金尾礦復合砂對不同強度等級混凝土性能的影響

童小根,張凱峰,,孟 剛,朱王科,王 敏,付萬長

(1.中建西部建設北方有限公司,西安 710065;2.西安市特種混凝土與低碳建材工程技術中心,西安 710065;3.長安大學建筑工程學院,西安 710064)

0 引 言

隨著我國城鎮化進程加快,大規模基礎設施建設蓬勃發展使得混凝土需求旺盛[1]。天然河砂作為混凝土生產原料組成中優質的細集料,由于被長期大量開采已瀕臨枯竭,再加之國家生態環境保護要求日益嚴格,部分天然砂石骨料廠被限制開采或關停,導致混凝土工程所需骨料緊缺[2]。金尾礦復合砂是金礦石經磨細提取黃金后排放的一種工業固體廢棄物,金礦在開采過程中會產生大量金尾礦復合砂,其堆積儲存不僅占用土地資源,污染環境,破壞植被,還易引發塌陷、滑坡和泥石流等自然災害[3-6],給生態環境和人類生命財產安全帶來巨大威脅。若能以金尾礦復合砂代替天然河砂在混凝土中資源化利用,不但可以緩解天然砂石資源短缺的問題,而且可以改善生態環境,變廢為寶。為此,國內外不少學者對該領域進行了探索研究。

孫婧等[7]利用金尾礦復合砂與普通砂搭配,制備出滿足流動性和RPC180力學標準的活性粉末混凝土。Ince[8]以金尾礦復合砂替代部分河砂制備再生砂漿,發現當金尾礦復合砂替代率不超過30%(文中摻量、替代率均為質量分數)時,水泥砂漿的抗壓強度隨著其替代率增加也不斷增大。Liu等[9]研究了金尾礦復合砂摻量對泡沫混凝土性能的影響,發現適量金尾礦復合砂的摻入可提高泡沫混凝土的密度、力學強度及抗滲性能。王長龍等[10]通過活化技術提升金尾礦的二次水化反應活性,將金尾礦用作膠凝材料制備的混凝土試件具有較好的力學性能。付萬長等[11]研究發現,450 ℃熱處理激發金尾礦,可使其28 d活性指數顯著提升。Wang等[12]利用不同物化特性的金尾礦分別作為礦物摻合料、細集料制備了超高性能混凝土。Cheng等[13]采用機械化學活化的金尾礦代替10%～40%的水泥制備混凝土,所制備的混凝土抗滲、抗凍及抗碳化耐久性能均滿足使用性能要求。Li等[14]將金尾礦細粉作為制備再生混凝土的輔助膠凝材料,金尾礦細粉在水化過程中可以發揮填充和微活性效應,當金尾礦摻量為20%～40%時,再生混凝土微觀結構均勻密實,具有較優的力學性能。

綜上,目前針對金尾礦在水泥基材料中的應用研究主要集中在作為細集料或者輔助膠凝材料使用。然而,利用金尾礦復合砂替代天然砂制備普通混凝土并探究其力學性能及耐久性能的研究較少。基于目前金尾礦的研究現狀,本文對金尾礦復合砂和天然河砂進行物化成分分析,并確定二者組成的混合砂較優顆粒級配和搭配比例;在此基礎上,進一步研究混合砂中金尾礦復合砂替代率對不同等級C30～C50混凝土和易性、力學性能和耐久性能的影響,從而探究滿足混凝土綜合性能較優的金尾礦復合砂替代率范圍,以期為金尾礦復合砂的規模化開發利用提供數據支撐。

1 實 驗

1.1 原材料

本研究選取潼關某建材有限公司的金尾礦樣品,其XRD譜見圖1,主要化學組成及物理性能指標如表1、2所示。從圖1可知,石英在金尾礦復合砂礦物組分中占比最大,SiO2是石英的主要成分,這與化學成分分析中SiO2含量最高相吻合。

表1 金尾礦復合砂的化學成分

表2 金尾礦復合砂的物理性能

圖1 金尾礦復合砂的XRD譜

其他原材料包括:陜西冀東P·O 42.5級水泥;銅川華能電廠II級粉煤灰,細度為19.3%,需水量為96%,燒失量為3.3%;韓城S95級礦粉,比表面積為400 m2/kg,28 d活性指數為97%;碎石粒徑為5～20 mm,表觀密度為2 730 kg/m3,緊密堆積密度為1 510 kg/m3,壓碎指標為10%;天然河砂細度模數為2.3,表觀密度為2 640 kg/m3,緊密堆積密度為1 530 kg/m3;中建西部建設新材料科技有限公司生產的聚羧酸外加劑,減水率為31%;自來水。

