朱永祥，林祖宏，2，梁冠軍

（1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系；2.滁州市揚(yáng)帆新型建材有限公司，安徽滁州239000）

銅礦尾砂綠色混凝土的力學(xué)性能及耐久性試驗(yàn)研究

朱永祥1，林祖宏1，2，梁冠軍1

（1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系；2.滁州市揚(yáng)帆新型建材有限公司，安徽滁州239000）

利用銅礦尾砂部分取代混凝土拌合料中河砂的方法，制作出水灰比分別為0.4、0.45、0.5，尾砂外摻率從0％至60％的綠色新型環(huán)?；炷?，即銅礦尾砂混凝土。通過對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的試件進(jìn)行各種工況的力學(xué)試驗(yàn)，研究了銅礦尾砂外摻率對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響，另外考慮到耐久性問題，對(duì)試件進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明：在水灰比為0.4、0.45和0.5的情況下，銅礦尾砂對(duì)拌合料進(jìn)行外摻（外摻率最高可達(dá)60％），且在尾砂高外摻率下試件表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度特性和耐久性能。

銅礦尾砂混凝土；水灰比；試驗(yàn)研究；強(qiáng)度；耐久性

針對(duì)銅礦尾砂處置研究國(guó)內(nèi)外的科研人員已做了大量工作，一般來說主要有三個(gè)方面：一是“堵”的方法，控制污染擴(kuò)大的速度，減少工廠排放；二是“固”做法，傾倒的尾砂量越來越大，形成尾砂庫，為了防止尾砂庫垮塌，不得不常年加固庫壩基礎(chǔ)；三是“轉(zhuǎn)”的思路，把尾砂用于建筑領(lǐng)域，轉(zhuǎn)換為某些建筑材料，使之變廢為寶。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，轉(zhuǎn)，行之有效，是必然趨勢(shì)。

目前針對(duì)這種綠色環(huán)?；炷猎谖采巴鈸椒矫娴脑敿?xì)研究并不多見。文獻(xiàn)［1］進(jìn)行銅礦尾砂制備土聚水泥的試驗(yàn)，結(jié)果表明：用銅礦尾砂制得的土聚水泥，硬化漿體具有早強(qiáng)、耐高溫、耐酸性能。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］把銅礦尾砂作為添加劑摻入水泥砂漿和混凝土中，對(duì)水泥砂漿而言證明摻入5％的預(yù)濕尾砂比干燥尾砂效果要好，對(duì)混凝土來說摻入5％的尾砂是可行的，且可以降低造價(jià)，減少環(huán)境污染。文獻(xiàn)［4］進(jìn)行用銅礦尾砂制備加氣混凝土試塊的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：加氣混凝土的主要成分有硅鈣石、硬石膏、輝石、石英、方解石和白云石，且當(dāng)混合料水合反應(yīng)過程時(shí)尾砂化學(xué)元素大部分都進(jìn)入板狀的硅鈣石中。本文主要研究銅礦尾砂部分取代混凝土拌合料中河砂，制作出新型綠色環(huán)保混凝土，試驗(yàn)分析尾砂外摻率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響以及驗(yàn)證耐久性能的硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。

1 材料屬性與試件制備

1.1 原材料

采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175－2007）［5］，河砂及碎石符合混凝土骨料要求，且碎石分均徑20mm和10mm兩種，等量投放。銅礦尾砂是由安徽省瑯琊山礦業(yè)總公司提供，詳細(xì)化學(xué)成分見表1，各種骨料粒徑通過標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩分后結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土各種骨料篩分結(jié)果

1.2 試件制備

為了研究銅礦尾砂部分取代拌合料中河砂后混凝土的力學(xué)特征和耐久性能，按強(qiáng)度等級(jí)C30設(shè)計(jì)成的混凝土水灰比分別為0.4、0.45、0.5，且礦尾砂外摻的比率分別是0％、10％、20％、30％、40％、50％和60％。拌合料各種材料詳細(xì)配合方案如表2至表4所示。

力學(xué)性能試驗(yàn)是在萬能試驗(yàn)機(jī)上完成的，如圖2所示是一款型號(hào)為WEW－2000B的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。添加劑采用增塑劑，主要考慮使混凝土試件更好的達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。測(cè)試抗壓強(qiáng)度時(shí)，混凝土試件如圖3所示為尾砂外摻率10％時(shí)水灰比分別對(duì)應(yīng)0.4、0.45和0.50，其尺寸采用150mm×150mm ×150mm，符合《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。而在測(cè)量抗彎強(qiáng)度時(shí)，采用尺寸為100mm×150mm×500mm的小梁，上述兩種試件均在第7 d、第28 d和第90d在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓工況和抗彎工況測(cè)試。試件模具采用鋼模，24 h脫模，試件在混凝土養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行，且溫度控制在25℃左右。

表1 銅礦尾砂的化學(xué)成分

圖2 萬能試驗(yàn)機(jī)

圖3 尾砂外摻率為10％時(shí)不同水灰比試件

表2 水灰比0.40時(shí)混凝土組成

表3 水灰比0.45時(shí)混凝土組成

表4 水灰比0.50時(shí)混凝土組成

2 試驗(yàn)分析

選取銅礦尾砂外摻率為0％為對(duì)比組，其它不同外摻率試件的比重是通過對(duì)比組的相對(duì)密度計(jì)算出來的，水灰比為0.4、0.45、0.5的混凝土拌合料密度與比重分別見表2、表3、表4描述?？梢钥闯觯S著銅礦尾砂外摻率的增大，混凝土拌合料密度也在增大，主要原因是銅礦尾砂的密度本身就比河砂的密度大。

