铁尾矿取代河砂对路用混凝土强度的影响研究

向荣江等

摘 要：基于对矿山尾矿进行废物利用的考虑，现将其加入路用混凝土中以取代原细集料，通过试验和数值模拟相结合的方法研究其在路用混凝土中的配比规律。研究结果表明：以标准混凝土的配合比为基础，研究优化加入尾矿后混凝土的配合比，完全可以满足施工工艺要求；在采用相同尾矿粒径前提下，加入不同量的尾矿对混凝土的强度在一定范围内具有积极的影响，铁尾矿粒径在0.15-0.3范围内且取代50%细集料用量时，混凝土的抗压强度有相应的提高。

关键词：细集料；资源回收利用；抗压强度；ANSYS；弯沉值

引言

目前，在矿产资源丰富的地区，由于大量的矿石开采产生了数量巨大的废物资源，诸多行业针对这些废弃资源如何回收再利用也进行了大量的研究。应社会经济建设的飞速发展，混凝土的使用越来越高要求、高标准、高强度以及高性能化。各大型建设项目频繁的诞生使得建筑用混凝土的使用量大大增加，原材料出现供应紧张的趋势，有限的天然细集料的短缺供不应求，同时矿山开采遗留的铁尾矿废石也逐年递增。这些铁尾矿堆积的维护费用和潜在危害很大，需要通过开发新的综合利用降低其危害。将堆积如山的铁尾矿废料作为一种新材料取代原混凝土中的细集料，对尾矿充分利用，既能减少天然河砂的消耗，节约成本，提高经济效益，又能减少堆积如山的尾矿对环境的污染和对耕地的占用，对解决废弃资源的再利用不失为一具有优势的途径。

1 试验研究配合比

1.1 试验过程

1.1.1 标准试件（不加尾矿）配合比设计

在道路建设中，面层是道路结构层的组成部分之一。根据行业标准JGJ 55-2000《普通混凝土配合比设计规程》规定初步确定混凝土配合比，通过实验测定其和易性能和塌落度，根据实际工程施工对混凝土和易性的要求调整配合比，对试件分别养护3天、7天、18天、28天并测其相应的抗压强度。根据实验结果确定标准试件最终配合比。

1.1.2 尾矿混凝土配合比设计与调整

基于标准试件配合比的设计，采用控制变量法，在其他材料及成分都不变的情况下，将尾矿按照试件原材料质量的25%、50%和75%的比例取代细集料，以试件成型且能满足和易性能要求为标准探究铁尾矿混凝土的配合比。配合比优化确定如表1所示。

通过对1#方案和2#方案试件抗压强度的比较，可明显看出，2#方案的混凝土抗压强度增长更稳定，强度长值更高，所以确定2#方案作为标准混凝土配合比方案。3#方案以2#为基础，在其中添加铁尾矿取代部分中砂并测其力学性能，通过试验表明除在混凝土材料的力学性能上能满足要求外，其28d抗压强度较普通混凝土偏大，增长了约7%。因此，以3#方案作为铁尾矿混凝土配合比进行后续试验。

1.2 铁尾矿掺量变化对水泥混凝土的力学性能影响

通过实验数据，尾矿的添加量并不是越多越好，尾矿的添加量存在最优配比。（表2）

1.3 试验结果分析

通过对试验结果分析，将铁尾矿加入路用混凝土中取代天然河砂的功能，在养护前期，其强度较普通混凝土试件小，但是随着养护时间的增加，尾矿混凝土在强度上有明显的优势，其28天抗压强度普遍高于普通混凝土试件。相同铁尾矿用量不同粒径下，混凝土的抗压强度变化过程比较如图1和图2。

如图1所示，当尾矿粒径在0.15-0.3mm之间，且取代天然河砂量为50%时，强度条件达到较理想的状态。当尾矿粒径在0.3-0.6mm之间时，水泥混凝土试件的抗压强度较添加粒径在0.15-0.3mm之间尾矿的试件抗压强度略小，但也略高于标准混凝土强度。当尾矿取代量为1/4河砂时，效果没有取代1/2河砂时的好，如图2所示。

显然，总体趋势上铁尾矿作为路用混凝土新材料用于道路铺设在强度和和易性能等方面是可行的。就本研究的试件而言，当0.15-0.3mm粒径的铁尾矿添加量取代集料总量的50%时，水泥混凝土的抗压强度最优。达到实验预期设想目标，对其应用于路用混凝土有广泛的应用前景。

