魯亞 ，劉松柏 ，趙筠

（1.江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330000；2.江西省超高性能混凝土工程研究中心，江西 南昌 330000）

0 引 言

尾礦又稱尾砂，為選礦廠尾礦漿脫水后形成的固體廢棄物，其一個(gè)重要的特點(diǎn)是目標(biāo)組分較低。據(jù)測算，每產(chǎn)出1 t銅就會(huì)有400 t廢石和尾礦產(chǎn)生，依據(jù)中國資源綜合利用2014年度報(bào)告，我國銅尾礦年產(chǎn)量在逐年增長，2013年為3.19億t，累計(jì)堆積了約20億t。我國銅礦數(shù)量眾多，主要分布在江西、湖北、浙江等地。銅尾礦若不及時(shí)處理，將會(huì)污染生態(tài)環(huán)境、浪費(fèi)土地資源、存在安全隱患[1]。

將銅尾礦制作成建筑材料，已經(jīng)有許多這方面的研究成果。黃曉燕等[2]采用銅尾礦-礦渣-水泥熟料-風(fēng)積砂原料體系制備B06加氣混凝土，以富鈣、鎂的銅尾礦和礦渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)加氣混凝土所需的石灰。張雪峰等[3]以60%山西銅尾礦為主料，1%SiC為發(fā)泡劑，在1150℃下保溫30min最終制備體積密度為220 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為1.03 MPa、平均孔徑為0.33 cm的泡沫玻璃。鄒先杰等[4]采用河砂、銅尾礦與機(jī)制砂制備混合砂用作混凝土細(xì)集料。這些研究主要將銅尾礦作為細(xì)集料或礦物摻合料應(yīng)用在普通混凝土或加氣混凝土中，目前還沒有將銅尾礦應(yīng)用在超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）的研究。

UHPC屬于現(xiàn)代先進(jìn)材料，創(chuàng)新了水泥基材料（混凝土或砂漿）與鋼纖維、鋼材（鋼筋或高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋）的復(fù)合模式，大幅度提高了鋼纖維和鋼筋在混凝土中的強(qiáng)度利用效率，使水泥基材料的全面性能發(fā)生了跨越式進(jìn)步，具備了超高強(qiáng)、高韌性和超高耐久性[5]。由于UHPC制備是基于材料最緊密堆積原理，對原材料有更高的要求，UHPC制備的成本相對普通混凝土較高，因此限制了其推廣應(yīng)用。本文將銅尾礦進(jìn)行簡單磨細(xì)、篩分處理，選用合適的粒徑分布，用于UHPC的原材料中，可替代天然河砂、水泥、粉煤灰等，不僅能降低UHPC的生產(chǎn)成本，且抗彎、抗拉性能均有所提高。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：江西萬年青P·O52.5水泥，基本性能見表1。

表1 水泥的基本性能

（2）硅灰：比表面積 19 000 m2/kg，粒徑 100～1000 nm，SiO2含量93.5%。

（3）粉煤灰：經(jīng)過磨細(xì)精選，比表面積約800 m2/kg，粒徑1～10 μm。

（4）銅尾礦：取自江西九江城門山礦區(qū)。原礦（TWK）是直接經(jīng)過排放口排放后堆積在銅尾礦庫的，干燥后會(huì)有大顆粒狀，攪拌機(jī)攪拌后大顆粒大部分會(huì)粉碎；磨細(xì)銅尾礦粉Ⅰ（TWKⅠ）經(jīng)過行星球磨機(jī)磨制；磨細(xì)銅尾礦粉Ⅱ（TWKⅡ）經(jīng)過氣流磨磨制。圖1為3種銅尾礦的狀態(tài)，銅尾礦的主要化學(xué)成分見表2，銅尾礦的基本性能指標(biāo)見表3。此礦區(qū)銅尾礦主要成分為SiO2，約占 75%。

圖1 3種銅尾礦的狀態(tài)

表2 銅尾礦的主要化學(xué)成分及放射性

表3 銅尾礦的基本性能指標(biāo)

（5）砂：贛江天然河砂，含泥量0.8%，粒徑分布見表4，考慮到銅尾礦原礦的粒徑范圍，主要替代天然河砂中的細(xì)砂部分（≤0.15 mm）。

表4 天然河砂的粒徑分布

（6）高效減水劑：由于配制UHPC需要極低的水膠比，因此需要達(dá)到較好的工作性能，本試驗(yàn)選擇聚羧酸型高效減水劑，減水率大于30%，最佳摻量為0.6%。

（7）纖維：鍍銅微絲鋼纖維，長度 12～14 mm，直徑 0.15～0.20 mm，抗拉強(qiáng)度大于2850 MPa，密度7800 kg/m3。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

