鐵尾礦取代河砂對(duì)路用混凝土強(qiáng)度的影響研究

向榮江等

摘 要：基于對(duì)礦山尾礦進(jìn)行廢物利用的考慮，現(xiàn)將其加入路用混凝土中以取代原細(xì)集料，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其在路用混凝土中的配比規(guī)律。研究結(jié)果表明：以標(biāo)準(zhǔn)混凝土的配合比為基礎(chǔ)，研究?jī)?yōu)化加入尾礦后混凝土的配合比，完全可以滿足施工工藝要求；在采用相同尾礦粒徑前提下，加入不同量的尾礦對(duì)混凝土的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)具有積極的影響，鐵尾礦粒徑在0.15-0.3范圍內(nèi)且取代50%細(xì)集料用量時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度有相應(yīng)的提高。

關(guān)鍵詞：細(xì)集料；資源回收利用；抗壓強(qiáng)度；ANSYS；彎沉值

引言

目前，在礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)，由于大量的礦石開(kāi)采產(chǎn)生了數(shù)量巨大的廢物資源，諸多行業(yè)針對(duì)這些廢棄資源如何回收再利用也進(jìn)行了大量的研究。應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，混凝土的使用越來(lái)越高要求、高標(biāo)準(zhǔn)、高強(qiáng)度以及高性能化。各大型建設(shè)項(xiàng)目頻繁的誕生使得建筑用混凝土的使用量大大增加，原材料出現(xiàn)供應(yīng)緊張的趨勢(shì)，有限的天然細(xì)集料的短缺供不應(yīng)求，同時(shí)礦山開(kāi)采遺留的鐵尾礦廢石也逐年遞增。這些鐵尾礦堆積的維護(hù)費(fèi)用和潛在危害很大，需要通過(guò)開(kāi)發(fā)新的綜合利用降低其危害。將堆積如山的鐵尾礦廢料作為一種新材料取代原混凝土中的細(xì)集料，對(duì)尾礦充分利用，既能減少天然河砂的消耗，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，又能減少堆積如山的尾礦對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)耕地的占用，對(duì)解決廢棄資源的再利用不失為一具有優(yōu)勢(shì)的途徑。

1 試驗(yàn)研究配合比

1.1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)試件（不加尾礦）配合比設(shè)計(jì)

在道路建設(shè)中，面層是道路結(jié)構(gòu)層的組成部分之一。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定初步確定混凝土配合比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定其和易性能和塌落度，根據(jù)實(shí)際工程施工對(duì)混凝土和易性的要求調(diào)整配合比，對(duì)試件分別養(yǎng)護(hù)3天、7天、18天、28天并測(cè)其相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定標(biāo)準(zhǔn)試件最終配合比。

1.1.2 尾礦混凝土配合比設(shè)計(jì)與調(diào)整

基于標(biāo)準(zhǔn)試件配合比的設(shè)計(jì)，采用控制變量法，在其他材料及成分都不變的情況下，將尾礦按照試件原材料質(zhì)量的25%、50%和75%的比例取代細(xì)集料，以試件成型且能滿足和易性能要求為標(biāo)準(zhǔn)探究鐵尾礦混凝土的配合比。配合比優(yōu)化確定如表1所示。

通過(guò)對(duì)1#方案和2#方案試件抗壓強(qiáng)度的比較，可明顯看出，2#方案的混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)更穩(wěn)定，強(qiáng)度長(zhǎng)值更高，所以確定2#方案作為標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比方案。3#方案以2#為基礎(chǔ)，在其中添加鐵尾礦取代部分中砂并測(cè)其力學(xué)性能，通過(guò)試驗(yàn)表明除在混凝土材料的力學(xué)性能上能滿足要求外，其28d抗壓強(qiáng)度較普通混凝土偏大，增長(zhǎng)了約7%。因此，以3#方案作為鐵尾礦混凝土配合比進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.2 鐵尾礦摻量變化對(duì)水泥混凝土的力學(xué)性能影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尾礦的添加量并不是越多越好，尾礦的添加量存在最優(yōu)配比。（表2）

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，將鐵尾礦加入路用混凝土中取代天然河砂的功能，在養(yǎng)護(hù)前期，其強(qiáng)度較普通混凝土試件小，但是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，尾礦混凝土在強(qiáng)度上有明顯的優(yōu)勢(shì)，其28天抗壓強(qiáng)度普遍高于普通混凝土試件。相同鐵尾礦用量不同粒徑下，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化過(guò)程比較如圖1和圖2。

如圖1所示，當(dāng)尾礦粒徑在0.15-0.3mm之間，且取代天然河砂量為50%時(shí)，強(qiáng)度條件達(dá)到較理想的狀態(tài)。當(dāng)尾礦粒徑在0.3-0.6mm之間時(shí)，水泥混凝土試件的抗壓強(qiáng)度較添加粒徑在0.15-0.3mm之間尾礦的試件抗壓強(qiáng)度略小，但也略高于標(biāo)準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度。當(dāng)尾礦取代量為1/4河砂時(shí)，效果沒(méi)有取代1/2河砂時(shí)的好，如圖2所示。

