金尾矿复合砂对不同强度等级混凝土性能的影响

童小根,张凯峰,,孟 刚,朱王科,王 敏,付万长

(1.中建西部建设北方有限公司,西安 710065;2.西安市特种混凝土与低碳建材工程技术中心,西安 710065;3.长安大学建筑工程学院,西安 710064)

0 引 言

随着我国城镇化进程加快,大规模基础设施建设蓬勃发展使得混凝土需求旺盛[1]。天然河砂作为混凝土生产原料组成中优质的细集料,由于被长期大量开采已濒临枯竭,再加之国家生态环境保护要求日益严格,部分天然砂石骨料厂被限制开采或关停,导致混凝土工程所需骨料紧缺[2]。金尾矿复合砂是金矿石经磨细提取黄金后排放的一种工业固体废弃物,金矿在开采过程中会产生大量金尾矿复合砂,其堆积储存不仅占用土地资源,污染环境,破坏植被,还易引发塌陷、滑坡和泥石流等自然灾害[3-6],给生态环境和人类生命财产安全带来巨大威胁。若能以金尾矿复合砂代替天然河砂在混凝土中资源化利用,不但可以缓解天然砂石资源短缺的问题,而且可以改善生态环境,变废为宝。为此,国内外不少学者对该领域进行了探索研究。

孙婧等[7]利用金尾矿复合砂与普通砂搭配,制备出满足流动性和RPC180力学标准的活性粉末混凝土。Ince[8]以金尾矿复合砂替代部分河砂制备再生砂浆,发现当金尾矿复合砂替代率不超过30%(文中掺量、替代率均为质量分数)时,水泥砂浆的抗压强度随着其替代率增加也不断增大。Liu等[9]研究了金尾矿复合砂掺量对泡沫混凝土性能的影响,发现适量金尾矿复合砂的掺入可提高泡沫混凝土的密度、力学强度及抗渗性能。王长龙等[10]通过活化技术提升金尾矿的二次水化反应活性,将金尾矿用作胶凝材料制备的混凝土试件具有较好的力学性能。付万长等[11]研究发现,450 ℃热处理激发金尾矿,可使其28 d活性指数显著提升。Wang等[12]利用不同物化特性的金尾矿分别作为矿物掺合料、细集料制备了超高性能混凝土。Cheng等[13]采用机械化学活化的金尾矿代替10%～40%的水泥制备混凝土,所制备的混凝土抗渗、抗冻及抗碳化耐久性能均满足使用性能要求。Li等[14]将金尾矿细粉作为制备再生混凝土的辅助胶凝材料,金尾矿细粉在水化过程中可以发挥填充和微活性效应,当金尾矿掺量为20%～40%时,再生混凝土微观结构均匀密实,具有较优的力学性能。

综上,目前针对金尾矿在水泥基材料中的应用研究主要集中在作为细集料或者辅助胶凝材料使用。然而,利用金尾矿复合砂替代天然砂制备普通混凝土并探究其力学性能及耐久性能的研究较少。基于目前金尾矿的研究现状,本文对金尾矿复合砂和天然河砂进行物化成分分析,并确定二者组成的混合砂较优颗粒级配和搭配比例;在此基础上,进一步研究混合砂中金尾矿复合砂替代率对不同等级C30～C50混凝土和易性、力学性能和耐久性能的影响,从而探究满足混凝土综合性能较优的金尾矿复合砂替代率范围,以期为金尾矿复合砂的规模化开发利用提供数据支撑。

1 实 验

1.1 原材料

本研究选取潼关某建材有限公司的金尾矿样品,其XRD谱见图1,主要化学组成及物理性能指标如表1、2所示。从图1可知,石英在金尾矿复合砂矿物组分中占比最大,SiO2是石英的主要成分,这与化学成分分析中SiO2含量最高相吻合。

表1 金尾矿复合砂的化学成分

表2 金尾矿复合砂的物理性能

图1 金尾矿复合砂的XRD谱

其他原材料包括:陕西冀东P·O 42.5级水泥;铜川华能电厂II级粉煤灰,细度为19.3%,需水量为96%,烧失量为3.3%;韩城S95级矿粉,比表面积为400 m2/kg,28 d活性指数为97%;碎石粒径为5～20 mm,表观密度为2 730 kg/m3,紧密堆积密度为1 510 kg/m3,压碎指标为10%;天然河砂细度模数为2.3,表观密度为2 640 kg/m3,紧密堆积密度为1 530 kg/m3;中建西部建设新材料科技有限公司生产的聚羧酸外加剂,减水率为31%;自来水。

