稀土尾礦對再生骨料混凝土性能的影響

景凱宇 ，王克強

（1.赤峰學院，內蒙古 赤峰 024005；2.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州 450006）

目前，全球稀土元素(例如Ce、La、Nd、Pr、Sm、Y和Eu)產量的8%來自澳大利亞，而約85%來自中國，其余7%分布在巴西、印度、美國、南非、俄羅斯和馬來西亞[1]。在從礦石中提煉金屬和煉鋼的過程中，尾礦和爐渣的數量不斷增加。稀土尾礦為粉末狀，其數量大于礦渣，是環(huán)境污染的主要來源之一[2]。據中國稀土工業(yè)協會統(tǒng)計，2019年我國稀土儲量約4400萬t，稀土及產品出口量達90431 t[3]。據專家介紹，中國稀土生產產生的固體廢物每年接近1000萬t，稀土尾砂儲量已飆升至100多億t，這些尾礦通常被直接棄置在露天垃圾場。據統(tǒng)計，包鋼稀土尾礦存儲容量超過2億t，尾礦礦山的占地面積20多平方公里。贛南地區(qū)存在大量稀土尾礦庫，造成當地植被破壞、水土流失、農田侵蝕、生態(tài)惡化等一系列負面影響。尾礦的管理程序不可避免地造成了土壤和地下水的污染[1-5]。因此，稀土尾砂的回收利用是近年來隨著環(huán)境保護工作的加強而面臨的一個嚴峻挑戰(zhàn)，所以稀土尾礦的綜合治理迫在眉睫。混凝土是當代社會發(fā)展中適用范圍最廣用量較大是不可或缺的復合建筑材料，其中骨料約占混凝土體積的55% ～80%。以稀土尾礦砂制備混凝土可成為用量較大的途徑之一。

另一方面，隨著城市現代化的不斷推進，大量現有的混凝土結構將被改造或拆除，從而產生大量的廢棄混凝土[6-7]。廢棄物混凝土的循環(huán)利用是一個迫切需要解決的問題，混凝土回收在可持續(xù)發(fā)展路線圖中發(fā)揮著關鍵作用，既有助于提高建筑行業(yè)的可持續(xù)性，也有助于減少因礫石、沙子和其他礦物等自然資源的開采而對環(huán)境產生的影響，有利于環(huán)境和資源的可持續(xù)發(fā)展。目前，各國廢舊混凝土的綜合利用率不盡人意，廢棄建筑的處置方式主要是堆砌和填埋，嚴重污染環(huán)境[8]。根據計算，新建道路和翻新道路會產生大量的廢棄混凝土。一條寬9 m、厚24 cm的二級混凝土道路每公里改造可產生2160 m3廢混凝土，一條10公里的高速公路每公里可產生數萬m3廢混凝土。此外，研究表明，天然石材資源正在逐漸枯竭，因此，迫切需要推動廢舊混凝土的回收利用。建筑垃圾的回收主要集中于從廢棄混凝土中獲得的再生骨料的再利用。對廢混凝土的研究和利用可以追溯到1946年Gluzhge第一次利用廢混凝土骨料形成骨料。通過研究發(fā)現，廢棄混凝土骨料的密度低于普通混凝土的密度。目前，美國、日本、歐洲等國家都頒布了相關的法律和技術標準來規(guī)范再生混凝土的使用，廢舊混凝土的再利用研究[9-11]得到了迅速的發(fā)展。在資源與環(huán)境的雙重壓力下，再生混凝土已成為學者們關注的焦點課題，其理論價值和工程應用意義重大[12]。

因此，為進一步提高稀土尾礦及廢棄混凝土的利用率，改善生態(tài)環(huán)境，本研究以破碎后的廢棄混凝土為粗骨料，以稀土尾礦砂為細骨料，研究了稀土尾礦砂的摻量對C30再生骨料混凝土工作性能、力學性能以及耐久性的影響。

1 實驗原材料

實驗所用水泥為P.O 42.5水泥，粉煤灰為二級粉煤灰，其化學成分見表1，物理性能見表2。

表1 原材料化學組成/%Table 1 Chemical composition of raw materials

表2 水泥基本物理性能Table 2 Basic physical properties of cement

實驗所用細集料為機制砂中砂，細度模數為2.5，級配見表3；粗集料為再生骨料，粒度分布為5～20 mm。外加劑采用聚羧酸減水劑，減水率為36.1%，固含量為19%。實驗用水為自來水。

表3 砂級配合比/%Table 3 Sand grade mixing ratio

2 試樣制備及測試

參照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》對C30混凝土的配合比進行設計，配比見表4；參照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對C30混凝土工作性能進行檢測；參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對C30混凝土進行強度測試，成型模具：100 mm×100 mm×100 mm，成型環(huán)境為：溫度20±2 ℃，濕度98% RH，養(yǎng)護環(huán)境：泡水養(yǎng)護，水溫20±2 ℃。依據GB/T 50082-200《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對C30混凝土抗凍性能進行測試。

