凍融循環下鉛鋅尾礦砂混凝土力學性能試驗研究★

蔡雙陽，羅林成，周 健，曹 果，郭紅鑠

(湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001)

1 概述

我國建筑業發展進入了新時期，混凝土作為最常見的一種建筑材料，其使用量也逐年上升。據統計，2021年我國商品混凝土總產量為30.6億m3，同比增長5.53%。伴隨混凝土用量增加，砂石等原材料的需求也不斷上漲，但由于國家環保政策限制，河砂供應量減少，機制砂用量不斷增加。

鉛鋅尾礦砂是產自鉛鋅礦中的一種固體廢棄物，在我國有較大的堆積量，占用了較大的土地資源，規模較大的尾礦庫還會給周邊環境帶來一定安全隱患。目前常見的尾礦砂處理方式有礦區回填、制作肥料、二次采礦等方式。近年來，我國部分學者嘗試使用鉛鋅尾礦砂替代河砂配制混凝土，形成了一定成果。陳振富等[1]發現，當鉛鋅尾礦砂摻量為20%時，混凝土的強度較普通混凝土提高約8.6%；葉濤[2]研究了鉛鋅尾礦砂混凝土的動態劈拉力學性能，發現摻量為40%時，混凝土動態劈拉強度提升最大；吳慶文等[3]利用鉛鋅尾礦砂配制出了屏蔽性能較好的防輻射混凝土；筆者在之前也對鉛鋅尾礦砂混凝土進行過相關研究。

試驗采用湖南省常寧市某尾礦庫的鉛鋅尾礦砂，等體積替代河砂配制混凝土，通過凍融循環試驗，對比不同循環次數下混凝土力學性能變化。

2 試驗方案

2.1 原材料

水泥：湖南益陽海螺水泥有限責任公司生產的P.O42.5級水泥，表觀密度3.1 g/cm3。

粗骨料：粒徑5 mm～20 mm的碎石，無針片狀顆粒，表觀密度為2 720 kg/m3。

細骨料：普通河砂，含水率(質量分數)為5%，細度模數2.5，中砂，表觀密度為2 630 kg/m3；鉛鋅尾礦砂，含水率(質量分數)22%，細度模數1.7，細砂，表觀密度為2 740 kg/m3。

2.2 混凝土配合比及試件制作

為了充分對比鉛鋅尾礦砂摻量對混凝土抗凍性能的影響，配制了六組不同尾礦砂摻量的混凝土，分別為10%,20%,30%,40%,50%,60%，編號為LZC10-LZC60，還設置了一組普通混凝土用于對照分析，即LZC0。七組混凝土的設計強度等級均為C30，坍落度為60 mm，混凝土的水膠比為0.55，各組混凝土的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

按照上述配合比，制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件用于測定立方體抗壓強度及質量損失，尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件用于測定彈性模量。試件制作完以后，放入標準養護室養護28 d后取出。

2.3 試驗方法及數據計算

凍融循環試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[4]進行。采用湖南交通工程學院土木工程材料實驗中心的全自動凍融循環試驗箱，使用快凍法進行凍融循環，試件中心溫度控制在-20 ℃～7 ℃。凍融循環次數分別設定為50，100，150，200，250。達到規定凍融循環次數以后，取出試件稱重，依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[5]測定試件抗壓強度及彈性模量，并分別按照式(1)～式(3)計算質量損失率Lm、強度損失率Lf及彈性模量損失率LE。

蠻蠻剛入小學幾天，去接送時，遇到同學，遠遠在停車場他們就會很熱情很自然地叫蠻蠻的名字，常常根本是相反回家方向，而不是走路面對面要碰上了才打招呼，對此我印象深刻。以后多接觸美國小朋友，發現他們的確是非常有禮貌，基本的問候、“謝謝”之類不用說，行為上也彬彬有禮。見大人站直正面打招呼，不失真誠贊美別人，不認識的同齡小男孩在游樂場爬天梯爬到一半都特意退回去讓給蠻蠻，到家里來玩從不亂翻東西，需要什么都會先問：“我可以嗎？”有的東西給了，會說，“我的媽媽不讓我吃這個，謝謝……”

(1)

其中，m0為試件初始質量，g；mn為凍融后質量；n為凍融循環次數，下同。

(2)

其中，f0為試件初始抗壓強度，MPa；fn為凍融后的抗壓強度。

(3)

