鉬尾礦混凝土單軸受壓本構研究

李 煜，張開元，高 山

(1.西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安 710123)(2.甘肅省建筑設計研究院有限公司 綜合管理部，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

相對于國外，我國對尾礦綜合利用方面的調查研究仍有不足，徐航等[1]對我國尾礦堆存的問題進行的分析表明,我國鉬尾礦綜合利用的仍處在較低水平。國內的相關研究的重點通常是從鉬尾礦中回收金屬材料[2-3]，但由于鉬尾礦數量巨大，單純的回收并不能解決大量鉬尾礦堆積的問題。葉麗佳等[4]采用鉬尾礦制備了建筑陶瓷磚，經過試驗測定與推算其符合國家標準，其中的尾礦的摻加量可以控制在70%以內，已經達到了很高的尾礦利用率；與鐵尾礦混凝土、煤矸石混凝土、錳尾礦混凝土以及銅尾礦混凝土的相關研究類似[5-8]，不少研究人員也在對鉬尾礦混凝土進行研究[9]。研究結果表明：鉬尾礦的適應性非常好，在取代率不同的情況下混凝土的整體強度略微有所下滑，但完全能滿足混凝土一般強度的要求，又能將鉬尾礦砂的利用率提高到70%以上。因此鉬尾礦應用于混凝土是可行的，鉬尾礦可以取代天然砂來使用在混凝土中，以提高其利用價值。

本研究通過對C50等級混凝土摻入不同量的鉬尾礦后的單軸受壓性能進行試驗，對其破壞形態、抗壓強度、彈性模量、峰值應變和本構模型進行分析，從而提出相應的配制方案和設計建議，為工程應用和規范編制提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試件制備中采用42.5級普通硅酸鹽水泥，粗細骨料選用西安當地的普通河砂與普通石子，減水劑采用高效聚羧酸液態減水劑，養護及拌和均采用西安自來水。鉬尾礦砂來自陜西商洛，細度模式為1.7，根據《GB/T 14685-2011 建筑用砂》中的規定，本研究采用的鉬尾礦砂屬細沙范圍(1.6～2.2)。鉬尾礦砂狀態如圖1所示，其礦物組成如表1所示，其主要礦物組成為石英、金云母、長石及少量角閃石和磁鐵礦。經檢測本試驗所采用的的鉬尾礦砂的內外照射指數分別為0.33和0.62，均滿足作為建筑主體材料的輻射要求(≤1.0)。

圖1 鉬尾礦砂

表1 天然河砂和鉬尾礦砂的礦物組成 %

1.2 試件設計

試驗擬配制C50強度等級下的0、25%、50%、100% 4組不同取代率的鉬尾礦混凝土，對其單軸受壓性能進行分析，試塊均為規范標準尺寸，每一種配合比均制3個立方體試塊和3個棱柱體試塊，標號規范為強度-取代率-試塊序號(C50-%-1)。分別測定鉬尾礦混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量、泊松比和應力-應變全曲線等數值，設計實驗方案見表2。

表2 C50強度等級鉬尾礦混凝土配合比

1.3 試驗方案

所有試件均采用機械攪拌，在振動臺上振搗2 min，24 h后脫模，養護28 d后進行力學性能試驗測試。立方體抗壓強度試驗加載速率設置為0.8 MPa/s，棱柱體軸心抗壓強度試驗基于安全考慮，速率調整為0.3 MPa/s，彈模試驗的加載速率設置為0.5 MPa/s。

2 試驗結果及分析

試驗中棱柱體的破壞現象見圖2。由于鉬尾礦的存在，導致細骨料的整體細度模數有所下降，混凝土內部結構發生變化，破壞形態有脆性傾向，但總體上來說鉬尾礦對于混凝土破壞形態并不明顯，均表現為斜裂縫破壞。按照規范[10]試驗方法測得各鉬尾礦混凝土基本力學指標的特征值見表3。

圖2 試塊破壞形態

表3 鉬尾礦混凝土力學性能指標

2.1 立方體力學性能指標

圖3(a)為鉬尾礦取代率對立方體抗壓強度的影響，可以看出：隨著鉬尾礦取代率的不斷增加，混凝土的抗壓強度開始遞減，但降低幅度在4.6%～5.1%。取代率與強度折減系數的關系見圖3(b)，可以看出：隨著鉬尾礦取代率的增大，強度折減系數以線性關系逐漸下降，與文獻[9]中得到的關系基本吻合。

