尾礦特細砂與河砂復配在混凝土中的應用研究

熊大路，辛崇升，田慶斌，邢又家，姜瑞雙

（1. 濟南金曰公路工程有限公司，山東 濟南 250101；2. 山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；3. 山東省混凝土材料與橋梁結構工程技術研究中心，山東 濟南 250102）

引言

目前，國家加快了高速公路、高速鐵路、城市軌道交通等基礎設施的建設步伐，而對建設用砂的消耗也越來越大[1-3]。作為傳統的混凝土用細集料，河砂的儲備資源越來越少，同時，各地天然河砂的開采已受到限制，市場上的河砂品質也越來越難以保證[4]。橋隧混凝土用細集料一般選用中砂，然而現在各工地的粗砂卻隨處可見，細度模數均在3.1以上，且顆粒級配不合理，細顆粒含量較少。采用粒形和級配不合理的粗砂配制混凝土，不僅難以保證混凝土拌合物的工作性，易引起拌合物的泌水、離析，同時也難以保證混凝土結構的工程質量及長期耐久性。

近年來，尾礦砂的研究和應用越來越多[5-6]。尾礦砂來源于選礦廠排放的固體廢棄物，而其粒徑有大有小，其中，尾礦特細砂與天然特細砂一樣，具有平均粒徑小、顆粒級配是中間大兩頭小、細度模數小、比表面積大、需水量大的特點，若單獨使用特細砂配制混凝土，會導致混凝土拌合物黏度大、泵送困難、收縮大、易開裂等問題[7]。若要將特細砂應用到混凝土中，首先要解決好其級配單一、需水量大的問題。而特細砂與粗砂的復配，兩種材料可以取長補短，為發揮兩種材料各自的優勢提供了一條有效途徑[8-10]。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能指標見表1。（2）粉煤灰：F類I級粉煤灰，45μm方孔篩篩余量4.5%，需水量比96%，燒失量3.52%。（3）粗集料：5～20 mm連續級配的天然碎石，表觀密度2 725 kg/m3，含泥量0.2%，壓碎值21.0%。（4）細集料：天然河砂，表觀密度2 630 kg/m3，松散堆積密度1 525 kg/m3，含泥量1.4%，細度模數為2.67。（5）尾礦特細砂：表觀密度2 800 kg/m3，75μm以下顆粒含量4.5%，吸水率2.0%，細度模數0.82。（6）減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率26.3%。

表1 P·O 42.5水泥基本性質

1.2 配合比

試驗配制C40混凝土，以全河砂為基準配合比，研究特細砂替代15%河砂的混凝土各項性能發展，配合比見表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 細集料的顆粒級配

砂的顆粒級配試驗按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）進行測試。用特細砂等量取代河砂，特細砂的取代率分別為0%、10%、15%、20%、30%，對應的試驗編號為S1、S2、S3、S4、S5。并根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）有關細集料的技術要求，優選最佳的取代率，研究復配前后混凝土的性能。

1.3.2 混凝土的性能測試

（1）工作性能：根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2016）的試驗規定進行新拌混凝土的和易性測試；（2）抗壓強度：根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）進行。成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，養護24 h后拆模，放于混凝土養護室（溫度20±2℃，相對濕度大于95%）中養護至3 d、7 d、28 d、56 d后測試。（3）抗氯離子滲透性能：根據《混凝土結構耐久性設計與施工指南》（CCES01-2004）中的NEL法評價硬化混凝土的抗氯離子滲透性能，并根據表3進行滲透性評價。

表3 混凝土抗氯離子滲透性評價

2 結果與分析

2.1 特細砂與河砂復配后的顆粒級配

特細砂摻量對細集料的顆粒級配的影響見圖1。特細砂摻加可明顯改善粗砂的顆粒級配。隨著摻量增加，2.36 mm和1.18 mm的粗顆粒含量明顯降低，且0.3 mm和0.15 mm的細顆粒含量明顯增加。當摻加15%特細砂時，2.36 mm和1.18 mm的顆粒含量從25.2%和18.0%分別降低至18.2%和15.5%；而0.3 mm的顆粒含量則從16.8%增加至19.0%。