1.2 金尾礦復合砂組成設計

試驗固定混合砂總量為2 000 g,以金尾礦復合砂按照等梯度10%為間隔分別替代河砂組成混合砂,替代率在混合砂總量的0%～100%內變化。對得到的混合砂分別采用不同粒級標準篩進行篩分,其曲線如圖2所示。金尾礦復合砂和天然河砂按不同比例搭配成的混合砂細度模數、松散堆積密度及空隙率見表3。

表3 混合砂的細度模數、松散堆積密度和空隙率

圖2 混合砂的級配曲線

由圖2可知,金尾礦復合砂顆粒粒徑分布不連續,大部分處于0.60 mm以下,不宜單獨用作混凝土細集料,需與較粗顆粒搭配使用以優化級配。根據圖中混合砂級配曲線變化趨勢可知,隨著金尾礦復合砂取代河砂比例的增加,混合砂級配曲線逐漸超出II區中砂區間范圍,其顆粒級配表現為越來越細。

由表3可知,當金尾礦復合砂摻量為10%～30%時,混合砂為中砂。當金尾礦復合砂摻量為40%～60%時,混合砂為細砂。當金尾礦復合砂摻量為70%～90%時,混合砂為特細砂。當金尾礦復合砂替代率不超過50%時,混合砂顆粒之間形成密實堆積結構,具有較高的松散堆積密度和較低的空隙率。

1.3 配合比設計

為了最大限度利用金尾礦復合砂取代天然河砂,以緩解天然河砂資源匱乏及價格高昂的緊張局面,滿足工程中C30～C50強度等級混凝土使用性能的要求,試驗以純天然河砂作細集料配制的C30～C50混凝土為基準組(見表4),在此基礎上分別按照金尾礦復合砂替代率10%、20%、30%、40%和50%等質量替代天然河砂配制不同強度等級混凝土,通過調整外加劑摻量控制混凝土工作性。

表4 C30～C50混凝土的基準配合比

1.4 測試與表征

混凝土工作性測試方法參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行測定。硬化混凝土抗壓強度測試參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行。混凝土抗碳化性能、抗凍性能參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009) 進行,其中抗凍性能試驗采用快凍法。利用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)對混凝土微觀水化產物形貌特征進行分析。

2 結果與討論

2.1 金尾礦復合砂替代率對混凝土工作性的影響

2.1.1 坍落度和擴展度結果分析

在不同金尾礦復合砂替代率10%、20%、30%、40%和50%下分別制備C30～C50混凝土,試驗過程中保證相同強度等級各組配合比總用水量不變,通過改變外加劑摻量對所制備的混凝土工作性進行調節,使其坍落度控制在200～240 mm,擴展度大于500 mm。圖3為滿足相近工作性的外加劑摻量。由圖3中外加劑摻量數據變化規律可看出,隨著金尾礦復合砂取代河砂比例的增加,在滿足相近工作性條件下,外加劑摻量均呈不斷增大趨勢。這主要是由于金尾礦復合砂顆粒粒度較天然河砂細,等質量替代天然河砂相當于增大了混凝土組成體系中微細顆粒含量,而細顆粒比表面積大,需水量和對外加劑吸附作用大,為了不改變水膠比且能滿足混凝土工作性要求,則需要增加外加劑摻量以改善混凝土的和易性。然而,隨著金尾礦復合砂替代率的增大,新拌混凝土漿體黏稠性也增大,導致外加劑摻量不斷升高。

圖3 滿足相近工作性的外加劑摻量

2.1.2 含氣量結果分析

不同強度等級新拌金尾礦復合砂混凝土的含氣量結果見圖4。由圖可知,隨著金尾礦復合砂替代率的增加,新拌混凝土的含氣量呈先下降后上升趨勢,摻加減水劑后,未摻金尾礦復合砂的C30、C40、C50混凝土基準組含氣量分別為3.2%、2.3%和3.2%。當金尾礦復合砂替代率由0%增加到30%時,C30、C40、C50混凝土含氣量均達最低值,分別降低了12.5%、21.7%和21.9%;當金尾礦復合砂替代率由30%增加到50%時,C30、C40、C50混凝土含氣量反向增大,分別增加了21.4%、38.9%和12.0%。這可能是因為隨著金尾礦復合砂替代比例增加,混合砂顆粒之間的粒級分布趨于密實級配,使原先填充混凝土內部空隙的氣體得以逸出,從而降低了含氣量;而當金尾礦復合砂替代率超過30%并進一步增大時,混凝土拌合物工作性不斷下降,結合圖3分析可知,為了調節工作性而提高外加劑摻量時,混凝土所含的引氣組分增加,在混凝土拌制過程中引入并滯留了更多的空氣,從而增大了混凝土的含氣量。