通過材料最大堆積密度曲線確定基準(zhǔn)配合比，水膠比均為0.18，再通過銅尾礦原礦替代天然河砂、磨細(xì)銅尾礦粉替代水泥或粉煤灰，測試擴(kuò)展度及基體抗壓強(qiáng)度，確定各組單獨(dú)替代的最佳替代摻量，再進(jìn)行復(fù)合替代，確定最大復(fù)合替代摻量。配合比設(shè)計(jì)見表5。確定各單摻和復(fù)摻的最佳摻量后，分別摻加2.5%體積摻量的鋼纖維進(jìn)行試驗(yàn)，測試抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。

表5 UHPC的配合比設(shè)計(jì) kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

（1）UHPC成型：按配合比設(shè)計(jì)要求稱取原材料，先將硅灰、砂、銅尾礦原礦投入強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行干拌1 min，再加入水泥、粉煤灰、磨細(xì)銅尾礦粉進(jìn)行干拌1 min，充分混合后加2/3的水和減水劑攪拌2 min，再加入剩下的水?dāng)嚢? min，最后邊攪拌邊加纖維，約1 min后出機(jī)。參照GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》測試拌合物的擴(kuò)展度，將拌合物裝入試模，然后低頻振動(dòng)。

（2）養(yǎng)護(hù)：拌合物入模后用薄膜覆蓋或噴灑養(yǎng)護(hù)劑靜置24 h后拆模，在90℃熱水中蒸養(yǎng)48 h，然后進(jìn)行強(qiáng)度測試。

（3）強(qiáng)度測試：抗壓試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，加載速率1MPa/s，不乘換算系數(shù)；四點(diǎn)抗彎試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，加載速率0.3 mm/min；抗拉試件采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)狗骨狀試件[6]進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸見圖2，加載速率0.3 mm/min。

圖2 抗拉試件尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 銅尾礦對UHPC基體流動(dòng)性的影響（見表6）

表6 銅尾礦對UHPC基體擴(kuò)展度的影響

由表6可以看出，摻加銅尾礦后，UHPC基體流動(dòng)性相對基準(zhǔn)組會(huì)有不同程度的下降，但合適細(xì)度的銅尾礦利用不同的替代形式和替代量會(huì)達(dá)到與基準(zhǔn)組相當(dāng)水平的流動(dòng)度，滿足應(yīng)用要求。

以原礦替代40%~60%天然河砂中的細(xì)砂部分后，會(huì)使UHPC的擴(kuò)展度減小40～80 mm，拌合物更粘，主要由于原礦的粒徑相對細(xì)砂整體偏細(xì)，會(huì)導(dǎo)致需水量更大，本身UHPC水膠比極低，所以拌合物會(huì)更粘稠，且原礦有大顆粒狀固體存在，若不經(jīng)過簡單搗碎處理，攪拌不會(huì)破碎得很充分。

銅尾礦粉Ⅰ在替代少量水泥時(shí)（6%～12%）對UHPC的流動(dòng)性影響不大，主要因?yàn)樵诘退z比下UHPC具有良好的流動(dòng)性，除了高效減水劑的作用，還得益于“超細(xì)粉煤灰”的微珠效應(yīng)。而銅尾礦粉Ⅱ替代粉煤灰對UHPC流動(dòng)性的影響較大，其原因是其粒形狀態(tài)沒有粉煤灰好，所以很明顯看出流動(dòng)度隨著銅尾礦粉Ⅱ摻量的增加而減小。

單摻時(shí)，原礦可替代50%天然砂中的細(xì)砂，銅尾礦粉Ⅰ可替代12%的水泥，銅尾礦粉Ⅱ可替代40%的粉煤灰。若在不需要自密實(shí)及一般要求的場合，復(fù)合替代也是可以滿足施工性要求。

2.2 銅尾礦對UHPC力學(xué)性能的影響

2.2.1 對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響（見表7）

表7 銅尾礦對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可以看出，銅尾礦對UHPC抗壓強(qiáng)度的影響與對基體擴(kuò)展度影響所對應(yīng)的關(guān)系是一致的，基體擴(kuò)展度與抗壓強(qiáng)度成正比。擴(kuò)展度每降低10 mm，抗壓強(qiáng)度降低5～10 MPa，這是由于UHPC配制是基于顆粒最緊密堆積來獲取較高的密實(shí)度，流動(dòng)性越好，越能排出氣泡，密實(shí)度更高，強(qiáng)度也會(huì)更高。