其中，E0為試件初始彈性模量；En為凍融后的彈性模量。

3 結果與分析

3.1 質量損失率

通過稱重可以測得在不同循環次數下，各組試件的平均質量如表2所示。

表2 各組試件平均質量 g

根據公式及表2數據，可算得各組試件質量損失率隨凍融循環次數增加的變化曲線圖，如圖1所示。

由圖1可知，隨著凍融循環次數增加，混凝土質量損失率增大。循環次數低于150次時，所有試件的質量損失率均低于5%，而當循環次數超過150次時，除LZC10和LZC20兩組試件的質量損失低于5%外，其余各組試件的質量損失均超過規范規定的5%限值，說明150次為試驗中混凝土凍融破壞的臨界值。

目前，混凝土凍融破壞機理有三種理論，分別是靜水壓假說、滲透壓假說、臨界水飽和度理論。一方面，試件中的水在結冰過程中，體積會膨脹約9%，理論上會使得同體積的水會被擠出試件內部[6]，但由于結冰往往是從靠近混凝土表面的自由水開始[7]，因此當混凝土表面被冰包裹，水難以排出，只能聚集在內部孔隙中，隨著結冰程度推進，內部孔隙中的水分受到冰晶擠壓，而對混凝土孔壁產生靜水壓力，造成孔壁到拉應力，當應力超過混凝土抗拉極限值，混凝土開裂，隨著凍融循環次數增加，上述過程不斷循環，裂縫逐漸擴展，鉛鋅尾礦砂與水泥漿之間的黏結遭到破壞，砂粒隨水流而流失，導致質量損失不斷加劇。

3.2 強度損失率

通過靜力抗壓試驗可測得各組試件在不同循環次數下的抗壓強度值，如表3所示。

表3 各組試件在不同循環次數下的抗壓強度值 MPa

根據式(2)可算得各組試件在不同循環次數下的強度損失率變化曲線，如圖2所示。

而對比不同組試件在相同循環次數下的強度損失可以發現，LZC20試件的強度損失明顯小于其余各組，主要原因是尾礦砂的摻入可以優化細骨料顆粒級配，使得混凝土試件內部的開口孔隙率降低，密實度提高，試件抗凍性能提高。另外，由于鉛鋅尾礦砂內部含有一定微小空隙，被水泥漿包裹后形成封閉孔隙，當自由水結冰導致體積增加時，部分冰晶壓力能被特細砂內部的微小空隙耗散，降低內部破壞程度。而隨著摻量增加，細骨料的總比表面積增加，達到相同流動性時的所需拌和用水量增加，但由于單位用水量固定，導致尾礦砂摻量超過30%時，砂漿流動性變差，混凝土中的細骨料無法完全被水泥漿包裹，內部和表面均容易形成較多的初始孔隙，從而使得開口孔隙率增加。

為充分驗證適量尾礦砂對初始孔隙率的影響，采用真空飽水法測定了各組試件的開口孔隙率，結果如表4所示。

表4 各組試件開口孔隙率 %

由表4中數據可知，LZC20組的開口孔隙率最低，說明20%尾礦砂的摻入在一定程度上能降低時間內部的初始開口孔隙數量。

3.3 相對動彈性模量損失

當凍融循環次數到達200次時，棱柱體試件在受荷后的極短時間內就發生了破壞，此時各組試件的彈性模量損失率極高，不具備理論意義，因此不予討論。當次數在150次及以下時，可以測得各組試件的彈性模量損失率曲線如圖3所示。

由圖3可知，各組混凝土試件的彈性模量均隨凍融次數增加而降低，當次數在50次～150次之間時，彈性模量下降較少，殘余彈性模量均超過初始彈性模量的60%，未達到規范規定的破壞界限，但次數超過100次后，彈性模量損失率加劇。當循環次數超過150次時，殘余彈性模量將低于初始彈性模量的60%，根據規范，此時混凝土試件達到破壞狀態，表明150次為試件所能承受的最大凍融循環次數，可以認為試驗中的混凝土抗凍等級為F150。

對比各組試件可以發現，相同凍融次數下，LZC20組的彈性模量下降幅度明顯低于其他組，綜合3.1,3.2所觀察到的現象，可以認為摻入20%的鉛鋅尾礦砂有利于提高混凝土的抗凍性。

4 結論與展望

1)鉛鋅尾礦砂混凝土的質量損失率、強度損失率、彈性模量損失率均隨凍融循環次數增加而下降，存在界限循環次數為150次。

2)當尾礦砂摻量為20%時，混凝土的質量損失率、強度損失率及彈性模量損失率較普通混凝土低，說明適量尾礦砂的摻入能夠提高混凝土的抗凍性能。

3)關于鉛鋅尾礦砂混凝土其他方面性能的研究較少，今后可以開展進一步研究。