氧化石墨烯及銅尾礦粉透水混凝土的制備及力學(xué)性能研究*

任莉莉，王一航，朱街祿

（江西科技學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330098）

0 引言

尾礦是在特定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，選礦廠對原礦經(jīng)過一定的選別工藝流程，選取目標(biāo)“有用礦物成分”也就是精礦后排放的廢棄物[1]。江西是礦產(chǎn)資源大省，礦產(chǎn)資源十分豐富，銅、鎢、稀土、鈾、鉭鈮有“五朵金花”之稱。《江西省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃（2016—2020年）》顯示：截至 2015 年底，全省礦山累計(jì)占用及損壞土地約 71072 公頃，尾礦存放量 13.34 億噸。大量尾礦的排放及堆積，不僅造成資源浪費(fèi)，而且還占用大量土地，污染破壞生態(tài)環(huán)境，給人類生活帶來不必要的危害，對其綜合利用迫在眉睫。

透水混凝土主要由膠凝材料、粗骨料、少量（或不含）細(xì)骨料、水、外加劑按照一定配合比拌和而成的具有多孔可透水的復(fù)合材料[2]。其硬化后，由于其結(jié)構(gòu)中存在較多的孔隙，滲透性能良好，在海綿城市建設(shè)中可發(fā)揮重要的作用。

氧化石墨烯是迄今為止人們發(fā)現(xiàn)厚度最薄、韌性最好、強(qiáng)度最高的納米材料[3]。現(xiàn)有研究表明：氧化石墨烯對無機(jī)非金屬材料等具有明顯的增強(qiáng)增韌作用。從結(jié)構(gòu)和性能方面分析，氧化石墨烯對透水混凝土也具有增強(qiáng)增韌的可行性[4]，將氧化石墨烯以合理摻量摻入透水混凝土，可提高其強(qiáng)度與韌性并可有效防止透水混凝土產(chǎn)生裂縫，對于改善透水混凝土的強(qiáng)度與韌性具有重要的應(yīng)用價(jià)值[5]。

本研究試圖將銅尾礦為代表的工業(yè)廢渣與石墨烯結(jié)合制備透水混凝土，并使用于一般道路工程，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣銅尾礦的再利用，減輕銅尾礦堆積對自然環(huán)境的破壞及污染。銅尾礦單體水泥可減少傳統(tǒng)水泥的使用，減緩不可再生資源的消耗，降低 CO2溫室氣體的排放，利于保護(hù)環(huán)境，同時(shí)降低成本。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所需原材料有銅尾礦、石子、氧化石墨烯、減水劑及水。

（1）水泥

試驗(yàn)所用水泥為 P·O42.5水泥，由江西省萬年青水泥廠生產(chǎn)提供。經(jīng)測試，該水泥的各項(xiàng)物理指標(biāo)均符合現(xiàn)行國家普硅水泥標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）銅尾礦

試驗(yàn)所用銅尾礦由江西德興銅礦提供，經(jīng) 100℃ 烘干 24 小時(shí)后敲碎，過 1mm 方孔篩，除去大顆粒及雜質(zhì)。然后用試驗(yàn)室球磨機(jī)粉磨 60min 制備銅尾礦粉。銅尾礦的化學(xué)成分檢測結(jié)果如表 1 所示。

表1 銅尾礦的化學(xué)成分檢測結(jié)果 wt%

（3）氧化石墨烯

氧化石墨烯購自中科時(shí)代納米，購買的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1% 的氧化石墨烯溶液，基本參數(shù)如表 2 所示。

表2 氧化石墨烯溶液基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

透水混凝土的制備以抗壓強(qiáng)度與孔隙率為目標(biāo)，確定銅尾礦替代水泥的最佳配合比以及石墨烯的最佳摻量，以期制備的透水混凝土可應(yīng)用于一般路面工程。

采用設(shè)計(jì)配合比，成型 150mm×150mm× 150mm立方體試件，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 3d、7d 和 28d 齡期測試其抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度以 C20 混凝土為目標(biāo)，應(yīng)用于一般道路混凝土。養(yǎng)護(hù)至 28d 后由國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測其透水系數(shù)和耐磨性。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯及銅尾礦粉透水混凝土的配合比

按表 3 稱取一定量水泥、粗骨料、銅尾礦粉、氧化石墨烯，制備透水混凝土，試樣 1 為對比樣，試樣 2、3、4、5 采用銅尾礦粉取代 30% 水泥，其中試樣 3、4、5 為摻有氧化石墨烯的樣品，石墨烯外摻量分別為0.02%、0.04%、0.06%。每組試樣成型 6 個(gè)透水混凝土試件，置于標(biāo)準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至 28d 齡期時(shí)測試其抗壓強(qiáng)度，將 6 個(gè)試件抗壓強(qiáng)度平均值取為其抗壓強(qiáng)度值，結(jié)果見表 3。

表3 透水混凝土配合比和強(qiáng)度檢測結(jié)果

由表 3 可以看出，不摻銅尾礦粉的透水混凝土試塊抗壓強(qiáng)度最高，銅尾礦粉的摻入降低了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。由表 3 還可以看出，氧化石墨烯的摻入提高了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，氧化石墨烯摻量小于 0.06%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨著氧化石墨烯摻量的提高呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中抗壓強(qiáng)度最高的為摻有 0.04% 氧化石墨烯的 4 號試樣，較 2 號試樣抗壓強(qiáng)度提高了 2.2MPa，提高比例為 8.98%。

摻有氧化石墨烯及銅尾礦的透水混凝土經(jīng)國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，4 號試樣測試結(jié)果如下：透水系數(shù) 0.65mm/s（＞0.5mm/s），耐磨性 26.1mm（＜30mm），所有參數(shù)均符合 GJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的要求。

3 結(jié)論

（1）銅尾礦粉的摻入降低了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，氧化石墨烯的摻入提高了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，氧化石墨烯產(chǎn)量小于 0.06% 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨著氧化石墨烯摻量的提高呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中抗壓強(qiáng)度最高的為摻有 0.04% 氧化石墨烯的試樣。

（2）基于氧化石墨烯及銅尾礦的透水混凝土經(jīng)國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，所有參數(shù)均符合《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的要求。