表4 混凝土配合比設計/（kg/m3）Table 4 Concrete mix ratio design

采用Axios型X-射線熒光光譜儀進行原材料的成分分析；使用掃描電子顯微鏡（TM-4000）觀察樣品的微觀結構。使用壓汞法（自動孔IV9500，最大汞滲透壓力：30000 Psi）測量混凝土的孔結構。

3 實驗結果及分析

3.1 尾礦砂的性能測試

參照JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》對稀土尾礦砂的性能進行測試。顆粒級配曲線見圖1。由圖可知尾礦砂的顆粒主要分布在-0.160 mm，尾礦較細。尾礦砂基本物理性能見表5。

圖1 尾礦砂的級配曲線Fig.1 Grading curve of tailing sand

表5 尾礦砂基本物理性能Table 5 Basic physical properties of tailing sand

3.2 尾礦砂的摻量對混凝土工作性的影響

混凝土的工作性主要由和易性體現，而和易性主要通過坍落度和擴展度的測試而得到，見圖2。坍落度和擴展度的比值體現了混凝土和易性的優(yōu)劣，比值過高混凝土粘稠，比值過低會出現離析泌水現象。因此，新拌混凝土以及經時損失后混凝土的和易性的控制極其重要。

圖2 和易性評定方法（sl-坍落度，sf-擴展度）Fig.2 Method of assessing the compatibility (sl - slump, sf - spread)

尾礦砂對再生骨料混凝土的坍落度影響見圖3。由圖3可知，隨著尾礦砂從0%增加到20%、40%、60%、80%及100%，混凝土的初始坍落度從252 mm不斷降低到到250、245、233、216及208 mm。靜置1 h后，各組分的混凝土坍落度均出現了一定的損失，且尾礦砂摻量越高坍落度損失越大，隨著尾礦砂從0%增加到20%、40%、60%、80%及100%，混凝土1 h后的坍落分別降低到251、247、231、215、196及185 mm，損失率分別為0.4%、1.2%、5.7%、7.7%、9.2%及11.0%。尾礦砂對再生骨料混凝土的擴展度影響見圖4。由圖4可知，與坍落度規(guī)律相似，隨著尾礦砂從0%增加到20%、40%、60%、80%及100%，混凝土的初始擴展度從620 mm不斷降低到610、603、588、572及560 mm。靜置1 h后，基準組擴展度沒有變化，摻尾礦砂的混凝土擴展度分別降低到605、590、575、551及530 mm，分別降低了0、0.8%、2.1%、2.2%、3.6%及5.3%。再生骨料混凝土的和易性可以通過其坍落度和擴展度的計算結果來表示，其結果見圖5。結果表明，尾礦砂的摻入對混凝土和易性呈現出了劣化的作用，其中對初始和易性的影響較小，其sl/sf比值始終高于0.37。與初始和易性不同，當尾礦砂的摻入量為80%與100%時，靜置1 h后的混凝土的sl/sf比值相對較低，分別為0.36與0.35，但均約等于0.4。表明完全采用尾礦砂作為混凝土的細骨料的C30混凝土的和易性可達到使用需求。

圖3 尾礦砂摻量對再生骨料混凝土坍落度的影響Fig.3 Effect of tailing sand admixture on slump of recycled aggregate concrete

圖4 尾礦砂摻量對再生骨料混凝土擴展度的影響Fig.4 Effect of tailing sand admixture on the extension of recycled aggregate concrete

圖5 尾礦砂對再生骨料混凝土和易性的影響Fig.5 Effect of tailing sand on the compatibility of recycled aggregate concrete

3.3 尾礦砂的摻量對混凝土抗壓強度的影響

尾礦砂對再生骨料混凝土抗壓強度影響見圖6。尾礦砂的摻入提升了再生骨料混凝土的抗壓強度，尾礦砂的摻量高于40%的條件下再生骨料混凝土的抗壓強度能達到C40等級，當尾礦砂的摻量為20%的條件下再生骨料混凝土的抗壓強度能達到C30等級。由圖6可知，隨著尾礦砂從0%增加到20%、40%、60%、80%及100%，再生骨料混凝土的7 d抗壓強度從26.3 MPa不斷增加到27.8、30.2、30.9、32.1及33.5 MPa；28 d抗壓強度從36.1 MPa不斷增加到38.6、41.2、44.3、46.8及48.7 MPa，分別增加了6.9%、14.1%、22.7%、29.6%及34.9%；90 d抗壓強度從45.2 MPa不斷增加到46.9、48.8、50.3、54.2及58.1 MPa，分別增加了3.8%、8.0%、11.3%、19.9%及28.5%。這是因為相比于天然砂尾礦砂較細，細顆粒的尾礦砂的摻入能夠為水泥顆粒的水化提供成核位點，從而促進水泥顆粒的水化；另一方面，較細的尾礦砂填充了混凝土的孔隙，降低了混凝土的孔隙率，增強了混凝土的密實程度，從而增強了再生骨料混凝土的抗壓強度。

圖6 尾礦砂摻量對再生骨料混凝土抗壓強度的影響Fig.6 Effect of tailing sand admixture on compressive strength of recycled aggregate concrete

