基于正交實(shí)驗(yàn)金尾礦砂再生混凝土實(shí)驗(yàn)研究

李志強(qiáng)，張軒碩，卜娜蕊，俞勇，祝帆，李堰江

（1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000）

隨著我國(guó)金礦大規(guī)模的開(kāi)發(fā)，金尾礦的堆存量日漸增長(zhǎng)[1]。根據(jù)《全國(guó)礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報(bào)告（2019）》，2018年我國(guó)金尾礦砂的利用率僅為36.9%[2]。另一方面，隨著我國(guó)新型城鎮(zhèn)化速度的推進(jìn)，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(guó)在2006～2018年，建筑廢棄物堆放量由6.5億t增長(zhǎng)到21億t[3]，成為城市垃圾的主要源頭。由于對(duì)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(fèi)土地，而且污染周圍環(huán)境，更不符合我國(guó)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(hù)角度出發(fā)，必須對(duì)這兩種廢棄物進(jìn)行處理，避免二次污染；從資源角度出發(fā)，對(duì)這兩種廢棄物加以利用可變廢為寶，緩解我國(guó)天然砂石資源短缺的問(wèn)題。

目前，對(duì)于再生混凝土的研究已經(jīng)相對(duì)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(lái)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(guò)正交實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的四個(gè)因素，每個(gè)因素選擇三個(gè)水平，從而探究不同因素水平組合下對(duì)金尾礦砂再生混凝土基本力學(xué)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。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

金尾礦砂來(lái)源于河北張家口地區(qū)的尾礦砂，細(xì)度模數(shù)2.0，采用Smartlab9型X射線衍射儀對(duì)金尾礦砂進(jìn)行礦物成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖1，從圖1可知，金尾礦砂中主要礦物為石英、鈣長(zhǎng)石、石墨等。采用ARLAdvant X Intellipower TM3600X射線熒光光譜對(duì)金尾礦砂進(jìn)行化學(xué)成分分析，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)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(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(biāo)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(shí)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(jí)配良好的天然骨料和再生骨料，再生骨料來(lái)源于原始強(qiáng)度為C30的混凝土試塊，經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(jí)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(xué)成分/%Table 1 Main chemical composition of gold tailingssand

表2 金尾礦砂物化特性檢測(cè)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(cè)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

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為研究金尾礦砂再生混凝土的性能，重點(diǎn)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(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，采用L9（34）正交。各因素取代率見(jiàn)表5，配合比見(jiàn)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

1.3 試件的制作與實(shí)驗(yàn)方法

金尾礦砂在試件制作過(guò)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后，用WHY-2000型壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試金尾礦砂再生混凝土的兩種性能指標(biāo)。

表5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table5 Orthogonal test design

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定出各配合比下兩種性能指標(biāo)強(qiáng)度值，見(jiàn)表7。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)極差分析

利用表7的結(jié)果，對(duì)兩種指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 金尾礦砂再生混凝土正交實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度值Table 7 Orthogonal test strength value of recycled concrete with gold tailings sand

從表8立方體抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(jì)。顯然，無(wú)論是金尾礦砂再生混凝土還是普通混凝土，影響其強(qiáng)度值的較重要因素是水灰比。

表 8實(shí)驗(yàn)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(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，將四個(gè)因素三個(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)兩種強(qiáng)度指標(biāo)影響非常顯著，兩種強(qiáng)度指標(biāo)隨著水灰比的增大而降低。由于水灰比增大，水泥在水化過(guò)程中水分蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生大量的孔隙，使得密實(shí)度下降，然而二次破碎的再生骨料也會(huì)產(chǎn)生大量的縫隙，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。從極差分析中可看出，當(dāng)水灰比從水平1（0.45）變化至水平2（0.50），其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降了2.4%和8.5%；當(dāng)水灰比從水平2（0.50）變化至水平3（0.55），其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度變化呈現(xiàn)為先升高后降低。當(dāng)金尾礦砂從水平1（0）變化至水平2（30%）時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別增加了2.2%和5.9%；當(dāng)金尾礦砂從水平2（30%）變化至水平3（60%）時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)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(xì)，對(duì)混凝土的填充效應(yīng)明顯，當(dāng)取代率為30%時(shí)，可改善混凝土的密實(shí)性和均質(zhì)性。但當(dāng)取代率過(guò)高時(shí)，大量的細(xì)骨料被取代，使得骨料級(jí)配不合理，就會(huì)造成混凝土內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致強(qiáng)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(huì)使混凝土抵抗變形能力增強(qiáng)，強(qiáng)度提高。

