钼尾矿混凝土单轴受压本构研究

李 煜，张开元，高 山

(1.西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，陕西 西安 710123)(2.甘肃省建筑设计研究院有限公司 综合管理部，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

相对于国外，我国对尾矿综合利用方面的调查研究仍有不足，徐航等[1]对我国尾矿堆存的问题进行的分析表明,我国钼尾矿综合利用的仍处在较低水平。国内的相关研究的重点通常是从钼尾矿中回收金属材料[2-3]，但由于钼尾矿数量巨大，单纯的回收并不能解决大量钼尾矿堆积的问题。叶丽佳等[4]采用钼尾矿制备了建筑陶瓷砖，经过试验测定与推算其符合国家标准，其中的尾矿的掺加量可以控制在70%以内，已经达到了很高的尾矿利用率；与铁尾矿混凝土、煤矸石混凝土、锰尾矿混凝土以及铜尾矿混凝土的相关研究类似[5-8]，不少研究人员也在对钼尾矿混凝土进行研究[9]。研究结果表明：钼尾矿的适应性非常好，在取代率不同的情况下混凝土的整体强度略微有所下滑，但完全能满足混凝土一般强度的要求，又能将钼尾矿砂的利用率提高到70%以上。因此钼尾矿应用于混凝土是可行的，钼尾矿可以取代天然砂来使用在混凝土中，以提高其利用价值。

本研究通过对C50等级混凝土掺入不同量的钼尾矿后的单轴受压性能进行试验，对其破坏形态、抗压强度、弹性模量、峰值应变和本构模型进行分析，从而提出相应的配制方案和设计建议，为工程应用和规范编制提供参考。

1 试 验

1.1 试验材料

试件制备中采用42.5级普通硅酸盐水泥，粗细骨料选用西安当地的普通河砂与普通石子，减水剂采用高效聚羧酸液态减水剂，养护及拌和均采用西安自来水。钼尾矿砂来自陕西商洛，细度模式为1.7，根据《GB/T 14685-2011 建筑用砂》中的规定，本研究采用的钼尾矿砂属细沙范围(1.6～2.2)。钼尾矿砂状态如图1所示，其矿物组成如表1所示，其主要矿物组成为石英、金云母、长石及少量角闪石和磁铁矿。经检测本试验所采用的的钼尾矿砂的内外照射指数分别为0.33和0.62，均满足作为建筑主体材料的辐射要求(≤1.0)。

图1 钼尾矿砂

表1 天然河砂和钼尾矿砂的矿物组成 %

1.2 试件设计

试验拟配制C50强度等级下的0、25%、50%、100% 4组不同取代率的钼尾矿混凝土，对其单轴受压性能进行分析，试块均为规范标准尺寸，每一种配合比均制3个立方体试块和3个棱柱体试块，标号规范为强度-取代率-试块序号(C50-%-1)。分别测定钼尾矿混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量、泊松比和应力-应变全曲线等数值，设计实验方案见表2。

表2 C50强度等级钼尾矿混凝土配合比

1.3 试验方案

所有试件均采用机械搅拌，在振动台上振捣2 min，24 h后脱模，养护28 d后进行力学性能试验测试。立方体抗压强度试验加载速率设置为0.8 MPa/s，棱柱体轴心抗压强度试验基于安全考虑，速率调整为0.3 MPa/s，弹模试验的加载速率设置为0.5 MPa/s。

2 试验结果及分析

试验中棱柱体的破坏现象见图2。由于钼尾矿的存在，导致细骨料的整体细度模数有所下降，混凝土内部结构发生变化，破坏形态有脆性倾向，但总体上来说钼尾矿对于混凝土破坏形态并不明显，均表现为斜裂缝破坏。按照规范[10]试验方法测得各钼尾矿混凝土基本力学指标的特征值见表3。

图2 试块破坏形态

表3 钼尾矿混凝土力学性能指标

2.1 立方体力学性能指标

图3(a)为钼尾矿取代率对立方体抗压强度的影响，可以看出：随着钼尾矿取代率的不断增加，混凝土的抗压强度开始递减，但降低幅度在4.6%～5.1%。取代率与强度折减系数的关系见图3(b)，可以看出：随着钼尾矿取代率的增大，强度折减系数以线性关系逐渐下降，与文献[9]中得到的关系基本吻合。

