李志強,張軒碩,卜娜蕊,俞勇,祝帆,李堰江
(1.河北建筑工程學院土木工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省高校綠色建材與建筑改造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心,河北省土木工程診斷改造與抗災(zāi)重點實驗室,河北 張家口 075000)
隨著我國金礦大規(guī)模的開發(fā),金尾礦的堆存量日漸增長[1]。根據(jù)《全國礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報告(2019)》,2018年我國金尾礦砂的利用率僅為36.9%[2]。另一方面,隨著我國新型城鎮(zhèn)化速度的推進,混凝土路面和廢棄建筑物拆除和維修,遺留下大量建筑垃圾廢棄物。相關(guān)資料表明,我國在2006~2018年,建筑廢棄物堆放量由6.5億t增長到21億t[3],成為城市垃圾的主要源頭。由于對這兩種廢棄物的利用率較低,大量的廢棄物只能露天堆放或者掩埋,不僅浪費土地,而且污染周圍環(huán)境,更不符合我國持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的要求[4]。將金尾礦砂和建筑垃圾回收作為再生骨料應(yīng)用于金尾礦砂再生混凝土的生產(chǎn),這種處理方式從環(huán)境保護角度出發(fā),必須對這兩種廢棄物進行處理,避免二次污染;從資源角度出發(fā),對這兩種廢棄物加以利用可變廢為寶,緩解我國天然砂石資源短缺的問題。
目前,對于再生混凝土的研究已經(jīng)相對完善,從再生骨料品質(zhì)[5]、再生骨料類型[6]、再生骨料取代率[7]及再生骨料的改性[8]等眾多因素來分析再生混凝土的性能。而相比于金尾礦砂在混凝土上的研究還很少,基于此,本課題通過正交實驗方法,以水灰比、金尾礦砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量為正交實驗的四個因素,每個因素選擇三個水平,從而探究不同因素水平組合下對金尾礦砂再生混凝土基本力學性能的影響,并且找到材料的較優(yōu)配合比,以期為金尾礦砂再生混凝土的綜合利用提供參考。
金尾礦砂來源于河北張家口地區(qū)的尾礦砂,細度模數(shù)2.0,采用Smartlab9型X射線衍射儀對金尾礦砂進行礦物成分分析,結(jié)果見圖1,從圖1可知,金尾礦砂中主要礦物為石英、鈣長石、石墨等。采用ARLAdvant X Intellipower TM3600X射線熒光光譜對金尾礦砂進行化學成分分析,對比結(jié)果見表1。以金尾礦砂為原料用于建筑生產(chǎn),須考慮尾礦砂的物化特性及放射性風險,檢測結(jié)果見表2、3。從表2中可看出,金尾礦砂的表觀密度和吸水率略高于一般建筑用砂的表觀密度(天然砂2587.3)和吸水率(天然砂1.85),但其他物理性能指標均符合規(guī)范要求。從表3中可看出,金尾礦砂中的放射性核素均低于建筑主體材料要求的天然核素并同時滿足內(nèi)照射指數(shù)IRa<1.0和外照射指數(shù)Ir<1.0;粗骨料:級配良好的天然骨料和再生骨料,再生骨料來源于原始強度為C30的混凝土試塊,經(jīng)過破碎、篩檢、清洗,選取粒徑為5~20 mm的再生骨料取代天然骨料,粗骨料的基本物理性質(zhì)見表4,天然砂為中砂,水泥為P·O42.5水泥,粉煤灰為某發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰,水。
圖1 金尾礦砂X射線衍射分析Fig.1 X-ray diffraction analysisof gold tailingssand
表1 金尾礦砂主要化學成分/%Table 1 Main chemical composition of gold tailingssand
表2 金尾礦砂物化特性檢測結(jié)果Table 2 Test results of physical and chemical properties of gold tailings sand
表3 金尾礦砂放射性核素檢測結(jié)果Table3 Radionuclide detection resultsof gold tailingssand
表4 粗骨料的基本物理性質(zhì)Table 4 Basic physical properties of coarse aggregate