圖1 特細砂摻量對細集料顆粒級配的影響

由圖1（b）累計篩余曲線可知，未復配特細砂前，河砂（S1）不在II區的級配曲線范圍內，隨著特細砂的摻量增加，各粒徑累計篩余逐漸降低；當摻量達到15%后，細集料的級配曲線基本滿足II區砂的級配要求；但在摻量達到30%時，0.15 mm的累計篩余偏低，這說明0.15 mm以下的顆粒含量有了明顯增加。當0.15 mm以下細顆粒含量過多時，會明顯增加細顆粒的需水性，從而對混凝土拌合物的流動性產生不利影響。

圖2 為特細砂摻量對細集料的細度模數影響。隨著摻量增加，細集料細度模數從初始的3.34降低至2.38，摻加特細砂后，細集料的細度模數均在中砂（2.3～3.0）范圍內。當特細砂摻量為15%、20%時，細度模數為2.77、2.60，有利于改善混凝土的工作性能。綜合分計篩余、累計篩余及細度模數的研究結果，當特細砂摻量為15%時，細集料的顆粒級配達到了最優。

試驗表明，特細砂與粗砂的復配，可以實現兩者優勢互補，降低河砂的粗顆粒含量，增加細顆粒含量，優化細集料的顆粒級配，有利于細集料實現緊密堆積，減少松散堆積空隙率，提高混凝土的工作性能。

圖2 特細砂摻量對細集料細度模數的影響

2.2 混凝土的工作性能

細集料顆粒級配實驗表明，15%摻量的特細砂即可明顯改善細集料的顆粒級配。特細砂復配前后，混凝土的工作性能對比見表4。WS0組混凝土拌合物流動性差，保水性差，底部有泌水留出，且碎石的漿體包裹量不足，發生明顯的離析現象，見圖3（a）。采用15%特細砂與85%河砂復配的細集料配制的混凝土（WS1）拌合物的工作性能得到明顯改善，拌合物流動性非常好，且黏聚性保水性良好，坍落度達到240 mm，擴展度達到550 mm，但未發現泌水、泌漿等問題，見圖3（b）。

表4 摻15%特細砂的混凝土工作性能

圖3 混凝土工作性能對比

2.3 混凝土的力學性能

特細砂對混凝土強度的影響見圖4。隨著養護齡期的增加，有無特細砂的混凝土抗壓強度均逐漸增大。WS1試件的抗壓強度均高于WS0的抗壓強度，在28 d齡期時，WS1的抗壓強度達到57.7 MPa，比WS0試件抗壓強度高13.3%。特細砂的摻加改善了細集料的顆粒級配，填充了粗顆粒之間的空隙，提高了混凝土內部結構的均勻性和密實性，使得混凝土強度有所增加。

圖4 摻15%特細砂的混凝土抗壓強度

2.4 混凝土的抗氯離子滲透性能

特細砂對混凝土抗氯離子滲透性能影響見表5。NEL法測試結果顯示，WS0試件的56 d抗氯離子擴散系數為1.09×10-12m2/s，WS1試件的 56 d抗氯離子擴散系數為0.86×10-12m2/s。兩組試件的滲透性等級分別為III級和Ⅳ級，滲透性評價分別為中和低。摻加15%的特細砂，提高了混凝土的抗氯離子滲透性能，這是因為細集料中的細顆粒適量增加，可降低細集料的松散堆積空隙率，從而提高了基體的密實度，改善了混凝土的抗氯離子滲透性能。此外，拌合物良好的工作性，也有助于硬化混凝土耐久性能的提高。

表5 摻15%特細砂的混凝土56 d抗氯離子滲透性能

3 結語

（1）采用尾礦特細砂與天然河砂的復配，可改善細集料的顆粒級配。隨著特細砂摻量的增加，2.36 mm和1.18 mm的粗顆粒含量明顯降低，且0.3 mm和0.15 mm的細顆粒含量明顯增加。當特細砂摻量為15%時，細集料的級配曲線從I區改善到II區，細度模數從3.34降至2.77，此時，細集料的顆粒級配最合理。（2）尾礦特細砂與天然砂復配后，混凝土拌合物工作性得到明顯改善，坍落度達到240 mm，擴展度達到550 mm，且無泌水、離析發生，拌合物的流動性、黏聚性以及保水性均較好。（3）尾礦特細砂的摻加，提高了混凝土抗壓強度和抗氯離子滲透性能。與粗砂混凝土相比，特細砂與粗砂復配的混凝土28 d抗壓強度提高了13.3%，56 d氯離子擴散系數降低了21.1%。細集料中的細顆粒適量增加，填充了粗顆粒之間的空隙，可降低細集料的松散堆積空隙率，從而提高了基體的密實度。