图3 立方体抗压力学性能指标

2.2 棱柱体力学性能指标

2.2.1 棱柱体轴心抗压强度

棱柱体轴心抗压强度和相应的折减系数见图4，可以看出：随着钼尾矿混凝土的取代率增加，折减系数呈下降趋势。当钼尾矿混凝土取代率从0～100%时，折减系数为1～0.84，这是因为压力机对棱柱体端部的横向约束效应小于立方体试块，所以其折减系数相比立方体试块大。

图4 棱柱体轴心抗压力学性能指标

2.2.2 棱柱体弹性模量和泊松比

弹性模量作为弹性阶段最主要的参数，整体上与抗压强度的数据保持一致，见表3和图5，C50强度等级下的钼尾矿混凝土随着取代率的增大弹性模量呈下降趋势，但下降幅度不大，100%取代率下降低约为5%，该强度下钼尾矿混凝土符合混凝土的基本使用要求。

图5 钼尾矿取代率对弹性模量的影响

图6 模型验证

国内外规范中给出了一些对于混凝土的弹性模量的预测公式[9]，与混凝土的抗压强度直接相关:

(1)

(2)

其中，a、b、c是基于测试结果的常数。美国规范ACI 318-11((a, b)=(4370, 0.50)) 和 欧洲规范EC4-04 ((a, b)=(9500, 0.33))分别给出了公式(1)相应的推荐值，美国规范ACI 363R ((a, b, c)=(3320, 0.50, 6900))则给出了公式(2) 的常数推荐值。由图6可得EC4-04模型可以很好的预测C50强度等级钼尾矿混凝土的弹性模量。

2.2.3 棱柱体泊松比和峰值应变

由图7分析得出：C50强度等级下的钼尾矿混凝土随着取代率的增大泊松比出现下降的趋势，100%取代率下约降低了20%，但仍符合规范[11]中混凝土泊松比的取值范围，可见钼尾矿取代率对于混凝土的横向膨胀性能具有明显的影响。

图7 钼尾矿取代率对泊松比的影响

通过应力—应变曲线可以得到钼尾矿混凝土的峰值应力与峰值应变，从而得到钼尾矿取代率与其的关系(见图8)，可以分析出钼尾矿混凝土随着取代率的不断增大峰值应力与应变均呈下降的趋势，下降幅度不明显。

综上所述，从抗压强度和弹性模量的角度，在100%钼尾矿取代率下，混凝土的性能降低并不多，具备在钢筋混凝土结构工程应用的可能性，但由于泊松比下降较多，有可能会对在钢管混凝土中的使用带来影响，综合来看，建议将钼尾矿取代率限制在50%以内。

图8 钼尾矿取代率对峰值应变的影响

2.3 本构方程

依照钼尾矿混凝土应力-应变全曲线的试验结果，基于过镇海[12]所提出的单轴混凝土受压本构的分段式方程经验公式进行拟合：

(3)

式中：Y=σ/fc，X=ε/Xε，a与b分别为钼尾矿混凝土上升部分与下降部分方程的参数。

采用回归分析方法，通过试验数据拟合可得C50强度等级下钼尾矿取代率和形状参数a、b的函数关系如公式(4)所示：

a=(1.053±0.0086)+(1.846E-4±1.545E-4)R
b=(1.0096±0.0058)+(3.886E-6±1.0145E-4)R

(4)

式中：R为取代率值，%

本构方程数据与试验全曲线数据的对比如图9所示，可以看到拟合效果较好。

4 结 论

本文进行了4种取代率下C50等级钼尾矿混凝土的单轴受压性能试验研究，主要结论如下：

(1)C50钼尾矿混凝土的抗压强度与轴心抗压强度均随着钼尾矿取代率的增大而逐渐减小，强度的降低与钼尾矿砂的细度模数有关系；弹性模量也随其取代率的增加而降低，且EC4-04模型可以作为C50钼尾矿混凝土的弹性模量预测模型；泊松比和峰值应变随着取代率增加有明显的下降。根据试验结果对普通混凝土单轴应力-应变本构进行修正赋值，得到了C50钼尾矿混凝土的本构。

(2)为了提高钼尾矿混凝土的强度，在工程制配应用上有以下建议：首先在浇筑混凝土的过程中增加水泥等胶凝材料的用量，确保混凝土内部骨料之间粘结力足够，以提高或保持稳定性；为提高混凝土的各项性能以及正常使用，钼尾矿取代率不宜超过50%。

图9 应力-应变本构方程拟合曲线