利用鉬尾礦制備活性粉末混凝土的研究

權(quán)宗剛，馮曉蘭，陳媛媛

（西安墻體材料研究設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710061）

0 前言

活性粉末混凝土（RPC）是具有超高強、低脆性、耐久性優(yōu)異等特點，被廣泛應(yīng)用于土木、市政、核電、水工等領(lǐng)域，尤其是我國鐵路工程，RPC 蓋板在鄭西客運專線、哈大客運專線、哈齊客專等工程已經(jīng)成功應(yīng)用[1-3]。采用RPC 制備的人行道擋板、蓋板不僅強度高、耐久性好，而且質(zhì)輕，可大大減輕橋面二期恒載、降低安裝難度。由于傳統(tǒng)RPC 成本較高，主要集中采用硅灰、粉煤灰和石英砂等傳統(tǒng)材料，為降低成本，有文獻研究[4-5]大摻量固廢尾礦RPC，如鐵尾礦、金尾礦等，然而將鉬尾礦摻入到活性粉末混凝土中的研究報道甚少。

鉬尾礦是選取金屬鉬后留下的尾礦，我國是全球最大的鉬資源國，陜西省儲量居全國第二位，其中商洛市為陜西第二大鉬礦開采區(qū)，隨著其不斷開采，產(chǎn)生了大量的尾礦，目前全市累計尾礦堆積量超1.72 億t，每年新增0.2 億t[6]。鉬尾礦主要以SiO2礦物質(zhì)形式存在，相較于其它尾礦具有相對穩(wěn)定的基本性質(zhì)。對鉬尾礦的研究主要集中在有價元素的提取以及新型材料的制備：李建濤等[7]摻75%鉬尾礦，添加水泥、石灰和石膏，制備出B06 級加氣混凝土保溫砌塊；肖俊等[8]、王長拼等[9]以鉬尾礦為原料，開展了有價元素再選研究，取得了較好的效果。本文為了提高鉬尾礦的綜合利用率，改善環(huán)境，解決我國天然砂石、水泥及硅灰原料逐漸匱乏的難題，將商洛鉬尾礦篩分部分替代石英砂或硅灰制備活性粉末混凝土，研究鉬尾礦對RPC 工作性能、力學(xué)性能的影響，以期為鉬尾礦RPC在高速鐵路工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5 水泥，比表面積330 m2/kg，3 d、28 d抗壓強度分別為17.0、42.5 MPa；硅灰：比表面積18 000 m2/kg，平均粒徑0.1～0.2 μm，活性指數(shù)≥85%；礦粉：S95 級，比表面積約440 m2/kg，含水率≤1.0%；聚羧酸減水劑：減水率約30%，固含量20%；石英砂：SiO2含量>97%，分粗砂（粒徑1.0～0.63 mm）、中砂（粒徑0.63～0.315 mm）、細砂（粒徑0.315～0.16 mm）3 個粒級，各粒級質(zhì)量比為1∶2∶1[10-11]；鍍銅鋼纖維：直徑0.22 mm，長度12～15 mm，抗拉強度2.85 GPa；鉬尾礦：取自陜西省商洛市九龍鉬礦，主要化學(xué)成分見表1，粒度分布見圖1（測試儀器：麥奇克S3500 激光粒度分析儀），礦物組成見圖2（測試儀器：布魯克D8 ADVANCEX-ray 衍射儀）。

表1 鉬尾礦的主要化學(xué)成分 %

圖1 鉬尾礦的粒度分布

由表1、圖1 和圖2 可見，鉬尾礦的主要成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3，其中SiO2含量為72.40%，屬于高硅型鉬尾礦；鉬尾礦的顆粒主要分布在10～400 μm 范圍，占顆?？偭康?7%，平均粒徑62.23 μm，根據(jù)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》計算的鉬尾礦的細度模數(shù)為1.0，屬于特細砂；鉬尾礦的主要礦物組成為石英、云母、鉀長石，其中石英含量最高。