2 有限元数值模拟分析

2.1 模型单元选取

混凝土单元采用ANSYS程序单元库中SOLID45单元，用SOLID45单元构造的三维混凝土模型结构，通过8个节点定义，每个节点有x、y、z三个方向的自由度，其具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力，还具有应力刚化的特殊性能。

2.2 模型参数

在混凝土路面板常用的有限元模型，即温克勒地基模型（稠密液体地基模型）、弹性固体地基模型和巴斯特纳克地基模型中，选用弹性固体地基模型。弹性固体地基模型将地基看作均质的半无限连续介质，考虑了地基顶面的压力不仅与作用于某点的压力有关，还与其相邻区域的压力有关，模型尺寸平面7m×7m，土基纵向深度取7m，其余结构层参数见表3，采用泊松比和弹性模量来表示其性质。

应用APDL语言参数化建模，模型输入几何尺寸及参数如表3所示。

2.3 模型网格划分

有限元模型是一个标准的立方体，将其划分为标准的六面体八角点有限单元，由于轮压荷载仅仅作用于模型中心领域，使模型划分疏密情况据荷载不同有异。荷载集中区域有限单元网格划分针对分析需要进行加密处理，即通过手动设置网格划分尺寸和单元疏密程度，多次模拟确定在轮压正交区域以0.1m为划分单位，其余区域以0.4m为划分单位划分实体。尽量使模拟试验接近真实工作状态。有限元模型划分结果如图3所示。

2.4 边界条件和加载方式

路面集中荷载对路面整体沉降值在大于7m范围外时影响趋于平缓，故假设底面完全固定，Ux和Uy方向位移为零。将轮压荷载简化为两个圆形的均布荷载，荷载作用在模型的中心处，双轮中心距为 31.95cm，圆形均布荷载半径为10.65cm，两圆心距离3r，轮压标准荷载大小为0.7MPa。

3 数值模拟结果及分析

路表面弯沉值分析，取轮压作用区域中心的单元Z方向的最大值作为路表弯沉值，考察添加不同含量和颗粒级配铁尾矿的水泥混凝土材料在轮载作用下其所表现的弯沉值变化情况。

从数值模拟结果中可以看出，数值模拟试验与物理试验结果趋势是一致的，即铁尾矿的添加增加了水泥混凝土的抗压强度，且添加铁尾矿的混凝土存在最优配比。从路用混凝土的实际工作状态考虑，添加铁尾矿的水泥混凝土其弯沉指标是有所提高的，可以增强尾矿混凝土的使用寿命。

4 结束语

将尾矿资源代替路用混凝土中的天然砂，有效节约天然材料，有利于解决废料资源的闲置浪费，节约建设成本。利用ANSYS模拟路面层弯沉值，路面变形及材料的影响趋势与实际是一致的。结果表明：

（1）添加铁尾矿对提高路用水泥混凝土的力学性能有较明显的优势；

（2）铁尾矿的颗粒级配大小及含量对水泥混凝土的抗压强度都有较大影响，并且存在最优配比；

（3）对文章研究的试件而言，相同条件下粒径为0.15-0.3mm的铁尾矿占细集料比例约50%时，抗压强度可较标准水泥混凝土抗压强度提高约7%。

参考文献

[1]王长龙，倪文，乔春雨，等.铁尾矿假期混凝土的制备和性能[J].材料研究学报，2013.

[2]陈亚莉.基于ANSYS的水泥路面弯沉影响因素有限元分析[J].中外公路，2009（2）：87-89.

[3]阿肯江·托呼提，亓国庆.基于Solid65和Solid45有限单元的素夯土墙体数值建模及计算分析[J].新疆大学学报（自然科学版），2008（4）.

[4]赵健，刘静.ANSYS分析FRP加固混凝土结构研究综述[J].四川建筑，2007（3）：158-159.

作者简介：向荣江（1993，10-），男，汉，贵州省赫章县人，辽宁科技大学土木工程学院学生，研究方向：土木工程（结构工程）。

唐可（1993，6-），男，汉，陕西省西安人，辽宁科技大学土木工程学院学生，研究方向：道路与桥梁。

许森森（1994，9-），男，汉，陕西省咸阳人，辽宁科技大学土木工程学院学生，研究方向：土木工程（结构工程）。

费爱萍（1980，10-），女，汉，辽宁省鞍山人，辽宁科技大学土木工程学院讲师，研究方向：道路与桥梁。