1.2 金尾矿复合砂组成设计

试验固定混合砂总量为2 000 g,以金尾矿复合砂按照等梯度10%为间隔分别替代河砂组成混合砂,替代率在混合砂总量的0%～100%内变化。对得到的混合砂分别采用不同粒级标准筛进行筛分,其曲线如图2所示。金尾矿复合砂和天然河砂按不同比例搭配成的混合砂细度模数、松散堆积密度及空隙率见表3。

表3 混合砂的细度模数、松散堆积密度和空隙率

图2 混合砂的级配曲线

由图2可知,金尾矿复合砂颗粒粒径分布不连续,大部分处于0.60 mm以下,不宜单独用作混凝土细集料,需与较粗颗粒搭配使用以优化级配。根据图中混合砂级配曲线变化趋势可知,随着金尾矿复合砂取代河砂比例的增加,混合砂级配曲线逐渐超出II区中砂区间范围,其颗粒级配表现为越来越细。

由表3可知,当金尾矿复合砂掺量为10%～30%时,混合砂为中砂。当金尾矿复合砂掺量为40%～60%时,混合砂为细砂。当金尾矿复合砂掺量为70%～90%时,混合砂为特细砂。当金尾矿复合砂替代率不超过50%时,混合砂颗粒之间形成密实堆积结构,具有较高的松散堆积密度和较低的空隙率。

1.3 配合比设计

为了最大限度利用金尾矿复合砂取代天然河砂,以缓解天然河砂资源匮乏及价格高昂的紧张局面,满足工程中C30～C50强度等级混凝土使用性能的要求,试验以纯天然河砂作细集料配制的C30～C50混凝土为基准组(见表4),在此基础上分别按照金尾矿复合砂替代率10%、20%、30%、40%和50%等质量替代天然河砂配制不同强度等级混凝土,通过调整外加剂掺量控制混凝土工作性。

表4 C30～C50混凝土的基准配合比

1.4 测试与表征

混凝土工作性测试方法参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)进行测定。硬化混凝土抗压强度测试参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行。混凝土抗碳化性能、抗冻性能参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009) 进行,其中抗冻性能试验采用快冻法。利用JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)对混凝土微观水化产物形貌特征进行分析。

2 结果与讨论

2.1 金尾矿复合砂替代率对混凝土工作性的影响

2.1.1 坍落度和扩展度结果分析

在不同金尾矿复合砂替代率10%、20%、30%、40%和50%下分别制备C30～C50混凝土,试验过程中保证相同强度等级各组配合比总用水量不变,通过改变外加剂掺量对所制备的混凝土工作性进行调节,使其坍落度控制在200～240 mm,扩展度大于500 mm。图3为满足相近工作性的外加剂掺量。由图3中外加剂掺量数据变化规律可看出,随着金尾矿复合砂取代河砂比例的增加,在满足相近工作性条件下,外加剂掺量均呈不断增大趋势。这主要是由于金尾矿复合砂颗粒粒度较天然河砂细,等质量替代天然河砂相当于增大了混凝土组成体系中微细颗粒含量,而细颗粒比表面积大,需水量和对外加剂吸附作用大,为了不改变水胶比且能满足混凝土工作性要求,则需要增加外加剂掺量以改善混凝土的和易性。然而,随着金尾矿复合砂替代率的增大,新拌混凝土浆体黏稠性也增大,导致外加剂掺量不断升高。

图3 满足相近工作性的外加剂掺量

2.1.2 含气量结果分析

不同强度等级新拌金尾矿复合砂混凝土的含气量结果见图4。由图可知,随着金尾矿复合砂替代率的增加,新拌混凝土的含气量呈先下降后上升趋势,掺加减水剂后,未掺金尾矿复合砂的C30、C40、C50混凝土基准组含气量分别为3.2%、2.3%和3.2%。当金尾矿复合砂替代率由0%增加到30%时,C30、C40、C50混凝土含气量均达最低值,分别降低了12.5%、21.7%和21.9%;当金尾矿复合砂替代率由30%增加到50%时,C30、C40、C50混凝土含气量反向增大,分别增加了21.4%、38.9%和12.0%。这可能是因为随着金尾矿复合砂替代比例增加,混合砂颗粒之间的粒级分布趋于密实级配,使原先填充混凝土内部空隙的气体得以逸出,从而降低了含气量;而当金尾矿复合砂替代率超过30%并进一步增大时,混凝土拌合物工作性不断下降,结合图3分析可知,为了调节工作性而提高外加剂掺量时,混凝土所含的引气组分增加,在混凝土拌制过程中引入并滞留了更多的空气,从而增大了混凝土的含气量。