圖4 C30～C50混凝土的含氣量

2.2 金尾礦復合砂替代率對混凝土抗壓強度的影響

混凝土力學性能的優劣往往通過抗壓強度作為評價指標。金尾礦復合砂替代河砂的不同比例對復合砂顆粒級配及空隙率有較大影響,而復合砂的空隙率大小與混凝土強度之間有著必然的聯系。

圖5～圖7為C30～C50混凝土不同金尾礦復合砂替代率下各齡期的抗壓強度變化曲線。從圖中可以看出,隨著金尾礦復合砂取代河砂比例由10%增大至50%,在保證新拌混凝土具有相近工作性的前提下,混凝土各齡期抗壓強度值整體都呈先上升后下降的趨勢,且摻入金尾礦復合砂的混凝土試件各齡期抗壓強度均基本高于未摻金尾礦復合砂的基準組試件,其中在金尾礦復合砂替代率為20%時,C30混凝土7、28、56 d抗壓強度最高,分別為37.2、47.7、51.0 MPa,相對于未摻金尾礦復合砂的基準組分別提高了12.0%、17.5%、16.4%;當金尾礦復合砂替代率為30%時,C40混凝土7、28、56 d抗壓強度最高,分別為50.7、59.8、67.1 MPa,相對于未摻金尾礦復合砂的基準組分別提高了12.7%、6.0%、10.4%;當金尾礦復合砂替代率為30%時,C50混凝土7、28、56 d抗壓強度最高,分別為60.9、77.0、79.9 MPa,相對于未摻金尾礦復合砂的基準組分別提高了8.7%、14.9%、6.7%。抗壓強度提高主要是因為[15-18]:一方面,金尾礦復合砂中含有大量粒徑小于0.75 μm的粉末顆粒,該粉末顆粒具有一定潛在膠凝活性,隨著水泥水化反應的持續進行,可與水化產物Ca(OH)2結合發生二次水化反應,生成水化硅酸鈣凝膠,并填充于硬化漿體內部的微孔隙結構,從而提高混凝土中水泥石基體的密實度;另一方面,隨著金尾礦復合砂替代河砂比例的增大,混合砂顆粒級配得到改善,其中在金尾礦復合砂替代率為20%～30%時,天然河砂與金尾礦復合砂微細顆粒之間互為密實填充,進而使混凝土達到較佳的均勻致密狀態。因此,摻入金尾礦復合砂的混凝土試件強度提高且在摻量為20%～30%時達到較大值。

圖5 C30混凝土的抗壓強度

圖6 C40混凝土的抗壓強度

圖7 C50混凝土的抗壓強度

2.3 金尾礦復合砂替代率對混凝土耐久性能的影響

2.3.1 金尾礦復合砂混凝土抗碳化試驗研究

混凝土一旦發生碳化便會引起內部堿度降低,對鋼筋的保護作用減弱。摻加金尾礦復合砂混凝土的抗碳化能力是衡量混凝土耐久性能的重要指標之一。

圖8～10分別為C30～C50混凝土在不同金尾礦復合砂替代率下的碳化深度。通過圖8～10中可看出:隨著混凝土強度等級的提高,相同齡期混凝土的平均碳化深度值逐漸降低;隨著金尾礦復合砂取代河砂比例由10%增大至50%, C30～C50混凝土平均碳化深度隨著齡期延長總體表現為先降低后增大的變化趨勢,其中C30、C40、C50混凝土在金尾礦摻量分別為20%、30%、30%時,28 d碳化深度達到最小值,此時碳化深度值分別為9.6、1.8、1.1 mm,相對于未摻金尾礦復合砂的基準組分別降低了66.2%、48.6%、42.1%;而隨著金尾礦復合砂摻量的進一步增大,碳化深度值開始逐漸增加,在金尾礦摻量為50%時,C30、C40、C50混凝土的28 d碳化深度值分別為17.2、5.3、1.8 mm,同時結合C30、C40、C50混凝土試件28 d碳化深度照片(見圖11)可知,碳化深度值整體都不大,說明該混凝土具有較好的抗碳化性能。