顯然，總體趨勢(shì)上鐵尾礦作為路用混凝土新材料用于道路鋪設(shè)在強(qiáng)度和和易性能等方面是可行的。就本研究的試件而言，當(dāng)0.15-0.3mm粒徑的鐵尾礦添加量取代集料總量的50%時(shí)，水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期設(shè)想目標(biāo)，對(duì)其應(yīng)用于路用混凝土有廣泛的應(yīng)用前景。

2 有限元數(shù)值模擬分析

2.1 模型單元選取

混凝土單元采用ANSYS程序單元庫(kù)中SOLID45單元，用SOLID45單元構(gòu)造的三維混凝土模型結(jié)構(gòu)，通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x、y、z三個(gè)方向的自由度，其具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力，還具有應(yīng)力剛化的特殊性能。

2.2 模型參數(shù)

在混凝土路面板常用的有限元模型，即溫克勒地基模型（稠密液體地基模型）、彈性固體地基模型和巴斯特納克地基模型中，選用彈性固體地基模型。彈性固體地基模型將地基看作均質(zhì)的半無(wú)限連續(xù)介質(zhì)，考慮了地基頂面的壓力不僅與作用于某點(diǎn)的壓力有關(guān)，還與其相鄰區(qū)域的壓力有關(guān)，模型尺寸平面7m×7m，土基縱向深度取7m，其余結(jié)構(gòu)層參數(shù)見(jiàn)表3，采用泊松比和彈性模量來(lái)表示其性質(zhì)。

應(yīng)用APDL語(yǔ)言參數(shù)化建模，模型輸入幾何尺寸及參數(shù)如表3所示。

2.3 模型網(wǎng)格劃分

有限元模型是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的立方體，將其劃分為標(biāo)準(zhǔn)的六面體八角點(diǎn)有限單元，由于輪壓荷載僅僅作用于模型中心領(lǐng)域，使模型劃分疏密情況據(jù)荷載不同有異。荷載集中區(qū)域有限單元網(wǎng)格劃分針對(duì)分析需要進(jìn)行加密處理，即通過(guò)手動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格劃分尺寸和單元疏密程度，多次模擬確定在輪壓正交區(qū)域以0.1m為劃分單位，其余區(qū)域以0.4m為劃分單位劃分實(shí)體。盡量使模擬試驗(yàn)接近真實(shí)工作狀態(tài)。有限元模型劃分結(jié)果如圖3所示。

2.4 邊界條件和加載方式

路面集中荷載對(duì)路面整體沉降值在大于7m范圍外時(shí)影響趨于平緩，故假設(shè)底面完全固定，Ux和Uy方向位移為零。將輪壓荷載簡(jiǎn)化為兩個(gè)圓形的均布荷載，荷載作用在模型的中心處，雙輪中心距為 31.95cm，圓形均布荷載半徑為10.65cm，兩圓心距離3r，輪壓標(biāo)準(zhǔn)荷載大小為0.7MPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

路表面彎沉值分析，取輪壓作用區(qū)域中心的單元Z方向的最大值作為路表彎沉值，考察添加不同含量和顆粒級(jí)配鐵尾礦的水泥混凝土材料在輪載作用下其所表現(xiàn)的彎沉值變化情況。

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，數(shù)值模擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)是一致的，即鐵尾礦的添加增加了水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，且添加鐵尾礦的混凝土存在最優(yōu)配比。從路用混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)考慮，添加鐵尾礦的水泥混凝土其彎沉指標(biāo)是有所提高的，可以增強(qiáng)尾礦混凝土的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

將尾礦資源代替路用混凝土中的天然砂，有效節(jié)約天然材料，有利于解決廢料資源的閑置浪費(fèi)，節(jié)約建設(shè)成本。利用ANSYS模擬路面層彎沉值，路面變形及材料的影響趨勢(shì)與實(shí)際是一致的。結(jié)果表明：

（1）添加鐵尾礦對(duì)提高路用水泥混凝土的力學(xué)性能有較明顯的優(yōu)勢(shì)；

（2）鐵尾礦的顆粒級(jí)配大小及含量對(duì)水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度都有較大影響，并且存在最優(yōu)配比；

（3）對(duì)文章研究的試件而言，相同條件下粒徑為0.15-0.3mm的鐵尾礦占細(xì)集料比例約50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度可較標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度提高約7%。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：向榮江（1993，10-），男，漢，貴州省赫章縣人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：土木工程（結(jié)構(gòu)工程）。

唐可（1993，6-），男，漢，陜西省西安人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：道路與橋梁。

許森森（1994，9-），男，漢，陜西省咸陽(yáng)人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：土木工程（結(jié)構(gòu)工程）。

費(fèi)愛(ài)萍（1980，10-），女，漢，遼寧省鞍山人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院講師，研究方向：道路與橋梁。