凝土冻融循环次数随着石粉掺量的增大而逐渐增多，且石粉掺量越高增加越明显，即石粉掺量越大其抗冻性能越强；例如：2#试样(石粉掺量为0%) 150次就被冻坏，而8#试样和9#试样(石粉掺量为18%和21%)抗冻融循环次数可达200次。另外：其相对动弹性模量随着冻融循环次数的增加而逐渐减小；而其质量损失变化不大。另外，与1#试样(纯河砂)对比，铁尾矿砂混凝土的冻融循环次数较多，即铁尾矿砂混凝土的抗冻性能优于天然河砂。主要原因：因为石粉的加入，填充水泥颗粒的空隙，细化晶粒，降低空隙率，且部分石粉可以作为水化晶粒的结合体，提高水泥水化产物的增长，从而使混凝土硬化结构密实度提到，且石粉的掺量越多，效果越明显。
3.2. 铁尾矿砂中石粉含量对高性能混凝土抗渗性能的影响
表6和图1为石粉含量对混凝土抗渗性能的影响。
Table 6. Test results of the influence of stone powder content on the impermeability of high performance concrete in iron tailings sand
表6. 石粉含量对铁尾矿砂高性能混凝土抗渗性能影响的试验结果
Figure 1. Effect of stone powder content on the impermeability of sulfur aluminate cement-based high performance concrete in iron tailings
图1. 石粉含量对铁尾矿砂硫铝酸盐水泥基高性能混凝土抗渗性能的影响
从表6和图1中试验数据可以看出：针对抗渗性指标而言，当坍落度和含气量控制在规定范围时，当石粉掺加到硫铝酸盐水泥基高性能混凝土中，其高性能混凝土(24 h)的渗水高度随着石粉用量的增加而逐渐下降，且石粉掺量越高渗水高度下降越明显；另外，与1#试样(纯河砂)对比，当石粉掺量低于12%时，其铁尾矿砂混凝土的渗水高度较大，当石粉含量超过12%后，其铁尾矿砂混凝土的渗水高度较低，即石粉超过12%后，其铁尾矿混凝土的抗渗性能优于天然河砂。主要原因为：铁尾矿砂中石粉含量的增加，其混凝土硬化浆体中的有害孔和开闭孔逐渐变少，凝胶孔或毛细孔逐渐变多，提高硬化结构的致密性，即石粉含量的增加将大大改善高性能混凝土内部结构。
4. 结论
(1) 研究表明：铁尾矿砂混凝土的工作性能和抗冻性能、抗渗性能可满足相关国家或行业标准或施工设计的要求。
(2) 随着石粉掺量的增加，其混凝土抗冻性能逐渐提高，且掺量越高其抗冻性能越高。
(3) 铁尾矿砂硫铝酸盐水泥基高性能混凝土中，其混凝土抗渗性能随着石粉掺量的增加而逐渐提高；当石粉掺量超过12%时，其铁尾矿砂混凝土的抗渗性能优于天然河砂。
参考文献
NOTES
*第一作者。