1.2 試驗方案

將鉬尾礦烘干、過篩，0.16 mm 篩上的鉬尾礦砂作為混凝土骨料，取代相應(yīng)粒徑范圍的石英砂；0.16 mm 篩下的鉬尾礦研磨過200 目篩得到鉬尾礦粉，取代硅灰作為膠凝材料。根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》中RPC100 的配合比設(shè)計要求進行配制，水膠比為0.20，砂膠比為0.92，通過計算標準條件下各材料的質(zhì)量比為：m（水）∶m（水泥）∶m（砂）=0.24∶1∶1.10，各組試件中減水劑摻量均為5.8 kg/m3，鋼纖維摻量均為130kg/m3。

1.2.1 試件制作

鉬尾礦砂部分取代石英砂試驗配合比見表2，鉬尾礦粉部分取代硅灰試驗配合比見表3。

表2 鉬尾礦砂取代石英砂試驗配合比

表3 鉬尾礦粉取代硅灰試驗配合比

按表2、表3 的配合比依次往混凝土攪拌機中投入鉬尾礦砂、石英砂和鋼纖維，攪拌3 min；再投放水泥、硅灰和鉬尾礦粉，攪拌2 min；接著投加有80%水的聚羧酸減水劑，攪拌2 min，加入剩余20%水，攪拌3 min，混凝土出機。將混凝土按照要求澆入100 mm×100 mm×100 mm 立方體試模中，在高頻振動臺上振動2 min?；炷猎嚰尚秃?，蓋上塑料薄膜于室溫下靜置48 h 后拆模，并放入溫度為（20±5）℃、相對濕度≥95%的標養(yǎng)室養(yǎng)護3、7、28 d。

1.2.2 試驗方法

RPC 的抗壓強度：按照GB/T 31387—2015 進行測試，成型100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，采用DYE-2000X 型電液伺服壓力試驗機，加載速度為1.2～1.4 MPa/s，每組3 個試件，記錄試件破壞時的最大荷載并計算其強度。

RPC 的流動度：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，采用SZ-145 型砂漿稠度儀進行測試。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鉬尾礦砂取代石英砂對RPC 性能的影響（見表4）

表4 鉬尾礦砂摻量對RPC 流動度和抗壓強度的影響

由表4 可見：

（1）在水膠比固定條件下，隨鉬尾礦砂摻量的增加，RPC的流動度顯著降低。鉬尾礦砂摻量從10%增加到20%時流動度降幅較大。這主要是由于鉬尾礦砂是鉬礦經(jīng)過物理化學(xué)洗選后的固體廢棄物，顆粒表面粗糙度較大，結(jié)構(gòu)疏松，吸水性大于石英砂，在用水量一定的條件下，鉬尾礦砂摻量增加使混凝土黏稠度加大，流動性降低[12-13]。當(dāng)鉬尾礦砂摻量為30%、40%時，流動度降幅趨于平穩(wěn)，可能是鉬尾礦砂中的孔隙吸水飽和所致。

（2）隨鉬尾礦砂摻量的增加，RPC 的抗壓強度先提高后降低，鉬尾礦砂替代20%石英砂時，RPC 的抗壓強度達到最高，3、7、28 d 抗壓強度分別為95.64、102.23、157.16 MPa，與基準組M0 相比，28 d 抗壓強度增幅達22.1%，這表明采用適量鉬尾礦砂取代石英砂制備活性粉末混凝土是可行的。當(dāng)鉬尾礦砂替代30%石英砂時，RPC 的3、7、28 d 抗壓強度略高于M0，而當(dāng)鉬尾礦砂替代40%石英砂時，RPC 的3、7、28 d 抗壓強度均低于M0。相同齡期時，當(dāng)鉬尾礦砂摻量為0～20%時，隨鉬尾礦砂摻量的增加，RPC 抗壓強度明顯提高，當(dāng)鉬尾礦砂摻量為20%～40%時，RPC 抗壓強度反而下降。這可能是因為在水化反應(yīng)早期化學(xué)結(jié)合水充分，水泥熟料中活性成分發(fā)生水化反應(yīng)，生成大量的水化硅酸鈣及鈣礬石。由于鉬尾礦砂中有一部分比石英砂還細，填充了微間隙，使混凝土更致密，降低活性粉末混凝土的孔隙率，使混凝土強度提高；后期一方面因為水化程度降低，多余的鉬尾礦砂沒有被膠結(jié)在一起，使混凝土強度降低；另一方面石英砂主要含有硅基石英，而鉬尾礦砂除硅基石英外，還含有較軟的礦物（如云母、鉀長石等）的存在，可能導(dǎo)致鉬尾礦砂顆粒與基體之間存在弱鍵結(jié)合，使混凝土的強度降低[14-15]。因此，綜合考慮混凝土的流動度、抗壓強度和生產(chǎn)成本因素，確定合適的鉬尾礦砂摻量為20%左右。

