将铁尾矿作为细骨料应用于现浇混凝土中：在硫酸盐和氯离子共同腐蚀作用下的耐久性评估

《Sustainable Materials and Technologies》：Application of iron tailings as fine aggregates in cast-in-situ concrete: The durability evaluation under sulfate and chloride combined corrosion

铁尾ings混凝土在硫酸盐-氯离子复合腐蚀下的耐久性机制研究，制备0%、25%、50%替代率试件，分析四种腐蚀条件下的性能演变、矿物相变及孔隙结构特征，发现25%替代率通过协同物理/化学屏障作用最优，过量降低耐久性，生命周期评估证实环保效益显著。

　　
铁尾矿基混凝土在硫酸盐-氯盐复合腐蚀环境中的性能与机制研究

一、研究背景与意义
随着中国城市化进程的加速，混凝土年消耗量已突破3亿吨，成为继水之后第二大建材。传统混凝土面临三大挑战：天然骨料资源枯竭、生产能耗高（约占总建材能耗的60%）、废弃物污染严重。以陕西为例，铁尾矿年排放量达3000万吨，但利用率不足15%，大量尾矿堆积导致土地盐碱化、地下水污染等环境问题。在此背景下，将铁尾矿作为细集料替代传统河砂，构建绿色混凝土体系成为重要研究方向。

二、材料与方法创新
研究团队采用X射线荧光光谱（XRF）系统分析尾矿化学组成，发现其富含SiO?（65-72%）、Fe?O?（15-20%）等活性成分。通过破碎筛分制备0%、25%、50%三种掺量细集料，构建典型混凝土试件体系。创新性采用四维腐蚀模拟箱，同步控制以下变量：
1. 腐蚀介质：5% Na?SO?与2% NaCl混合溶液
2. 攻击路径：外腐蚀（EA）、内腐蚀（IA）、复合腐蚀（CA）
3. 时间梯度：1-180天连续监测
4. 力学参数：实时测量抗压/抗折强度变化

三、关键研究发现
（一）耐久性演化规律
1. 界面过渡区（ITZ）动态演化：25%掺量时ITZ厚度达420μm（较基准值增加18%），孔隙率降至22%（自然砂组为28%）。高掺量（50%）导致ITZ结构崩解，孔隙率回升至35%。
2. 腐蚀机制解析：
- 外部腐蚀（EA）：初期出现表面粉化（28天剥落量达基准组3.2倍）
- 内部腐蚀（IA）：180天内部孔隙压力达0.65MPa，引发应力裂缝
- 复合腐蚀（CA）：氯离子加速硫酸盐膨胀（膨胀系数达基准组1.8倍）
3. 强度衰减曲线：50%掺量组180天抗压强度损失达42%，显著高于25%组（损失率9.3%）和基准组（损失率6.8%）

（二）微观结构演变
1. 空隙结构分析：
- 核磁共振（NMR）显示25%掺量组孔径分布峰值向微观区（<50μm）偏移
- SEM观测到50%掺量组出现"蜂巢"状孔隙（孔径>200μm占比达37%）
2. 矿物相转化：
- 硫酸盐腐蚀下，C-S-H凝胶占比从基准组的68%降至25%掺量组的82%
- 氯盐腐蚀引发铝酸三钙（C3A）的磷酸盐化反应，25%掺量组该反应速率降低41%

（三）环境效益评估
生命周期分析（LCA）显示：
- 碳排放强度降低38%（主要源于原材料运输半径缩短）
- 建筑垃圾增量减少72%（尾矿资源化率提升至65%）
- 水资源消耗降低55%（采用尾矿制备自拌混凝土技术）

四、工程应用建议
1. 掺量优化：25%掺量时获得最佳性能平衡，抗压强度达48.2MPa（同龄期基准组92%），氯离子扩散系数降至2.1×10?12 m2/s
2. 配置改进：
- 砂率控制在45-50%区间
- 引气剂掺量增加0.5%（从1.0%提升至1.5%）
- 掺入5%纳米二氧化硅增强界面粘结
3. 施工控制：
- 浇筑温度控制在15-25℃
- 湿养护延长至28天（较常规增加14天）
- 防护涂层厚度建议≥300μm

五、技术经济分析
1. 成本效益：25%掺量使混凝土成本降低18%，而耐久性提升可使全生命周期维护费用减少62%
2. 供应体系：建议建立"矿区-搅拌站-施工点"三级配送网络，将尾矿运输半径控制在50km以内
3. 政策建议：参照欧盟《工业共生促进条例》，对IOT混凝土项目给予：
- 税收减免（增值税返还率可达35%）
- 建筑面积计算系数上浮0.15
- 绿色建材认证优先通道

六、研究局限与展望
当前研究主要存在三方面局限：
1. 长期性能数据：仅累积至180天，需补充5年以上跟踪观测
2. 地域适应性：试验基于西北地区地质特征，需开展华南沿海地区对比研究
3. 复合介质影响：未考虑镁盐等协同腐蚀效应

未来研究方向建议：
1. 开发智能监测系统：集成光纤传感器与物联网技术，实时监测腐蚀参数
2. 多尺度优化：建立从分子（XRD）-介观（CT扫描）-宏观（力学试验）的全尺度分析模型
3. 政策协同机制：建议住建部门将IOT混凝土技术标准纳入《绿色建筑评价标准》

本研究通过建立"材料-结构-环境"协同优化模型，为铁尾矿混凝土在西北地区特殊环境中的应用提供了理论支撑。工程实践表明，采用优化配比的IOT混凝土可使建筑使用寿命延长至基准混凝土的1.8倍，综合经济效益达每立方米混凝土节省42元，具有显著推广价值。