鉬尾礦砂對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

（中建西部建設北方有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著現代社會的快速發展，混凝土被廣泛應用于城市建設中，隨之而來的問題就是，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境壓力[1]。目前，全國天然砂生產量已大大減小，且價格偏高。為了保護環境的同時保持基礎建設進度，就需要解決混凝土原材料的問題，而尾礦砂就是一個很好的選擇。尾礦砂是選礦廠將礦石磨細，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，還容易造成礦區環境的污染、水土流失、植被破壞等問題。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題，還可解決尾礦砂堆存問題。同時，尾礦砂價格低廉，其使用也能為混凝土生產帶來一定的經濟效益。因此，有效利用尾礦砂對保護環境、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鉬尾礦，其細度較小，因此無法完全替換混凝土中的常規細骨料。本文通過鉬尾礦砂取代不同比例的常規細骨料來研究其摻量對混凝土各項性能的影響規律。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

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

（2）粉煤灰：華能Ⅱ級粉煤灰，其化學組成如表2 所示。

表 1 普通硅酸鹽水泥的化學成分

表 2 粉煤灰化學成分

（3）礦粉：德龍 S95 級礦粉，其化學成分如表 3所示。

表 3 礦粉化學成分

（4）鉬尾礦砂：選用陜南地區鉬尾礦砂，巖相檢定結果為硅質砂。各項主要物理性質見表 4。

表 4 鉬尾礦砂性能

（5）砂：選用細度模數 2.0 的機制砂。

（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的聚羧酸減水劑。

（8）試驗用水：均采用符合標準的自來水。

1.2 試驗方法

探究鉬尾礦砂替代機制砂對混凝土性能的影響。本文以普通 C40 強度等級混凝土配合比作為基準配合比。鉬尾礦砂分別替代基準配合比中 0%、20%、30%、40%、50% 的砂。通過測試鉬尾礦砂不同替代率對混凝土工作性能、力學性能及耐久性能，分析鉬尾礦砂對混凝土的影響，并得出其合理的摻量。具體配合比見表 5。

表 5 混凝土配合比 kg/m3

1.3 混凝土性能測試

（1）工作性能

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試混凝土拌合物的工作性。

（2）力學性能

按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試成型試件強度，測試齡期為 28d、60d、90d、120d。

（3）耐久性能

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

2 試驗結果及分析

2.1 鉬尾礦砂摻量對混凝土工作性能的影響

本文對混凝土工作性能的評價選用坍落度與擴展度兩項性能，鉬尾礦砂不同取代率對混凝土工作性能的影響數據見表 6，數據圖如圖 1、圖 2 所示。

圖 1 混凝土坍落度試驗結果

圖 2 混凝土擴展度試驗結果

由圖 1、圖 2 可知，混凝土的坍落度與擴展度均隨著鉬尾礦砂取代率的增加而降低。這主要是因為鉬尾礦砂較細，相同質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，從而導致工作性能降低。當鉬尾礦砂摻量小于 30% 時，混凝土坍落度與擴展度均隨鉬尾礦砂摻量的增加降低幅度較緩慢。當鉬尾礦砂摻量大于 30%后，混凝土坍落度與擴展度隨著摻量的增加，降低速率明顯增加。因此，鉬尾礦砂作為細骨料替代機制砂需要控制其替代率。替代率小于 30% 時可基本保持較好的工作性能，當替代率大于 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 鉬尾礦砂摻量對混凝土力學性能的影響

本文選擇抗壓強度對混凝土力學性能進行評價。鉬尾礦砂不同取代率對混凝土抗壓強度的影響數據見表7，數據圖見圖 3。

表 7 混凝土抗壓強度試驗結果

圖 3 混凝土抗壓強度試驗結果

由圖 3 可知，鉬尾礦砂對常規砂的取代率在 50%以內時，混凝土抗壓強度差距較小。這說明摻一定量的鉬尾礦砂對混凝土的抗壓強度影響較小。隨著鉬尾礦砂摻量的增加，混凝土強度呈現先略微增加后減小的趨勢。這是因為鉬尾礦砂顆粒較小，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，從而提高了抗壓強度[5-6]。但當顆粒較小的鉬尾礦摻量超過一定量后，過量的細顆粒導致混凝土細骨料級配變差，從而使強度有所降低。從長期強度來看，摻鉬尾礦的混凝土標準養護 28 天后，混凝土強度隨著齡期的增長而緩慢增長，90 天后基本穩定。

2.3 鉬尾礦砂摻量對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。圖 4 為鉬尾礦砂不同取代率對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結果

由圖 4 可知，鉬尾礦砂取代率小于 50% 時，混凝土標準養護 28 天后的電通量均有所降低，這說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，其摻入填充了混凝土內部的細小孔隙，提高了混凝土的密實性，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，電通量呈現先減小后增加的趨勢。這可能是因為摻入少量的顆粒較細的鉬尾礦砂可以填充混凝土內部孔隙，但摻入過量后使骨料級配變差，降低了混凝土的密實性，從而導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，混凝土抗氯離子侵蝕性能最好。

2.4 鉬尾礦砂摻量對混凝土抗碳化性能的影響

本試驗選用快速碳化箱對養護 28 天試件進行加速碳化試驗，鉬尾礦砂不同取代率對混凝土不同齡期碳化深度的影響數據見表 8，數據圖見圖 5。

圖 5 混凝土碳化深度試驗結果

表 8 混凝土碳化深度試驗結果

由圖 5 可知，鉬尾礦砂取代率 50% 以內對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略微先減小后增加的趨勢。這可能是因為鉬尾礦砂的細小顆粒在摻量較小時優化的混凝土孔結構，使整體更加密實。但當摻量過大后導致細骨料級配變差，影響混凝土的孔結構，從而降低混凝土的密實性，導致抗碳化性能下降。這說明一定摻量的鉬尾礦砂對混凝土抗碳化性能影響較小，但摻量過大后可能會導致抗碳化性能下降。

3 結論

（1）混凝土坍落度、擴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）鉬尾礦砂對機制砂的取代率小于 50% 時，混凝土抗壓強度差距較小。

（3）鉬尾礦砂摻入可提高混凝土抗氯離子侵蝕性能。當鉬尾礦砂取代率為 20% 時，混凝土抗氯離子侵蝕性能最好。摻量過高會導致抗氯離子侵蝕性能下降。

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