為研究金尾礦砂再生混凝土的性能,重點選用水灰比、金尾礦砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量四個因素進行正交實驗測試抗壓強度和劈裂抗拉強度,采用L9(34)正交。各因素取代率見表5,配合比見表6。
表6 金尾礦砂再生混凝土材料配合比Table 6 Mix ratio of gold tailings sand recycled concrete materials
金尾礦砂在試件制作過程中等量取代天然砂,同理再生粗骨料和粉煤灰等量取代天然骨料和水泥,根據(jù)表5制作100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊,在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后,用WHY-2000型壓力實驗機測試金尾礦砂再生混凝土的兩種性能指標。
表5 正交實驗設(shè)計Table5 Orthogonal test design
根據(jù)上述實驗設(shè)計方法,通過壓力實驗機測定出各配合比下兩種性能指標強度值,見表7。
利用表7的結(jié)果,對兩種指標進行極差分析,結(jié)果見表8。
表7 金尾礦砂再生混凝土正交實驗強度值Table 7 Orthogonal test strength value of recycled concrete with gold tailings sand
從表8立方體抗壓強度的極差值可看出,水灰比所產(chǎn)生的影響較大,其次是粉煤灰摻量,金尾礦砂取代率和再生粗骨料取代率影響較小,也比較接近;從劈裂抗拉強度的極差值可看出,水灰比所產(chǎn)生的影響較大,其次是粉煤灰摻量和金尾礦砂取代率,而再生粗骨料的取代率影響可忽略不計。顯然,無論是金尾礦砂再生混凝土還是普通混凝土,影響其強度值的較重要因素是水灰比。
表 8實驗結(jié)果極差分析結(jié)果Table8 Rangeanalysisof test results
為比較因素之間的差異對強度產(chǎn)生的影響,將四個因素三個水平變化情況繪制成圖2和圖3。
圖2 各因素不同水平抗壓強度變化值Fig.2 Variation value of compressivestrength at different levelsof each factor
圖3 各因素不同水平劈裂抗拉強度變化值Fig.3 Variation value of splitting tensile strength at different levelsof each factor
(1)因素A(水灰比)的影響:水灰比對兩種強度指標影響非常顯著,兩種強度指標隨著水灰比的增大而降低。由于水灰比增大,水泥在水化過程中水分蒸發(fā)會產(chǎn)生大量的孔隙,使得密實度下降,然而二次破碎的再生骨料也會產(chǎn)生大量的縫隙,從而導致混凝土強度下降。從極差分析中可看出,當水灰比從水平1(0.45)變化至水平2(0.50),其抗壓強度和劈裂抗拉強度分別下降了2.4%和8.5%;當水灰比從水平2(0.50)變化至水平3(0.55),其抗壓強度和劈裂抗拉強度分別下降了13.7%和15.4%。
(2)因素B(金尾礦砂取代率)的影響:隨著金尾礦砂取代率的逐漸提高,兩種強度變化呈現(xiàn)為先升高后降低。當金尾礦砂從水平1(0)變化至水平2(30%)時,其抗壓強度和劈裂抗拉強度分別增加了2.2%和5.9%;當金尾礦砂從水平2(30%)變化至水平3(60%)時,其抗壓強度和劈裂抗拉強度分別下降了3.1%和12.3%。分析主要原因:由于尾礦砂粒徑較細,對混凝土的填充效應(yīng)明顯,當取代率為30%時,可改善混凝土的密實性和均質(zhì)性。但當取代率過高時,大量的細骨料被取代,使得骨料級配不合理,就會造成混凝土內(nèi)部缺陷,導致強度降低。此外,由于尾礦砂顆粒表面的不規(guī)則、粗糙、有棱角,可能會使混凝土抵抗變形能力增強,強度提高。
(3)因素C(再生粗骨料取代率)的影響:兩種強度指標會隨著再生骨料的取代率增高而降低。再生骨料在破碎過程中受到機械力作用,骨料表面和內(nèi)部會產(chǎn)生大量裂縫,當再次受到荷載時,裂縫會繼續(xù)擴展,使得再生混凝土強度降低。從極差分析中可看出,從水平1(30%)變化至水平3(70%)時,立方體抗壓強度降低了2.1%,劈裂抗拉強度降低了3.3%。通過以上分析,在各項指標達到要求的條件下,為緩解天然砂石資源短缺,可將再生粗骨料的取代率由30%調(diào)整到50%。