2.2 鉬尾礦粉取代硅灰對RPC 性能的影響（見表5）

表5 鉬尾礦粉摻量對RPC 流動度和抗壓強度的影響

由表5 可見：

（1）在用水量和膠凝材料總量一定時，隨著鉬尾礦粉摻量的增加，RPC 的流動度呈降低趨勢。與對照組M0 相比，鉬尾礦粉摻量為20%的RPC 流動度降幅最小，降低了3.5%；鉬尾礦粉摻量為80%的RPC 流動度降幅最大，降低了19.6%。這是因為鉬尾礦粉的比表面積較大，摻量越多，需要的水和水泥量越大，在水的作用下，鉬尾礦粉在界面包裹粘結(jié)成球，使流動度降低。

（2）隨鉬尾礦粉摻量的增加，RPC 各齡期抗壓強度均逐漸降低，摻量越大抗壓強度降低越明顯。在用水量和膠凝材料總量一定時，當(dāng)鉬尾礦粉摻量小于40%，RPC 的抗壓強度降幅較小，這是因為鉬尾礦粉對RPC 性能的影響體現(xiàn)在物理填充效應(yīng)和火山灰活性效應(yīng)方面。水泥充分水化生成C-S-H 凝膠和Ca（OH）2，鉬尾礦粉在堿性環(huán)境下被激發(fā)，與Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗了Ca（OH）2，形成少量的多孔C-S-H 凝膠，組織結(jié)構(gòu)較密，故抗壓強度變化穩(wěn)定[16-17]。而當(dāng)鉬尾礦粉摻量為60%、80%時，RPC 的28 d 抗壓強度較M0 分別降低了16.4%、27.4%。說明鉬尾礦粉摻量過大時，由于鉬尾礦粉的水化活性低于硅灰，流動度降低，致使顆粒之間的膠結(jié)作用降低，從而導(dǎo)致抗壓強度持續(xù)下降。因此，采用鉬尾礦粉作為礦物摻合料取代部分硅灰制備RPC 時，鉬尾礦粉摻量小于40%為宜。

3 結(jié)論

（1）采用鉬尾礦砂取代部分石英砂制備RPC，隨鉬尾礦砂摻量的增加，RPC 的抗壓強度先提高后降低。在水膠比為0.20、砂膠比為0.92、鉬尾礦砂摻量為20%時，活性粉末混凝土的流動性較好，抗壓強度最高，28 d 抗壓強度達157.16 MPa。

（2）采用鉬尾礦粉部分取代硅灰，在堿性環(huán)境下，鉬尾礦粉可與Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗Ca（OH）2，生成少量的多孔C-S-H 凝膠，使RPC 的抗壓強度穩(wěn)定提高。

（3）采用鉬尾礦粉部分取代硅灰制備RPC，隨著鉬尾礦粉摻量的增加，RPC 的流動度逐漸減小，各齡期抗壓強度逐漸降低，且對早期強度影響較大。但從經(jīng)濟、環(huán)?？紤]，鉬尾礦粉摻量小于40%時，抗壓強度降幅較小，可以作為礦物摻合料應(yīng)用在活性粉末混凝土的工程中。

（4）鉬尾礦代替石英砂或硅灰生產(chǎn)活性粉末混凝土，不僅可以緩解目前日益突出的資源緊缺問題，而且能實現(xiàn)固體廢棄物的合理利用，在降低生產(chǎn)成本的同時保護了生態(tài)環(huán)境，尾礦在建筑行業(yè)具有較好的應(yīng)用前景。