图4 C30～C50混凝土的含气量

2.2 金尾矿复合砂替代率对混凝土抗压强度的影响

混凝土力学性能的优劣往往通过抗压强度作为评价指标。金尾矿复合砂替代河砂的不同比例对复合砂颗粒级配及空隙率有较大影响,而复合砂的空隙率大小与混凝土强度之间有着必然的联系。

图5～图7为C30～C50混凝土不同金尾矿复合砂替代率下各龄期的抗压强度变化曲线。从图中可以看出,随着金尾矿复合砂取代河砂比例由10%增大至50%,在保证新拌混凝土具有相近工作性的前提下,混凝土各龄期抗压强度值整体都呈先上升后下降的趋势,且掺入金尾矿复合砂的混凝土试件各龄期抗压强度均基本高于未掺金尾矿复合砂的基准组试件,其中在金尾矿复合砂替代率为20%时,C30混凝土7、28、56 d抗压强度最高,分别为37.2、47.7、51.0 MPa,相对于未掺金尾矿复合砂的基准组分别提高了12.0%、17.5%、16.4%;当金尾矿复合砂替代率为30%时,C40混凝土7、28、56 d抗压强度最高,分别为50.7、59.8、67.1 MPa,相对于未掺金尾矿复合砂的基准组分别提高了12.7%、6.0%、10.4%;当金尾矿复合砂替代率为30%时,C50混凝土7、28、56 d抗压强度最高,分别为60.9、77.0、79.9 MPa,相对于未掺金尾矿复合砂的基准组分别提高了8.7%、14.9%、6.7%。抗压强度提高主要是因为[15-18]:一方面,金尾矿复合砂中含有大量粒径小于0.75 μm的粉末颗粒,该粉末颗粒具有一定潜在胶凝活性,随着水泥水化反应的持续进行,可与水化产物Ca(OH)2结合发生二次水化反应,生成水化硅酸钙凝胶,并填充于硬化浆体内部的微孔隙结构,从而提高混凝土中水泥石基体的密实度;另一方面,随着金尾矿复合砂替代河砂比例的增大,混合砂颗粒级配得到改善,其中在金尾矿复合砂替代率为20%～30%时,天然河砂与金尾矿复合砂微细颗粒之间互为密实填充,进而使混凝土达到较佳的均匀致密状态。因此,掺入金尾矿复合砂的混凝土试件强度提高且在掺量为20%～30%时达到较大值。

图5 C30混凝土的抗压强度

图6 C40混凝土的抗压强度

图7 C50混凝土的抗压强度

2.3 金尾矿复合砂替代率对混凝土耐久性能的影响

2.3.1 金尾矿复合砂混凝土抗碳化试验研究

混凝土一旦发生碳化便会引起内部碱度降低,对钢筋的保护作用减弱。掺加金尾矿复合砂混凝土的抗碳化能力是衡量混凝土耐久性能的重要指标之一。

图8～10分别为C30～C50混凝土在不同金尾矿复合砂替代率下的碳化深度。通过图8～10中可看出:随着混凝土强度等级的提高,相同龄期混凝土的平均碳化深度值逐渐降低;随着金尾矿复合砂取代河砂比例由10%增大至50%, C30～C50混凝土平均碳化深度随着龄期延长总体表现为先降低后增大的变化趋势,其中C30、C40、C50混凝土在金尾矿掺量分别为20%、30%、30%时,28 d碳化深度达到最小值,此时碳化深度值分别为9.6、1.8、1.1 mm,相对于未掺金尾矿复合砂的基准组分别降低了66.2%、48.6%、42.1%;而随着金尾矿复合砂掺量的进一步增大,碳化深度值开始逐渐增加,在金尾矿掺量为50%时,C30、C40、C50混凝土的28 d碳化深度值分别为17.2、5.3、1.8 mm,同时结合C30、C40、C50混凝土试件28 d碳化深度照片(见图11)可知,碳化深度值整体都不大,说明该混凝土具有较好的抗碳化性能。

