以攀钢废石为骨料制备大坝混凝土试验

吕兴栋 董 芸 王 磊

（长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010）

矿山尾矿、废石量巨大，综合利用率低，大部分以沟谷、低地为堆存地进行堆存，污染水土，破坏环境，乃至造成灾害［1-5］。随着国家对环境保护和土地管理的加强，废石的治理和利用已成为必须解决的迫切问题，仅对其中的有价元素进行回收减量效果十分有限，只有将其作为建筑材料利用才是最根本的出路［6-9］。将矿山废石与天然砂石混合搭配作为骨料或是直接单独作为骨料配制混凝土，不仅在资源上可以缓解天然砂石匮乏的压力，而且在混凝土中可以改善骨料的级配分布情况，调节混凝土的工作性能，有利于工程施工［10-13］，既符合国家建材政策，又与建筑材料的发展方向吻合，尤其在节约能源、减少耕地损失、保护环境等方面具有显著的社会和经济效益。

攀钢铁矿山废石堆积量大，约1.2亿m3，主要堆积于银江水电站坝址，与银江水电站坝址运输距离西北侧约2.5 km，该堆放场废石颗粒不均，大小混杂。为考察以该废石为原料制作的骨料配制混凝土的可行性，进行了混凝土配制试验。

1 试验原料

1.1 水 泥

采用嘉华特种水泥股份有限公司生产的42.5中热硅酸盐水泥（简称嘉华中热），其物理力学性能见表1，化学成分分析结果见表2。

从表1可以看出，试验用水泥性能达到GB200-2003中热42.5水泥标准。

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1.2 粉煤灰

采用攀枝花利源II级粉煤灰，化学成分见表2，物理性能指标见表3。

从表3可以看出，试验用粉煤灰达到DL/T 5055-2007 F类II级粉煤灰标准。

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1.3 骨 料

攀钢废石化学成分分析结果见表4，废石物理力学性能见表5。来样为废石经破碎—筛分后得到的砂（-5 mm）、小石（5～20 mm）、中石（20～40 mm）、大石（40～80 mm）和特大石（80～120 mm）。细骨料（砂）性能指标见表6，废石粗骨料（小石、中石、大石和特大石）性能指标见表7，废石细骨料级配曲线见图1，粗骨料颗粒外貌见图2，可以看出废石骨料表观密度较普通人工骨料和天然骨料要大200～300 kg/m3。废石的化学成分与普通人工和天然骨料相似，主要成分为SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，其中Fe2O3的含量较高，但不含有害成分。

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1.4 外加剂

采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的JM-II萘系高效减水剂（缓凝型）和GYQ引气剂，引气剂掺量以使混凝土含气量达到3.5%～4.5%为准。

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2 试验方法

废石骨料混凝土的拌和物性能、力学性能、热学性能、变形性能和耐久性能均按照DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》的有关方法进行。试验研究了采用废石为骨料配制的二级配、三级配和四级配混凝土相关性能。按照DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比设计规程》，混凝土配制强度按下式计算：

式中：fcu，0为混凝土配制强度，MPa；fcu，k为混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值，MPa；t为概率度系数；σ为混凝土立方体抗压强度标准差，MPa。

试验设计指标及配制强度见表8，试验原料配合比见表9。外加剂掺量为其与胶凝材料的质量比，粉煤灰掺量为其占胶凝材料的质量分数。

3 试验结果与讨论

3.1 拌合物性能试验

图3是混凝土的实验室拌合物照片，混凝土拌合物性能见表10。

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从表10可以看出，在合适的减水剂和引气剂掺量下，配制的混凝土的坍落度和含气量可以满足设计要求，配制的二级配、三级配和四级配混凝土的拌和物和易性良好，拌和过程中不会出现离析和分层的现象；常态混凝土1 h后坍落度控制在35～55 mm；1 h含气量在2.5%～3.5%。在减水剂和引气剂合适的掺量下，配制的碾压混凝土VC值和含气量满足设计要求。以废石为骨料获得的混凝土拌和物表观密度较高。

3.2 抗压强度试验

制得的混凝土抗压强度见图4。

从图4可以看出，在合适的水胶比条件下，配制的不同级配混凝土抗压强度均可满足设计要求。混凝土抗压强度随着龄期延长逐渐增长，长龄期混凝土抗压强度未出现突然降低的异常现象。

