鉬尾礦砂對(duì)混凝土性能的影響研究*

胡宇博，張凱峰，羅作球，孟剛，姚源，張林嘯，童小根

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，混凝土被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)中，隨之而來(lái)的問(wèn)題就是，由于商品混凝土的需求量大大增加，混凝土用砂石大量消耗造成了巨大的環(huán)境壓力[1]。目前，全國(guó)天然砂生產(chǎn)量已大大減小，且價(jià)格偏高。為了保護(hù)環(huán)境的同時(shí)保持基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)度，就需要解決混凝土原材料的問(wèn)題，而尾礦砂就是一個(gè)很好的選擇。尾礦砂是選礦廠將礦石磨細(xì)，選取有用成分后排放的廢棄物。尾礦的堆存不僅占用了大量的耕地，還容易造成礦區(qū)環(huán)境的污染、水土流失、植被破壞等問(wèn)題。選用尾礦砂作為混凝土的原材料，不僅能解決混凝土原材料問(wèn)題，還可解決尾礦砂堆存問(wèn)題。同時(shí)，尾礦砂價(jià)格低廉，其使用也能為混凝土生產(chǎn)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，有效利用尾礦砂對(duì)保護(hù)環(huán)境、資源利用有重要意義。已有研究表明摻入一定量的尾礦砂可配制出符合要求的混凝土[2-4]。

本文研究的尾礦砂為陜南地區(qū)鉬尾礦，其細(xì)度較小，因此無(wú)法完全替換混凝土中的常規(guī)細(xì)骨料。本文通過(guò)鉬尾礦砂取代不同比例的常規(guī)細(xì)骨料來(lái)研究其摻量對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響規(guī)律。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：銅川冀東 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成如表 1 所示。

（2）粉煤灰：華能Ⅱ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)組成如表2 所示。

表 1 普通硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

表 2 粉煤灰化學(xué)成分

（3）礦粉：德龍 S95 級(jí)礦粉，其化學(xué)成分如表 3所示。

表 3 礦粉化學(xué)成分

（4）鉬尾礦砂：選用陜南地區(qū)鉬尾礦砂，巖相檢定結(jié)果為硅質(zhì)砂。各項(xiàng)主要物理性質(zhì)見(jiàn)表 4。

表 4 鉬尾礦砂性能

（5）砂：選用細(xì)度模數(shù) 2.0 的機(jī)制砂。

（6）石：選用粒徑 5～31.5mm 的碎石。

（7）外加劑：由中建新材料公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑。

（8）試驗(yàn)用水：均采用符合標(biāo)準(zhǔn)的自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

探究鉬尾礦砂替代機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響。本文以普通 C40 強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比作為基準(zhǔn)配合比。鉬尾礦砂分別替代基準(zhǔn)配合比中 0%、20%、30%、40%、50% 的砂。通過(guò)測(cè)試鉬尾礦砂不同替代率對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能，分析鉬尾礦砂對(duì)混凝土的影響，并得出其合理的摻量。具體配合比見(jiàn)表 5。

表 5 混凝土配合比 kg/m3

1.3 混凝土性能測(cè)試

（1）工作性能

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土拌合物的工作性。

（2）力學(xué)性能

按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試成型試件強(qiáng)度，測(cè)試齡期為 28d、60d、90d、120d。

（3）耐久性能

按照 GB 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)》中的電通量法測(cè)試混凝土的抗氯離子滲透性及抗碳化性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鉬尾礦砂摻量對(duì)混凝土工作性能的影響

本文對(duì)混凝土工作性能的評(píng)價(jià)選用坍落度與擴(kuò)展度兩項(xiàng)性能，鉬尾礦砂不同取代率對(duì)混凝土工作性能的影響數(shù)據(jù)見(jiàn)表 6，數(shù)據(jù)圖如圖 1、圖 2 所示。

圖 1 混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果

圖 2 混凝土擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果

由圖 1、圖 2 可知，混凝土的坍落度與擴(kuò)展度均隨著鉬尾礦砂取代率的增加而降低。這主要是因?yàn)殂f尾礦砂較細(xì)，相同質(zhì)量下增大了骨料比表面積。在相同用水量與外加劑摻量的情況下，混凝土中的水被更多地吸附于砂表面，從而導(dǎo)致工作性能降低。當(dāng)鉬尾礦砂摻量小于 30% 時(shí)，混凝土坍落度與擴(kuò)展度均隨鉬尾礦砂摻量的增加降低幅度較緩慢。當(dāng)鉬尾礦砂摻量大于 30%后，混凝土坍落度與擴(kuò)展度隨著摻量的增加，降低速率明顯增加。因此，鉬尾礦砂作為細(xì)骨料替代機(jī)制砂需要控制其替代率。替代率小于 30% 時(shí)可基本保持較好的工作性能，當(dāng)替代率大于 30% 后，工作性能下降，若要保持良好的工作性能，則需增加外加劑摻量。