2.1 砂外摻率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，可以看出：水灰比為0.40、0.45和0.50，且養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7 d、28 d和90d的試件數(shù)據(jù)體現(xiàn)一定的規(guī)律性。

比如，水灰比為0.40、尾砂外摻率為40％時(shí)的抗壓強(qiáng)度約為0％外摻率在90d的強(qiáng)度。在0.45和0.50的水灰比下也有相似的規(guī)律，分別在20％和30％的外摻率下就能達(dá)到對(duì)比組90d抗壓強(qiáng)度。

2.2 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)分析

圖5給出了銅礦尾砂外摻率與抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系，也體現(xiàn)出一定的規(guī)律。

尤其是從90d養(yǎng)護(hù)的工況可以看出水灰比為0.40時(shí)，尾砂外摻率在30％時(shí)的抗彎強(qiáng)度最大；而對(duì)水灰比為0.45和0.50的試件，達(dá)到最大抗彎強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的尾砂外摻率均為60％。

圖4 尾砂外摻率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖5 尾砂外摻率與抗彎強(qiáng)度關(guān)系

2.3 硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)及理論分析

試件尺寸150mm×150mm×150mm且養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d的立方體試件進(jìn)行硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，試件在濃度為7.5％的硫酸鹽溶液分別浸泡28 d、60d和90d。通過定期檢測(cè)和調(diào)整，使硫酸鹽濃度大致維持不變。

圖6描述了銅礦尾砂外摻率與硫酸鹽侵蝕后試件損失量的關(guān)系，值得注意的是：在分別浸泡28 d、60d和90d后，相應(yīng)的尾砂外摻率試件與對(duì)比組進(jìn)行重量損失比對(duì)，發(fā)現(xiàn)非常接近；也就是說，混凝土拌合料尾砂外摻對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕沒有明顯的影響，且表現(xiàn)出良好的耐久性能。

圖6 尾砂外摻率與硫酸鹽侵蝕后損失量關(guān)系

3 結(jié)論

本文利用銅礦尾砂部分取代混凝土拌合料中河砂的方法，制作出水灰比分別為0.4、0.45、0.5，尾砂外摻率從0％至60％的銅礦尾砂混凝土。通過對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的試件進(jìn)行各種工況的力學(xué)試驗(yàn)，研究了銅礦尾砂外摻率對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響，另外考慮到耐久性問題，對(duì)試件進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。

主要得出以下試驗(yàn)結(jié)論：

1）密度方面：隨著銅礦尾砂外摻率的增大，混凝土拌合料密度也在增大，主要原因是銅礦尾砂的密度本身就比河砂的密度大。

2）抗壓強(qiáng)度方面：水灰比為0.40、尾砂外摻率為40％時(shí)的抗壓強(qiáng)度與0％外摻率在90d的強(qiáng)度相近。在0.45和0.50的水灰比下也有相似的規(guī)律，分別在20％和30％的外摻率下就能達(dá)到對(duì)比組90天抗壓強(qiáng)度。

3）抗彎強(qiáng)度方面：從90d養(yǎng)護(hù)的工況可以看出水灰比為0.40時(shí)，尾砂外摻率在30％時(shí)的抗彎強(qiáng)度最大；而對(duì)水灰比為0.45和0.50的試件，達(dá)到最大抗彎強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的尾砂外摻率均為60％。

4）硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)：混凝土拌合料尾砂外摻對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕沒有明顯的影響，且表現(xiàn)出良好的耐久性能。

［1］付江盛，成岳，王淑梅，等，銅礦尾砂制備土聚水泥的試驗(yàn)研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2008（27）：301－306.

［2］OnuaguluchiObinna，Eren Ozgur.Copper tailings as a potential additive in concrete：consistency，strength and toxicmetal immobilization properties［J］.Indian J Eng Mater Sci，2012（19）：79－86.

［3］Onuaguluchi Obinna，Eren Ozgur.Cement mixtures containing copper tailings as an additive：durability properties［J］.Mater Res，2012（15）：1029－1036.

［4］Xiao－yan Huang，Wen Ni，Wei－h(huán)ua Cui，et al.Preparation of autoclaved aerated concrete using copper tailings and blast furnace slag［J］.Construction and Building Materials，2012（27）：1－5.

［5］GB 175－2007／XG1－2009，《通用硅酸鹽水泥》［S］.2007／2009.

［責(zé)任編輯 賀小林］

Experimental Study on M echanical and Durable Properties of Copper Tailing Green Concrete

ZHU Yong-xiang1，LIN Zu-hong1，2，LIANG Guan-jun1
（1.Department of Civil Engineering，Chuzhou Vocational and Technical College；2.Chuzhou Yangfan New Materials Co.，Ltd，Chuzhou 239000，China）

By using copper tailing for partial replacement of river sand in cement concrete，the concrete specimens with water／cement ratios of0.4，0.45 and0.5 were prepared from0％to 60％substitution of copper tailing.C30grade of concretewas adopted in the various conditions of experimental process.Testswere done to study the effects of replacement rate for compressive strength and flexural strength.Additionally，sulphate attack resistance in concrete specimens was determined.The results show that river sand of concretemay be replaced with copper tailing partially（up to 60％replacement），with water／cement ratios of0.4，0.45 and0.5.Under the condition of top replacement，the copper tailing concrete exhibited good strength and durability characteristics.

copper tailing concrete；water／cement ratios；experimental study；strength；durability

TU528.59

A

1004－602X（2014）04－0031－05

10.3969／J.ISSN.1004－602X.2014.04.031

2014-10-11

安徽省示范性高職院校建筑工程技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目（20101424）；滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)課題（YJZ201305）

朱永祥（1966—），男，安徽全椒人，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。