表8為基準(zhǔn)組與單摻及復(fù)摻銅尾礦最優(yōu)組，摻2.5%體積摻量的鋼纖維后力學(xué)性能測試結(jié)果。

表8 摻鋼纖維UHPC的力學(xué)性能測試結(jié)果

由表8可見，摻加2.5%體積摻量的鋼纖維后各組UHPC抗壓強(qiáng)度均提高15～25 MPa，均高于160 MPa。

2.2.2 銅尾礦對UHPC抗彎、抗拉強(qiáng)度的影響

圖3為各組UHPC抗彎試驗(yàn)撓度-強(qiáng)度曲線，其經(jīng)過繪圖軟件Origin8.5對每組6根撓度-強(qiáng)度曲線進(jìn)行平均和離散性處理。

圖3 各組UHPC試件的抗彎試驗(yàn)撓度-強(qiáng)度曲線

從圖3可以看出，各組UHPC均可以與基準(zhǔn)組達(dá)到同一水平，抗彎強(qiáng)度在20 MPa以上，極限彈性抗彎強(qiáng)度約為抗彎強(qiáng)度的1/2。尤其添加銅尾礦原礦后對提升抗彎性能效果比較顯著，抗彎強(qiáng)度可達(dá)30MPa，主要原因是銅尾礦原礦顆粒級配好，且添加后增大了UHPC基體與鋼纖維的膠結(jié)性能，進(jìn)一步發(fā)揮出纖維的增強(qiáng)增韌作用，這與鮑文博等[7]的研究成果相符。

圖4為各組UHPC抗拉試驗(yàn)變形-強(qiáng)度曲線，其經(jīng)過繪圖軟件Origin8.5對每組6根變形-強(qiáng)度曲線進(jìn)行平均和離散性處理，均可明顯看到應(yīng)變硬化現(xiàn)象，從圖5軸拉試驗(yàn)可以看到多縫開裂現(xiàn)象。抗彎與抗拉對應(yīng)關(guān)系一致，抗彎強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的2.6倍。各組彈性抗拉強(qiáng)度均大于7 MPa，抗拉強(qiáng)度與彈性極限抗拉強(qiáng)度比在1.1～1.2。

圖4 各組UHPC試件的抗拉試驗(yàn)變形-強(qiáng)度曲線

圖5 軸拉試驗(yàn)

表9為瑞士UHPC標(biāo)準(zhǔn)對抗拉強(qiáng)度的分類[8]，各組均能滿足UA類型要求，即普通場合應(yīng)用要求。當(dāng)增大鋼纖維摻量時(shí)，也可以達(dá)到UB類型要求，即滿足各類結(jié)構(gòu)應(yīng)用要求。

表9 瑞士UHPC標(biāo)準(zhǔn)對抗拉強(qiáng)度的分類

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

（1）銅尾礦原礦可替代天然河砂，處理后的銅尾礦可替代水泥或粉煤灰，不同種類的銅尾礦成本均低于所替代原材料成本，且替代量較大，直接降低UHPC成本。在現(xiàn)有天然資源緊缺及生態(tài)文明建設(shè)的情形下，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是很可觀的。

（2）由于UHPC成本主要受纖維成本的影響，而在同等鋼纖維摻量下，銅尾礦UHPC的抗彎、抗拉性能較基準(zhǔn)UHPC有明顯提升，因此，達(dá)到同樣的性能可以減少鋼纖維的摻量，間接降低UHPC的成本。

3 結(jié)語

（1）摻加銅尾礦后，無論單摻和復(fù)摻，UHPC基體流動(dòng)性相對基準(zhǔn)組都會(huì)有不同程度的下降，但合適細(xì)度的銅尾礦利用不同的替代形式和替代量會(huì)達(dá)到與基準(zhǔn)組相當(dāng)水平的流動(dòng)度，滿足應(yīng)用要求。

（2）單摻時(shí)，原礦可替代50%天然砂中的細(xì)砂，銅尾礦粉Ⅰ可替代12%的水泥，銅尾礦粉Ⅱ可替代40%的粉煤灰。若在不需要自密實(shí)及一般要求的場合，復(fù)合替代也可以滿足施工要求。

（3）單摻時(shí)，UHPC的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng)，抗彎、抗拉強(qiáng)度有明顯提升；復(fù)摻時(shí)，UHPC的抗壓強(qiáng)度有所下降，抗彎、抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)UHPC相當(dāng)。

（4）銅尾礦可大量替代UHPC原材料，且成本均低于各原材料成本，可以降低直接UHPC的成本；在同等鋼纖維摻量下，銅尾礦UHPC的抗彎、抗拉性能較基準(zhǔn)UHPC有明顯提升，因此達(dá)到同樣性能，可以減少鋼纖維摻量，間接降低UHPC的成本。