本文是一篇建筑工程管理论文，本文选取水胶比、铁尾矿砂取代率、粉煤灰掺量等变量因素，通过正交试验对水泥基材料进行配合比设计，开展了各因素对水泥基材料工作性能、物理性能和力学性能影响规律的研究，在此基础上，以玄武岩纤维体积掺量、铁尾矿砂取代率和粉煤灰掺量为变量，设计平行试验分析了水泥基复合材料的抗折强度和抗压强度、抗硫酸盐侵蚀性能、抗冻性能影响规律以及其宏观试验现象和微观结构。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
自新中国成立以来，我国工业资源综合利用在“十三五”期间取得显著成效，各类大宗固废综合利用累计约为130亿吨，土地占用量减少超100万亩[1]。根据有关统计资料显示：近年来，全国大宗工业固废利用总量达20亿吨，综合利用率55%，资源综合利用的优势明显，甚至已经逐渐成为确保国内资源供应安全的关键因素[2]。为贯彻“十四五”绿色工业发展规划和2035年远景目标，有效促进工业产业能源的全方位使用，发展高质量工业水平，多个部门包括国家发改委共同制定了《加快推动工业资源综合利用实施方案》，旨在推动工业废弃物的综合利用率达到57%，特别是加速提高尾矿（共伴生矿）的综合利用水平[3]。
尾矿具有生产量和堆存量大、粒度细、组分复杂的特点，尾矿中通常含有众金属、选矿药剂等有害成分，对大气、水和土地造成污染，环境隐患较大，如土壤污染、种植功能退化、植被死亡、河流污染等[4]。另外，尾矿大量堆积也可能导致灾难性事故，给人民群众的生命和财产带来损失[5]我国尾矿历史堆存超过200亿吨，年新增量约12.95亿吨，年综合利用利用率约34%，年综合利用量约4.41亿吨[6]。
《全国矿产资源节约与综合利用报告（2019）》[7]显示了我国是全球最大的钢铁生产国，铁尾矿的排放和堆存量极为巨大。自2014年以来，我国的铁尾矿排放量逐渐减少，但到2018年，排放量仍然高达约4.76亿吨。中国的铁尾矿排放和堆存量巨大，而且存在着地区分布不均衡的情况。就地理位置而言，中国的铁尾矿主要分布在河北、辽宁、山东、山西和四川这五个省。其按化学成分可将铁尾矿分为5类：高硅型、高铝型、高钙镁型、低钙镁铝硅型、多金属型[8]。我国各地铁尾矿的主要成分如表1.1。
1.2 铁尾矿砂在水泥基复合材料中的应用研究现状
铁尾矿砂是复杂的混合矿物材料之一，它是经过一系列的加工和磁选处理后形成的。通常，这些处理过程旨在提取出铁矿石中的有用矿物，并将废弃物与之分离。最终，铁尾矿砂以泥浆状的形式被排放出来，成为一种废弃物[16]。铁尾矿含有多种矿物质，如石英、长石、云母等，其硅、铝元素含量较高，与天然砂石的主要成分相似。有作为建筑原材料的潜质。目前将铁尾矿制备建筑材料已成为消耗铁尾矿的主要方式，以下研究均证明了铁尾矿砂制备水泥基复合材料的可能性。目前，国内外诸多学者对铁尾矿砂在水泥基复合材料中的应用进行研究，重点关注其对材料的工作性能、力学性能以及耐久性能的影响，并总结出一定的成果与规律。
1.2.1 铁尾矿砂对工作性能的影响研究现状
水泥基复合材料的流动性是指其在新拌状态下的流动特性和变形能力，这是评估材料施工质量好坏和运输的重要指标。流动性差会带来多种施工和性能方面的问题，这些问题会影响工程质量和耐久性能。流动性差的材料在泵送过程中容易堵塞，增加施工难度和时间，难以完全填充模具，容易产生蜂窝和空洞，影响结构的整体性和强度，对结构安全产生了极大的隐患同时会增加后期维护成本。此外，由于各地的铁尾矿砂的组成成分和破碎工艺不同，铁尾矿砂的掺入，水泥基复合材料的流动性变化规律较为复杂，因此有必要研究铁尾矿砂对水泥基复合材料流动性能的影响规律。
2 原材料与试验方法
2.1 试验原材料
2.1.1 水泥
本研究选用的是P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，其质量符合国家标准。其性能指标见表2.1和表2.2中。
2.2 试件制作和养护
2.2.1 玄武岩纤维-铁尾矿砂水泥基复合材料制备流程 制备水泥基材料的原材料包括水泥、粉煤灰、铁尾矿砂、河砂、减水剂和水，其中水泥作为胶凝材料，粉煤灰作为掺合料等质量取代水泥，铁尾矿砂和河砂作为骨料以及拌合水构成了水泥基材料基体的原材料，减水剂作为外加剂用于调节水泥基材料的性能，具体制备方法如下：
第一步，预先将天然河砂和铁尾矿砂人工拌合，然后将水泥、粉煤灰、部分水和减水剂投入搅拌机低速搅拌1min，其次将预先拌好的混合砂倒入其中低速搅拌1min，最后将剩余的水全部加入其中高速搅拌1min。
第二步，卸料，将拌合物填装到标准模具中。搅拌过程如图2.4水泥基材料制备流程图所示。
制备水泥基复合材料的原材料包括玄武岩纤维、水泥、粉煤灰、铁尾矿砂、河砂、减水剂和水，其中水泥作为胶凝材料，粉煤灰作为掺合料等质量取代水泥，铁尾矿砂和河砂作为骨料以及拌合水构成了水泥基复合材料基体的原材料，玄武岩纤维起到增强作用，具体制备方法如下：