图8 C30混凝土的碳化深度

图9 C40混凝土的碳化深度

图10 C50混凝土的碳化深度

图11 C30～C50混凝土试件28 d的碳化深度照片

2.3.2 金尾矿复合砂混凝土抗冻性试验研究

用金尾矿复合砂替代不同比例河砂制成C30～C50混凝土,并对其进行抗冻试验。金尾矿复合砂替代率与混凝土质量损失率、相对动弹性模量的关系如图12～17所示。

图12 C30混凝土的质量损失率

图13 C40混凝土的质量损失率

图14 C50混凝土的质量损失率

图15 C30混凝土的相对动弹性模量

图16 C40混凝土的相对动弹性模量

由图中数据变化规律可知,C30～C50混凝土试件质量损失率随着冻融循环次数的增加而不断增大,相对动弹性模量呈相反的变化趋势。在冻融循环300次,金尾矿复合砂替代率为0%、10%、20%、30%、40%、50%时,C30混凝土质量损失率分别为4.90%、4.44%、1.87%、2.44%、2.99%、3.49%,相对动弹性模量分别为38.66%、41.24%、83.41%、55.85%、68.63%、44.25%;C40混凝土质量损失率分别为2.62%、2.70%、1.72%、1.11%、1.91%、2.71%,相对动弹性模量分别为78.08%、75.39%、84.68%、87.46%、81.14%、72.71%;C50混凝土质量损失率分别为0.95%、1.44%、0.64%、0.54%、0.73%、0.88%,相对动弹性模量分别为87.23%、86.73%、92.20%、93.17%、90.57%、88.60%。由图中数据分析可以看出,在金尾矿复合砂替代率为20%～30%时,随着冻融循环次数的增加,C30～C50混凝土质量损失程度较小,相对动弹性模量衰减幅度较缓,具有较好的抗冻性能。

综合上述金尾矿复合砂替代率对C30～C50混凝土抗碳化性能和抗冻性能影响分析可知,在金尾矿复合砂替代率为20%～30%时,金尾矿复合砂颗粒之间具有最紧密堆积集料级配,所制备的混凝土内部孔隙结构得到改善,孔隙率降低,结构致密性增强,有利于减少或阻断外界气体与水分等侵入混凝土内部,使混凝土自身抗碳化性能和抗冻性能增强。而随着金尾矿复合砂替代率进一步增大,颗粒之间较优的级配组合趋于失衡,混凝土结构密实性降低,形成大量开口或连通孔隙,为二氧化碳气体和水分的进入提供了更多通道,从而导致混凝土抗碳化性能和抗冻性能又开始减弱。

2.4 SEM微观分析

为进一步分析金尾矿复合砂替代率对混凝土微结构的影响,分别选取金尾矿复合砂替代率为0%、10%、30%、50%的C50混凝土试样进行SEM分析。不同金尾矿复合砂替代率混凝土的SEM照片见图18。

图18 金尾矿复合砂混凝土的SEM照片

由图18(a)可知,未掺加金尾矿复合砂的基准组混凝土内部存在较多孔隙,并伴有少许微细裂缝;当金尾矿复合砂替代率为10%时,由图18(b)可知,混凝土内部结构更为致密,孔隙缺陷有所改善;当金尾矿替代率由10%增加到30%时,由图18(c)可见,水化产物之间紧密胶结,形成密实度良好的整体,孔隙数量进一步降低;当金尾矿复合砂的替代率继续增加至50%时,由于金尾矿复合砂与河砂组成的混合砂颗粒分布不均,未形成均匀连续的密集料级配,导致空隙率增加。结合前述抗压强度及耐久性结果分析可知,合理的金尾矿复合砂替代率可优化颗粒间的级配而趋于紧密堆积,降低混凝土内部孔隙率,密实微观结构,从而使混凝土具有更加优异的力学和耐久性能。

3 结 论

1)金尾矿复合砂与河砂搭配组成的混合砂中,随金尾矿复合砂掺量的增加,混合砂的级配越来越细。当金尾矿复合砂掺量低于50%时,混合砂的松散堆积密度较高,空隙率较小,级配更接近II区中砂。

2)当金尾矿复合砂掺量从0%增加到50%时,C30～C50混凝土抗压强度和耐久性能均先提高后降低,在金尾矿复合砂掺量为20%～30%时,混凝土抗压强度增幅较大,且具有较优的抗碳化性能和抗冻性能。

3)随着金尾矿复合砂掺量增大,水化产物的密实性先增加后降低,其中在金尾矿复合砂掺量为30%时水化产物相互交织形成致密结构,与宏观试验相互印证。