（3）因素C（再生粗骨料取代率）的影響：兩種強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)隨著再生骨料的取代率增高而降低。再生骨料在破碎過(guò)程中受到機(jī)械力作用，骨料表面和內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量裂縫，當(dāng)再次受到荷載時(shí)，裂縫會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，使得再生混凝土強(qiáng)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(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度降低了2.1%，劈裂抗拉強(qiáng)度降低了3.3%。通過(guò)以上分析，在各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)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(duì)金尾礦砂再生混凝土兩種強(qiáng)度指標(biāo)影響較為顯著，兩種強(qiáng)度指標(biāo)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(yuǎn)低于水泥活性。所以當(dāng)粉煤灰取代水泥時(shí)，水泥的用量會(huì)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(qiáng)度的降低。從極差分析中可看出，當(dāng)粉煤灰從水平1（10%）變化至水平2（30%），抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降了4.1%和6.8%；當(dāng)粉煤灰從水平2（20%）變化至水平3（30%），抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降了5.1%和6.1%。

2.3 方差分析

通過(guò)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(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的誤差大小估算出來(lái)。為減小誤差進(jìn)行方差分析，方差分析見(jiàn)表9。

從表9方差分析結(jié)果中可得出，影響抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(duì)抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度影響顯著，金尾礦砂取代率對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度較顯著，再生粗骨料對(duì)金尾礦砂再生混凝土的兩種指標(biāo)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%。

3 方案優(yōu)化驗(yàn)證

3.1 方案優(yōu)化

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的兩種強(qiáng)度指標(biāo)分析，得到金尾礦砂再生混凝土的較佳配比。為驗(yàn)證金尾礦砂再生混凝土的適用性，對(duì)金尾礦砂再生混凝土、再生混凝土和普通混凝土的兩種強(qiáng)度指標(biāo)作對(duì)比見(jiàn)表10。通過(guò)對(duì)兩種強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度對(duì)比時(shí)，抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度分別上升了10.93%和20.73%。由此可見(jiàn)，當(dāng)摻入30%的金尾礦砂時(shí)，可有效提高再生混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)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

3.2 微觀驗(yàn)證分析

通過(guò)掃描電鏡（SEM）對(duì)混凝土的形貌、密實(shí)性等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。圖4（a）普通混凝土內(nèi)部有明顯的細(xì)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?yàn)槭湛s過(guò)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(huì)影響結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，使得強(qiáng)度降低。圖4（c）當(dāng)摻量為30%的金尾礦砂與30%的再生骨料混合作為骨料時(shí)，較好的顆粒級(jí)配，彌補(bǔ)了再生骨料多裂紋、孔洞的缺點(diǎn)，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和均質(zhì)性。

圖4 混凝土微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Concrete microstructure

3.3 金尾礦砂再生混凝土化學(xué)成分分析

為確保金尾礦砂再生混凝土在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)人體健康和地下水無(wú)影響，對(duì)金尾礦砂再生混凝土試件進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表11。由表11可知，金尾礦砂再生混凝土主要化學(xué)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(xì)骨料用于建筑生產(chǎn)，不僅可以開(kāi)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(xué)成分/%Table 11 Chemical composition of recycled concrete from gold tailings sand

4 結(jié)論

（1）金尾礦砂再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)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(guò)對(duì)普通混凝土、再生混凝土和金尾礦砂再生混凝土的強(qiáng)度性能和微觀結(jié)構(gòu)分析得到，當(dāng)金尾礦砂取代率為30%，金尾礦砂再生混凝土強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度有所提高，且混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。