2.2 鉬尾礦砂摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

本文選擇抗壓強(qiáng)度對(duì)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。鉬尾礦砂不同取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，數(shù)據(jù)圖見(jiàn)圖 3。

表 7 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖 3 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖 3 可知，鉬尾礦砂對(duì)常規(guī)砂的取代率在 50%以?xún)?nèi)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度差距較小。這說(shuō)明摻一定量的鉬尾礦砂對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小。隨著鉬尾礦砂摻量的增加，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先略微增加后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殂f尾礦砂顆粒較小，其少量摻入可填充混凝土骨料間較小的孔隙，使混凝土變得更加密實(shí)，從而提高了抗壓強(qiáng)度[5-6]。但當(dāng)顆粒較小的鉬尾礦摻量超過(guò)一定量后，過(guò)量的細(xì)顆粒導(dǎo)致混凝土細(xì)骨料級(jí)配變差，從而使強(qiáng)度有所降低。從長(zhǎng)期強(qiáng)度來(lái)看，摻鉬尾礦的混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 天后，混凝土強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而緩慢增長(zhǎng)，90 天后基本穩(wěn)定。

2.3 鉬尾礦砂摻量對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響

本文選擇電通量作為表征混凝土抗氯離子滲透性能的指標(biāo)。圖 4 為鉬尾礦砂不同取代率對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響。

圖 4 混凝土抗氯離子侵蝕性能試驗(yàn)結(jié)果

由圖 4 可知，鉬尾礦砂取代率小于 50% 時(shí)，混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 天后的電通量均有所降低，這說(shuō)明鉬尾礦砂的摻入提高了混凝土的抗氯離子侵蝕性能。這可能是由于鉬尾礦砂顆粒較細(xì)，其摻入填充了混凝土內(nèi)部的細(xì)小孔隙，提高了混凝土的密實(shí)性，從而提升了混凝土抗氯離子侵蝕性能。隨著鉬尾礦砂摻量的增加，電通量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)閾饺肷倭康念w粒較細(xì)的鉬尾礦砂可以填充混凝土內(nèi)部孔隙，但摻入過(guò)量后使骨料級(jí)配變差，降低了混凝土的密實(shí)性，從而導(dǎo)致抗氯離子侵蝕性能有所下降。其中鉬尾礦砂取代率為20% 時(shí)，混凝土抗氯離子侵蝕性能最好。

2.4 鉬尾礦砂摻量對(duì)混凝土抗碳化性能的影響

本試驗(yàn)選用快速碳化箱對(duì)養(yǎng)護(hù) 28 天試件進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)，鉬尾礦砂不同取代率對(duì)混凝土不同齡期碳化深度的影響數(shù)據(jù)見(jiàn)表 8，數(shù)據(jù)圖見(jiàn)圖 5。

圖 5 混凝土碳化深度試驗(yàn)結(jié)果

表 8 混凝土碳化深度試驗(yàn)結(jié)果

由圖 5 可知，鉬尾礦砂取代率 50% 以?xún)?nèi)對(duì)混凝土不同齡期碳化深度影響較小。隨鉬尾礦砂摻量的增加，不同齡期碳化深度整體呈現(xiàn)略微先減小后增加的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)殂f尾礦砂的細(xì)小顆粒在摻量較小時(shí)優(yōu)化的混凝土孔結(jié)構(gòu)，使整體更加密實(shí)。但當(dāng)摻量過(guò)大后導(dǎo)致細(xì)骨料級(jí)配變差，影響混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而降低混凝土的密實(shí)性，導(dǎo)致抗碳化性能下降。這說(shuō)明一定摻量的鉬尾礦砂對(duì)混凝土抗碳化性能影響較小，但摻量過(guò)大后可能會(huì)導(dǎo)致抗碳化性能下降。

3 結(jié)論

（1）混凝土坍落度、擴(kuò)展度均隨著鉬尾礦砂摻量的增加而降低，摻量大于 30% 后降低幅度明顯增加。

（2）鉬尾礦砂對(duì)機(jī)制砂的取代率小于 50% 時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度差距較小。

（3）鉬尾礦砂摻入可提高混凝土抗氯離子侵蝕性能。當(dāng)鉬尾礦砂取代率為 20% 時(shí)，混凝土抗氯離子侵蝕性能最好。摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致抗氯離子侵蝕性能下降。

（4）鉬尾礦砂取代率小于 50% 時(shí)，對(duì)混凝土抗碳化性能影響較小，隨鉬尾礦砂摻量的增加，碳化深度整體呈現(xiàn)略微先減小后增加的趨勢(shì)。