圖8 C30混凝土的碳化深度

圖9 C40混凝土的碳化深度

圖10 C50混凝土的碳化深度

圖11 C30～C50混凝土試件28 d的碳化深度照片

2.3.2 金尾礦復合砂混凝土抗凍性試驗研究

用金尾礦復合砂替代不同比例河砂制成C30～C50混凝土,并對其進行抗凍試驗。金尾礦復合砂替代率與混凝土質量損失率、相對動彈性模量的關系如圖12～17所示。

圖12 C30混凝土的質量損失率

圖13 C40混凝土的質量損失率

圖14 C50混凝土的質量損失率

圖15 C30混凝土的相對動彈性模量

圖16 C40混凝土的相對動彈性模量

由圖中數據變化規律可知,C30～C50混凝土試件質量損失率隨著凍融循環次數的增加而不斷增大,相對動彈性模量呈相反的變化趨勢。在凍融循環300次,金尾礦復合砂替代率為0%、10%、20%、30%、40%、50%時,C30混凝土質量損失率分別為4.90%、4.44%、1.87%、2.44%、2.99%、3.49%,相對動彈性模量分別為38.66%、41.24%、83.41%、55.85%、68.63%、44.25%;C40混凝土質量損失率分別為2.62%、2.70%、1.72%、1.11%、1.91%、2.71%,相對動彈性模量分別為78.08%、75.39%、84.68%、87.46%、81.14%、72.71%;C50混凝土質量損失率分別為0.95%、1.44%、0.64%、0.54%、0.73%、0.88%,相對動彈性模量分別為87.23%、86.73%、92.20%、93.17%、90.57%、88.60%。由圖中數據分析可以看出,在金尾礦復合砂替代率為20%～30%時,隨著凍融循環次數的增加,C30～C50混凝土質量損失程度較小,相對動彈性模量衰減幅度較緩,具有較好的抗凍性能。

綜合上述金尾礦復合砂替代率對C30～C50混凝土抗碳化性能和抗凍性能影響分析可知,在金尾礦復合砂替代率為20%～30%時,金尾礦復合砂顆粒之間具有最緊密堆積集料級配,所制備的混凝土內部孔隙結構得到改善,孔隙率降低,結構致密性增強,有利于減少或阻斷外界氣體與水分等侵入混凝土內部,使混凝土自身抗碳化性能和抗凍性能增強。而隨著金尾礦復合砂替代率進一步增大,顆粒之間較優的級配組合趨于失衡,混凝土結構密實性降低,形成大量開口或連通孔隙,為二氧化碳氣體和水分的進入提供了更多通道,從而導致混凝土抗碳化性能和抗凍性能又開始減弱。

2.4 SEM微觀分析

為進一步分析金尾礦復合砂替代率對混凝土微結構的影響,分別選取金尾礦復合砂替代率為0%、10%、30%、50%的C50混凝土試樣進行SEM分析。不同金尾礦復合砂替代率混凝土的SEM照片見圖18。

圖18 金尾礦復合砂混凝土的SEM照片

由圖18(a)可知,未摻加金尾礦復合砂的基準組混凝土內部存在較多孔隙,并伴有少許微細裂縫;當金尾礦復合砂替代率為10%時,由圖18(b)可知,混凝土內部結構更為致密,孔隙缺陷有所改善;當金尾礦替代率由10%增加到30%時,由圖18(c)可見,水化產物之間緊密膠結,形成密實度良好的整體,孔隙數量進一步降低;當金尾礦復合砂的替代率繼續增加至50%時,由于金尾礦復合砂與河砂組成的混合砂顆粒分布不均,未形成均勻連續的密集料級配,導致空隙率增加。結合前述抗壓強度及耐久性結果分析可知,合理的金尾礦復合砂替代率可優化顆粒間的級配而趨于緊密堆積,降低混凝土內部孔隙率,密實微觀結構,從而使混凝土具有更加優異的力學和耐久性能。

3 結 論

1)金尾礦復合砂與河砂搭配組成的混合砂中,隨金尾礦復合砂摻量的增加,混合砂的級配越來越細。當金尾礦復合砂摻量低于50%時,混合砂的松散堆積密度較高,空隙率較小,級配更接近II區中砂。

2)當金尾礦復合砂摻量從0%增加到50%時,C30～C50混凝土抗壓強度和耐久性能均先提高后降低,在金尾礦復合砂摻量為20%～30%時,混凝土抗壓強度增幅較大,且具有較優的抗碳化性能和抗凍性能。

3)隨著金尾礦復合砂摻量增大,水化產物的密實性先增加后降低,其中在金尾礦復合砂摻量為30%時水化產物相互交織形成致密結構,與宏觀試驗相互印證。