(4)因素D(粉煤灰摻量)的影響:對金尾礦砂再生混凝土兩種強度指標影響較為顯著,兩種強度指標隨著粉煤灰摻量增大而降低。粉煤灰屬于活性材料,其活性遠低于水泥活性。所以當粉煤灰取代水泥時,水泥的用量會隨這粉煤灰的增加而減少,從而使水泥的水化速度減緩,引起強度的降低。從極差分析中可看出,當粉煤灰從水平1(10%)變化至水平2(30%),抗壓強度和劈裂抗拉強度分別下降了4.1%和6.8%;當粉煤灰從水平2(20%)變化至水平3(30%),抗壓強度和劈裂抗拉強度分別下降了5.1%和6.1%。
通過極差分析可明顯得到各因素的主次關(guān)系,但是也存在一定的局限性,不能將實驗中所產(chǎn)生的誤差大小估算出來。為減小誤差進行方差分析,方差分析見表9。
從表9方差分析結(jié)果中可得出,影響抗壓強度顯著性的因素排序是水灰比(A)>粉煤灰摻量(D)>金尾礦砂取代率(B)>再生粗骨料取代率(C);影響劈裂抗拉強度顯著性的因素排序是水灰比(A)>粉煤灰摻量(D)>金尾礦砂取代率(B)>再生粗骨料取代率(C)。其中,水灰比、粉煤灰摻量這兩種因素對抗壓、劈裂抗拉強度影響顯著,金尾礦砂取代率對劈裂抗拉強度較顯著,再生粗骨料對金尾礦砂再生混凝土的兩種指標影響不大。綜合兩種分析方法,可得到較佳配比為A1B2C1D1,即水灰比0.45、金尾礦砂取代率30%、再生粗骨料取代率30%、粉煤灰摻量10%。
通過正交實驗的兩種強度指標分析,得到金尾礦砂再生混凝土的較佳配比。為驗證金尾礦砂再生混凝土的適用性,對金尾礦砂再生混凝土、再生混凝土和普通混凝土的兩種強度指標作對比見表10。通過對兩種強度指標對比發(fā)現(xiàn),金尾礦砂再生混凝土與普通混凝土相比抗壓和劈裂抗拉強度分別上升了3.66%和13.16%;金尾礦砂再生混凝土與再生混凝土強度對比時,抗壓和劈裂抗拉強度分別上升了10.93%和20.73%。由此可見,當摻入30%的金尾礦砂時,可有效提高再生混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度。
表 9金尾礦砂再生混凝土方差分析結(jié)果Table 9 Variance analysis results of gold tailingssand recycled concrete
表10 金尾礦砂再生混凝土優(yōu)化方案及結(jié)果Table 10 Optimization scheme and results of gold tailings sand recycled concrete
通過掃描電鏡(SEM)對混凝土的形貌、密實性等微觀結(jié)構(gòu)進行研究。圖4(a)普通混凝土內(nèi)部有明顯的細小裂紋,裂紋的產(chǎn)生是由水泥漿體的自收縮而造成的,如果砂子中含泥量較高,混凝土內(nèi)水泥石更容易因為收縮過大而產(chǎn)生微裂紋。圖4(b)再生混凝土內(nèi)部有較大裂縫和貫穿性孔洞,這些裂縫與孔洞的存在是由再生骨料自身特性造成的,裂縫和孔洞增多會影響結(jié)構(gòu)的密實性,使得強度降低。圖4(c)當摻量為30%的金尾礦砂與30%的再生骨料混合作為骨料時,較好的顆粒級配,彌補了再生骨料多裂紋、孔洞的缺點,改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性和均質(zhì)性。
圖4 混凝土微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Concrete microstructure
為確保金尾礦砂再生混凝土在實際應(yīng)用中對人體健康和地下水無影響,對金尾礦砂再生混凝土試件進行化學成分分析,結(jié)果見表11。由表11可知,金尾礦砂再生混凝土主要化學成分為SiO2和CaO,其次為Al2O3、Fe2O3、MgO和K2O,均為硅酸鹽礦物的基本特征。所以金尾礦砂作為細骨料用于建筑生產(chǎn),不僅可以開發(fā)利用建筑垃圾和金尾礦,而且又能緩解天然砂石資源短缺的壓力。
表11 金尾礦砂再生混凝土化學成分/%Table 11 Chemical composition of recycled concrete from gold tailings sand
(1)金尾礦砂再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強受水灰比、粉煤灰摻量、金尾礦砂取代率和再生粗骨料取代率的顯著性依次降低。
(2)金尾礦砂再生混凝土的較佳因素水平為A1B2C2D1,即水灰比0.45、金尾礦砂取代率30%、再生粗骨料取代率30%、粉煤灰摻量10%。
(3)通過對普通混凝土、再生混凝土和金尾礦砂再生混凝土的強度性能和微觀結(jié)構(gòu)分析得到,當金尾礦砂取代率為30%,金尾礦砂再生混凝土強度比基準混凝土強度有所提高,且混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實。