3.3 极限拉伸值试验

制得的混凝土极限拉伸值见图5。

从图6可以看出，混凝土的自生体积变形均为负值，表明废石骨料混凝土自生体积变形呈现收缩状态。基础混凝土（RCC）180 d自生体积变形为-36.4×10-6，变形量较小，因为废石骨料本身强度和弹性模量较高，限制混凝土收缩作用较为明显。

3.5 抗渗性能试验

表11是混凝土抗渗性能试验结果。

图5表明，混凝土极限拉伸值均满足设计要求，随着龄期的增长混凝土极限拉伸值呈现逐渐上升的趋势。

3.4 自生体积变形试验

在恒温绝湿条件下，混凝土在硬化过程中由于胶凝材料水化作用引起的体积变形称为自生体积变形。混凝土的自生体积变形与温度及湿度变形不同，其取决于胶凝材料的性质，只受化学反应和水化历程的影响。普通硅酸盐水泥混凝土中水泥水化生成物的体积相比反应前物质的总体积减小，所以混凝土自生体积变形多呈现为收缩型变形。当水泥中含有膨胀组分或在混凝土中掺入膨胀剂时，可使混凝土产生膨胀型的自生体积变形，可以抵消部分（或全部）的干缩及温降收缩变形。图6是混凝土自生体积变形曲线（正值表示膨胀，负值表示收缩）。

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从表11可以看出，采用废石为骨料配制的混凝土抗渗性能可以满足设计要求，同时不同级配的混凝土平均渗水高度比较接近。

3.6 抗冻性能试验

混凝土抗冻性能试验结果见表12。

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从表12可以看出，采用废石为骨料配制的混凝

土抗冻性能满足相关要求，不同级配的混凝土质量损失率和相对动弹性模量差异较小。

3.7 绝热温升试验

混凝土的绝热温升是指在绝热条件下，由水泥的水化热引起的混凝土温度升高。大体积混凝土由于结构断面尺寸较大、热传导率低，浇筑过程中胶凝材料水化释放出的水化热聚集在结构内部难以散发出去，当内外温差过大时可能导致结构出现温度裂缝［14］。所制备混凝土的绝热温升见图7。

从图7可以看出：胶凝材料用量是影响混凝土绝热温升的关键因素，胶凝材料使用量越大，混凝土绝热温升值越高；YTX1的胶凝材料用量为196 kg/m3，28 d的绝热温升值为22.5℃，YTX4的胶凝材料用量为288 kg/m3，28 d的绝热温升值为39.9℃。

3.8 比热、线膨胀系数、导温、导热

混凝土的比热和线膨胀系数分别指温度每升高1℃混凝土需要吸收的热量和混凝土单位长度的变化率，导温、导热系数主要表征混凝土不同部位温度趋于一致的速率。这几项热学性能参数主要与混凝土骨料种类和用量、用水量、混凝土含水率、掺和料等有关，其中骨料种类与用量是其主要影响因素。尾矿骨料不同级配的混凝土线膨胀系数、导温系数、导热系数和比热系数试验结果见表13。

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表13表明：以废石为骨料配制的混凝土的线膨胀系数较小，在6.2×10-6/℃～6.8×10-6/℃，与人工灰岩骨料配制的混凝土线膨胀系数接近。

4 结论

（1）攀钢废石表观密度较普通人工骨料和天然骨料要大，化学组成与普通人工骨料和天然骨料相似，主要成分为SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，但废石Fe2O3的含量较高，同时不含有害成分。废石骨料的表观密度较普通骨料大200～300 kg/m3，但采用废石为骨料配制的不同级配混凝土拌和物和易性良好，不会出现离析和分层的现象。

（2）在合适的水胶比和外加剂掺量条件下，采用废石为骨料配制的混凝土抗压强度、极限拉伸值、自生体积变形、抗冻性能和抗渗性能均可满足设计要求。随着龄期的增长，混凝土力学性能呈现上升的趋势，长龄期混凝土抗压强度不会出现突然降低的异常现象。采用废石为骨料配制的混凝土线膨胀系数较小，在6.2×10-6/℃～6.8×10-6/℃，与人工灰岩骨料配制的混凝土线膨胀系数接近。