圖3 立方體抗壓力學性能指標

2.2 棱柱體力學性能指標

2.2.1 棱柱體軸心抗壓強度

棱柱體軸心抗壓強度和相應的折減系數見圖4，可以看出：隨著鉬尾礦混凝土的取代率增加，折減系數呈下降趨勢。當鉬尾礦混凝土取代率從0～100%時，折減系數為1～0.84，這是因為壓力機對棱柱體端部的橫向約束效應小于立方體試塊，所以其折減系數相比立方體試塊大。

圖4 棱柱體軸心抗壓力學性能指標

2.2.2 棱柱體彈性模量和泊松比

彈性模量作為彈性階段最主要的參數，整體上與抗壓強度的數據保持一致，見表3和圖5，C50強度等級下的鉬尾礦混凝土隨著取代率的增大彈性模量呈下降趨勢，但下降幅度不大，100%取代率下降低約為5%，該強度下鉬尾礦混凝土符合混凝土的基本使用要求。

圖5 鉬尾礦取代率對彈性模量的影響

圖6 模型驗證

國內外規范中給出了一些對于混凝土的彈性模量的預測公式[9]，與混凝土的抗壓強度直接相關:

(1)

(2)

其中，a、b、c是基于測試結果的常數。美國規范ACI 318-11((a, b)=(4370, 0.50)) 和 歐洲規范EC4-04 ((a, b)=(9500, 0.33))分別給出了公式(1)相應的推薦值，美國規范ACI 363R ((a, b, c)=(3320, 0.50, 6900))則給出了公式(2) 的常數推薦值。由圖6可得EC4-04模型可以很好的預測C50強度等級鉬尾礦混凝土的彈性模量。

2.2.3 棱柱體泊松比和峰值應變

由圖7分析得出：C50強度等級下的鉬尾礦混凝土隨著取代率的增大泊松比出現下降的趨勢，100%取代率下約降低了20%，但仍符合規范[11]中混凝土泊松比的取值范圍，可見鉬尾礦取代率對于混凝土的橫向膨脹性能具有明顯的影響。

圖7 鉬尾礦取代率對泊松比的影響

通過應力—應變曲線可以得到鉬尾礦混凝土的峰值應力與峰值應變，從而得到鉬尾礦取代率與其的關系(見圖8)，可以分析出鉬尾礦混凝土隨著取代率的不斷增大峰值應力與應變均呈下降的趨勢，下降幅度不明顯。

綜上所述，從抗壓強度和彈性模量的角度，在100%鉬尾礦取代率下，混凝土的性能降低并不多，具備在鋼筋混凝土結構工程應用的可能性，但由于泊松比下降較多，有可能會對在鋼管混凝土中的使用帶來影響，綜合來看，建議將鉬尾礦取代率限制在50%以內。

圖8 鉬尾礦取代率對峰值應變的影響

2.3 本構方程

依照鉬尾礦混凝土應力-應變全曲線的試驗結果，基于過鎮海[12]所提出的單軸混凝土受壓本構的分段式方程經驗公式進行擬合：

(3)

式中：Y=σ/fc，X=ε/Xε，a與b分別為鉬尾礦混凝土上升部分與下降部分方程的參數。

采用回歸分析方法，通過試驗數據擬合可得C50強度等級下鉬尾礦取代率和形狀參數a、b的函數關系如公式(4)所示：

a=(1.053±0.0086)+(1.846E-4±1.545E-4)R
b=(1.0096±0.0058)+(3.886E-6±1.0145E-4)R

(4)

式中：R為取代率值，%

本構方程數據與試驗全曲線數據的對比如圖9所示，可以看到擬合效果較好。

4 結 論

本文進行了4種取代率下C50等級鉬尾礦混凝土的單軸受壓性能試驗研究，主要結論如下：

(1)C50鉬尾礦混凝土的抗壓強度與軸心抗壓強度均隨著鉬尾礦取代率的增大而逐漸減小，強度的降低與鉬尾礦砂的細度模數有關系；彈性模量也隨其取代率的增加而降低，且EC4-04模型可以作為C50鉬尾礦混凝土的彈性模量預測模型；泊松比和峰值應變隨著取代率增加有明顯的下降。根據試驗結果對普通混凝土單軸應力-應變本構進行修正賦值，得到了C50鉬尾礦混凝土的本構。

(2)為了提高鉬尾礦混凝土的強度，在工程制配應用上有以下建議：首先在澆筑混凝土的過程中增加水泥等膠凝材料的用量，確保混凝土內部骨料之間粘結力足夠，以提高或保持穩定性；為提高混凝土的各項性能以及正常使用，鉬尾礦取代率不宜超過50%。

圖9 應力-應變本構方程擬合曲線