鐵尾礦取代河砂對路用混凝土強度的影響研究

向榮江等

摘 要：基于對礦山尾礦進行廢物利用的考慮，現將其加入路用混凝土中以取代原細集料，通過試驗和數值模擬相結合的方法研究其在路用混凝土中的配比規律。研究結果表明：以標準混凝土的配合比為基礎，研究優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混凝土的強度在一定范圍內具有積極的影響，鐵尾礦粒徑在0.15-0.3范圍內且取代50%細集料用量時，混凝土的抗壓強度有相應的提高。

關鍵詞：細集料；資源回收利用；抗壓強度；ANSYS；彎沉值

引言

目前，在礦產資源豐富的地區，由于大量的礦石開采產生了數量巨大的廢物資源，諸多行業針對這些廢棄資源如何回收再利用也進行了大量的研究。應社會經濟建設的飛速發展，混凝土的使用越來越高要求、高標準、高強度以及高性能化。各大型建設項目頻繁的誕生使得建筑用混凝土的使用量大大增加，原材料出現供應緊張的趨勢，有限的天然細集料的短缺供不應求，同時礦山開采遺留的鐵尾礦廢石也逐年遞增。這些鐵尾礦堆積的維護費用和潛在危害很大，需要通過開發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集料，對尾礦充分利用，既能減少天然河砂的消耗，節約成本，提高經濟效益，又能減少堆積如山的尾礦對環境的污染和對耕地的占用，對解決廢棄資源的再利用不失為一具有優勢的途徑。

1 試驗研究配合比

1.1 試驗過程

1.1.1 標準試件（不加尾礦）配合比設計

在道路建設中，面層是道路結構層的組成部分之一。根據行業標準JGJ 55-2000《普通混凝土配合比設計規程》規定初步確定混凝土配合比，通過實驗測定其和易性能和塌落度，根據實際工程施工對混凝土和易性的要求調整配合比，對試件分別養護3天、7天、18天、28天并測其相應的抗壓強度。根據實驗結果確定標準試件最終配合比。

1.1.2 尾礦混凝土配合比設計與調整

基于標準試件配合比的設計，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量的25%、50%和75%的比例取代細集料，以試件成型且能滿足和易性能要求為標準探究鐵尾礦混凝土的配合比。配合比優化確定如表1所示。

通過對1#方案和2#方案試件抗壓強度的比較，可明顯看出，2#方案的混凝土抗壓強度增長更穩定，強度長值更高，所以確定2#方案作為標準混凝土配合比方案。3#方案以2#為基礎，在其中添加鐵尾礦取代部分中砂并測其力學性能，通過試驗表明除在混凝土材料的力學性能上能滿足要求外，其28d抗壓強度較普通混凝土偏大，增長了約7%。因此，以3#方案作為鐵尾礦混凝土配合比進行后續試驗。

1.2 鐵尾礦摻量變化對水泥混凝土的力學性能影響

通過實驗數據，尾礦的添加量并不是越多越好，尾礦的添加量存在最優配比。（表2）

1.3 試驗結果分析

通過對試驗結果分析，將鐵尾礦加入路用混凝土中取代天然河砂的功能，在養護前期，其強度較普通混凝土試件小，但是隨著養護時間的增加，尾礦混凝土在強度上有明顯的優勢，其28天抗壓強度普遍高于普通混凝土試件。相同鐵尾礦用量不同粒徑下，混凝土的抗壓強度變化過程比較如圖1和圖2。

如圖1所示，當尾礦粒徑在0.15-0.3mm之間，且取代天然河砂量為50%時，強度條件達到較理想的狀態。當尾礦粒徑在0.3-0.6mm之間時，水泥混凝土試件的抗壓強度較添加粒徑在0.15-0.3mm之間尾礦的試件抗壓強度略小，但也略高于標準混凝土強度。當尾礦取代量為1/4河砂時，效果沒有取代1/2河砂時的好，如圖2所示。

顯然，總體趨勢上鐵尾礦作為路用混凝土新材料用于道路鋪設在強度和和易性能等方面是可行的。就本研究的試件而言，當0.15-0.3mm粒徑的鐵尾礦添加量取代集料總量的50%時，水泥混凝土的抗壓強度最優。達到實驗預期設想目標，對其應用于路用混凝土有廣泛的應用前景。

2 有限元數值模擬分析

2.1 模型單元選取

混凝土單元采用ANSYS程序單元庫中SOLID45單元，用SOLID45單元構造的三維混凝土模型結構，通過8個節點定義，每個節點有x、y、z三個方向的自由度，其具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力，還具有應力剛化的特殊性能。

2.2 模型參數

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的半無限連續介質，考慮了地基頂面的壓力不僅與作用于某點的壓力有關，還與其相鄰區域的壓力有關，模型尺寸平面7m×7m，土基縱向深度取7m，其余結構層參數見表3，采用泊松比和彈性模量來表示其性質。

應用APDL語言參數化建模，模型輸入幾何尺寸及參數如表3所示。

2.3 模型網格劃分

有限元模型是一個標準的立方體，將其劃分為標準的六面體八角點有限單元，由于輪壓荷載僅僅作用于模型中心領域，使模型劃分疏密情況據荷載不同有異。荷載集中區域有限單元網格劃分針對分析需要進行加密處理，即通過手動設置網格劃分尺寸和單元疏密程度，多次模擬確定在輪壓正交區域以0.1m為劃分單位，其余區域以0.4m為劃分單位劃分實體。盡量使模擬試驗接近真實工作狀態。有限元模型劃分結果如圖3所示。

2.4 邊界條件和加載方式

路面集中荷載對路面整體沉降值在大于7m范圍外時影響趨于平緩，故假設底面完全固定，Ux和Uy方向位移為零。將輪壓荷載簡化為兩個圓形的均布荷載，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，輪壓標準荷載大小為0.7MPa。

3 數值模擬結果及分析

路表面彎沉值分析，取輪壓作用區域中心的單元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配鐵尾礦的水泥混凝土材料在輪載作用下其所表現的彎沉值變化情況。

從數值模擬結果中可以看出，數值模擬試驗與物理試驗結果趨勢是一致的，即鐵尾礦的添加增加了水泥混凝土的抗壓強度，且添加鐵尾礦的混凝土存在最優配比。從路用混凝土的實際工作狀態考慮，添加鐵尾礦的水泥混凝土其彎沉指標是有所提高的，可以增強尾礦混凝土的使用壽命。

4 結束語

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

（1）添加鐵尾礦對提高路用水泥混凝土的力學性能有較明顯的優勢；

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

（3）對文章研究的試件而言，相同條件下粒徑為0.15-0.3mm的鐵尾礦占細集料比例約50%時，抗壓強度可較標準水泥混凝土抗壓強度提高約7%。

參考文獻

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[4]趙健，劉靜.ANSYS分析FRP加固混凝土結構研究綜述[J].四川建筑，2007（3）：158-159.

作者簡介：向榮江（1993，10-），男，漢，貴州省赫章縣人，遼寧科技大學土木工程學院學生，研究方向：土木工程（結構工程）。

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

許森森（1994，9-），男，漢，陜西省咸陽人，遼寧科技大學土木工程學院學生，研究方向：土木工程（結構工程）。

費愛萍（1980，10-），女，漢，遼寧省鞍山人，遼寧科技大學土木工程學院講師，研究方向：道路與橋梁。