3.4 尾礦砂的摻量對混凝土耐久性的影響

本研究采用快凍法測試了尾礦砂的摻量對再骨料混凝土抗凍性能的影響。測試方法為:將標養(yǎng)27 d的100 mm×100 mm×400 mm試塊泡水1 d，而后記錄其質量，泡水后再于快速凍融循環(huán)養(yǎng)護箱中進行實驗，每循環(huán)10次稱量一次質量并測試動彈模量，通過質量損失率以及相對動彈模量來判斷再生骨料混凝土的抗凍能力。尾礦砂摻量對再生骨料混凝土抗凍性能的影響見圖7，由圖可知隨著凍融次數的不斷增加，混凝土的質量損失不斷增大，相對動彈模量不斷降低；隨著尾礦砂摻量的增加，混凝土的質量損失率不斷降低，相對動彈模量不斷升高。凍融循環(huán)100次后，隨著尾礦砂從0%增加到20%、40%、60%、80%及100%，質量損失率從7.6%不斷減小至7.3%、7.0%、6.5%、5.3%及4.5%，相對動彈模量從97.1%不斷增加至97.5%、97.9%、98.5%、98.9%及99.1%。這是因為，尾礦砂促進了基體的水化反應，提高了基體的密實程度，減少了基體的孔隙率，促使基體更加密實，從而增強了抗凍能力。

圖7 尾礦砂摻量對再生骨料混凝土抗凍性能的影響Fig.7 Effect of tailing sand admixture on frost resistance of recycled aggregate concrete

研究表明[12]，混凝土的碳化將加速混凝土中鋼筋的腐蝕，因此本研究測試了尾礦砂對再生骨料混凝土的抗碳化性能的影響。測試方法為：將100 mm×100 mm×100 mm試塊標養(yǎng)28 d，于CO2為濃度為（20±3）%，濕度為（70±5）% RH，溫度為（20±2）℃的環(huán)境中進行碳化養(yǎng)護，測試了混凝土碳化7、28、56 d的碳化深度。尾礦砂對再生骨料混凝土碳化性能的影響見圖8，其碳化深度隨著尾礦砂摻量由0%增加到20%、40%、60%、80%及100%而不斷降低，這是因為尾礦砂提高了基體的密實程度，減少了基體的孔隙率，促使基體更加密實，從而增強了抗碳化力，表明尾礦砂的摻入有助于提高混凝土的抗碳化能力。

圖8 尾礦砂摻量對再生骨料混凝土碳化性能的影響Fig.8 Effect of tailing sand admixture on carbonation properties of recycled aggregate concrete

3.5 尾礦砂的摻量對混凝土微觀性能的影響

尾礦砂對再生骨料混凝土微觀孔隙的影響見圖9。如MIP測試結果，尾礦砂的摻入降低了混凝土100～1000 nm處的孔隙數量，降低了混凝土的總孔容，從而增強混凝土的密度，進一步表明尾礦砂的摻入填充了混凝土的孔隙，降低了混凝土的孔隙率，增強了混凝土的密實程度，從而增強了再生骨料混凝土的抗壓強度。

圖9 尾礦砂摻量對再生骨料混凝土微觀孔隙的影響Fig.9 Effect of tailing sand admixture on microscopic pores of recycled aggregate concrete

尾礦砂再生骨料混凝土養(yǎng)護28 d后SEM見圖10。由圖10可知隨著尾礦砂摻量的增加混凝土表面孔洞數量變少，孔徑變小，基體逐漸致密。與基準組C30-0對比，隨著尾礦砂摻量由20%不斷增加到40%、60%、80%、100%，混凝土表面密實度不斷變化，其中C30-0表面孔隙較大，C30-100較密實，這與MIP測試結果一致。

圖10 C30混凝土養(yǎng)護28 d后SEMFig.10 SEM of C30 concrete after 28 d of curing

4 結 論

（1）稀土尾礦砂可被用于C30混凝土的制備，當尾礦砂完全取代細骨料時，每生產一立方米的混凝土將消耗850 kg的稀土尾礦。

（2）稀土尾礦砂的摻入降低了混凝土的坍落度及流動度，但其sl/sf比值始終高于0.35。尾礦砂的摻入提升了再生骨料混凝土的抗壓強度，摻量高于40%的條件下再生骨料混凝土的抗壓強度能達到C40等級，當尾礦砂的摻量為20%的條件下再生骨料混凝土的抗壓強度能達到C30等級。

（3）尾礦砂的摻入改善了混凝土的微觀孔隙結構，尾礦砂摻量越高混凝土孔隙率越低，基體越密實，抗凍性能及抗碳化性能越好。凍融循環(huán)100次后，隨著尾礦砂從0%增加到20%、40%、60%、80%及100%，質量損失率從7.6%不斷減小至7.3%、7.0%、6.5%、5.3%及4.5%，相對動彈模量從97.1%不斷增加至97.5%、97.9%、98.5%、98.9%及99.1%。其7 、28及5 d碳化深度也隨著尾礦砂摻量的增加而不斷降低，