第一步，预先将天然河砂和铁尾矿砂人工拌合，然后将水泥、粉煤灰、部分水和减水剂投入搅拌机低速搅拌1min，其次将预先拌好的混合砂倒入其中高速搅拌2min后低速搅拌1min，最后将预先分散好的玄武岩纤维加入其中搅拌3min。
第二步，卸料，将拌合物填装到标准模具中。搅拌过程如图2.5水泥基复合材料制备流程图所示。
3 基于正交试验的水泥基材料配合比设计 .................. 19
3.1 引言 ........................ 19
3.2 水泥基材料正交试验设计 .............. 19
3.3 正交试验结果与分析 ......................... 21
4 水泥基复合材料力学及耐久性能研究 ................ 37
4.1 引言 ................................ 37
4.2 试验配合比 ........................ 37
4.3 玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响 ........................ 38
5 结论与创新点 .............................. 65
5.1 结论 ............................ 65
5.2 创新点 ............................ 66
4 水泥基复合材料力学及耐久性能研究
4.1 引言
近年来，随着工业化和城市化的迅速发展，工程建设对混凝土、水泥砂浆等水泥基复合材料的性能要求更高。纤维增强水泥基复合材料近几年来发展迅速。玄武岩纤维作为一种新型环保的无机材料，具有优异的物理化学性能，如耐高温性、化学稳定性（耐酸性和耐碱性）等。将其加入水泥基复合材料中即可提高材料的力学性能，又可以改善其耐久性能。将其作为增强体，铁尾矿砂水泥基材料作为基体，配制玄武岩纤维-铁尾矿砂水泥基复合材料，对其进行性能研究具有很好的环境效益，然而经大量文献查阅可知，玄武岩纤维-铁尾矿砂水泥基材料的相关研究非常少见，为了进一步提高这一绿色建材的应用推广，有必要对其力学性能和相关耐久性能进行研究。
本章将在第三章铁尾矿砂水泥基材料配合比设计基础上，以玄武岩纤维作为增强体，系统研究水泥基复合材料在抗折、抗压、抗硫酸盐侵蚀及抗冻性能等四个方面的性能。通过分析水泥基复合材料试件抗折和抗压试验现象和借助扫描电镜SEM分析微观形态下玄武岩纤维的破坏形态，深入探讨玄武岩纤维对水泥基复合材料宏观力学性能的影响规律并分析其对水泥基复合材料力学性能、抗硫酸盐增强性能和抗冻性能的增强机理；在此基础上研究铁尾矿砂、粉煤灰对材料抗硫酸盐侵蚀性能和抗冻性能的影响规律及作用机理并建立硫酸盐侵蚀劣化模型；设置冻融循环次数，研究其对水泥基复合材料的影响规律。
5 结论与创新点
5.1 结论
本文选取水胶比、铁尾矿砂取代率、粉煤灰掺量等变量因素，通过正交试验对水泥基材料进行配合比设计，开展了各因素对水泥基材料工作性能、物理性能和力学性能影响规律的研究，在此基础上，以玄武岩纤维体积掺量、铁尾矿砂取代率和粉煤灰掺量为变量，设计平行试验分析了水泥基复合材料的抗折强度和抗压强度、抗硫酸盐侵蚀性能、抗冻性能影响规律以及其宏观试验现象和微观结构，得出主要结论如下：
（1）随着水胶比的增加，水泥基材料的流动性能逐渐增大；随着铁尾矿砂取代率和粉煤灰掺量的增加，水泥基材料的流动性能均逐渐下降。水胶比对水泥基材料流动性能的影响显著，铁尾矿砂取代率次之，粉煤灰掺量对水泥基材料的流动性影响微小。水泥基材料的流动度在150mm~220mm之间的合理范围内，能够满足实际工程的需要。
（2）水胶比对水泥基材料的28d抗压强度的影响非常显著，对28d抗折强度的影响显著。铁尾矿砂取代率和粉煤灰掺量对水泥基材料28d抗压强度影响显著。当水胶比为0.35，铁尾矿砂取代率为40%和粉煤灰掺量为10%时，水泥基材料的28d抗折强度和28d抗压强度分别为9.3MPa、53.5MPa。
（3）水泥基复合材料的7d、28d抗折强度均随玄武岩纤维体积掺量先增大后减小，当玄武岩纤维体积掺量为0.2%时，与未掺加玄武岩纤维相比，7d、28d抗折强度分别提升了17.4%和22.6%。水泥基复合材料的7d、28d抗压强度均随玄武岩纤维体积掺量先上升后下降，当玄武岩纤维体积掺量为0.2%时，与未掺加玄武岩纤维相比，7d、28d抗压强度分别提升了11.4%、8.0%。
（4）通过对水泥基复合材料抗硫酸盐侵蚀性能的研究，可以得出，当玄武岩纤维体积最佳掺量为0.2%时，水泥基复合材料的质量损失率最小为0.804%，抗压强度耐蚀系数最大为0.994。当铁尾矿砂最佳取代率为20%时，水泥基复合材料的质量损失率达到最小值0.8
