張會(huì)芳 元敬順 孫 婧

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

紫金礦業(yè)尾礦制備活性粉末混凝土的試驗(yàn)研究

張會(huì)芳 元敬順 孫 婧

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

尾礦庫(kù)的安全和尾礦的整體利用是密切相關(guān)的，尾礦被整體利用，可徹底鏟除事故危險(xiǎn)源.利用尾礦砂制備了RPC(活性粉末混凝土)，探討了鋼纖維摻量、膠砂比和金礦砂比例對(duì)RPC性能的影響，為盡可能的消納尾礦砂，取代制備活性粉末混凝土的石英砂提供了途徑，為張家口紫金礦業(yè)的尾礦提供新的應(yīng)用途徑，減少了尾礦帶來(lái)的不可預(yù)知的危害.

尾礦；活性粉末；混凝土；試驗(yàn)研究

0 引 言

尾礦庫(kù)是一種巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源，一旦發(fā)生事故，會(huì)給周邊環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重危害，因而成為環(huán)境應(yīng)急監(jiān)管的重點(diǎn).特別是近年來(lái)由尾礦庫(kù)引起的突發(fā)環(huán)境事件呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢(shì)，使得尾礦庫(kù)環(huán)境應(yīng)急管理形勢(shì)嚴(yán)峻.當(dāng)前，我國(guó)尾礦庫(kù)環(huán)境監(jiān)管能力薄弱，主要依靠地面調(diào)查，信息與技術(shù)支撐能力嚴(yán)重不足.為此，面向環(huán)境應(yīng)急管理的工作需求，在分析尾礦庫(kù)特性及遙感技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了尾礦庫(kù)環(huán)境監(jiān)管指標(biāo)體系和監(jiān)測(cè)方法，并以張家口為例，開展了“天地”一體化的尾礦庫(kù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范，增強(qiáng)了尾礦庫(kù)的環(huán)境監(jiān)管能力，同時(shí)也拓寬了遙感的應(yīng)用面，為建立基于“天地”一體化的尾礦庫(kù)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)體系和服務(wù)平臺(tái)奠定了初步的技術(shù)基礎(chǔ)[1].

尾礦庫(kù)的安全和尾礦的整體利用是密切相關(guān)的，如尾礦被整體利用，可徹底鏟除事故危險(xiǎn)源.本文利用尾礦砂用于制備了RPC(活性粉末混凝土)，探討了鋼纖維摻量、膠砂比和金礦砂比對(duì)RPC性能的影響，為盡可能的消納尾礦砂，取代制備活性粉末混凝土的石英砂提供了途徑，為張家口紫金礦業(yè)的尾礦提供新的應(yīng)用途徑，減少了尾礦帶來(lái)的不可預(yù)知的危害.

1 試驗(yàn)原料和活性粉末混凝土的制備

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 水泥

水泥采用張家口金隅水泥有限公司普通硅酸鹽水泥，水泥的性質(zhì)如表1所示.

表1 水泥的性質(zhì)

1.1.2 硅灰

本試驗(yàn)采用鞍山鞍美國(guó)貿(mào)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的硅灰，其外觀為灰色或灰白色粉末，耐火度>1600 ℃，堆積密度為200～250 kg/m3，細(xì)度小于1 μm的占80%以上，平均粒徑在0.1～0.3 μm，比表面積為20～28 m2/g.化學(xué)成分如表2所示.

表2 硅灰化學(xué)成分/%

1.1.3 金礦砂

從張家口紫金礦業(yè)有限公司引進(jìn)金礦砂.細(xì)度模度為1.37，表觀密度為2610 Kg/m3，堆積密度為1240 Kg/m3.

1.1.4 普通砂

未經(jīng)水洗的普通砂的平均含泥量為0.675%，含泥量較大，所以試驗(yàn)用普通砂為人工過0.08 mm水篩洗處理過后的水洗砂，粒徑范圍：1.18 mm～0.08 mm，細(xì)度模數(shù)為1.30，表觀密度為2650 kg/m3，堆積密度為1570 kg/m3.

1.1.5 鋼纖維

鍍銅微細(xì)型，長(zhǎng)度為12 mm～14 mm，直徑為φ0.22 mm，密度為7.85 g/cm3，產(chǎn)地：唐山玉田縣致泰鋼纖維制造有限公司.

1.1.6 減水劑

聚羧酸減水劑，減水率31%～32%，中性.

1.2 活性粉末混凝土的制備

活性粉末混凝土通過以下步驟制備：

(1)將原材料按照各配方用電子天平準(zhǔn)確稱量后，先將水泥，硅灰，金礦砂，普通砂，混合攪拌2 min，再加入鋼纖維，攪拌1 min，再加入一半的減水劑和一半的水，攪拌3 min，最后加入剩下的減水劑和水，再攪拌4 min；

(2)將拌合物澆注于40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)模中，置于振動(dòng)器上振動(dòng)1 min，再放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)3 min，振動(dòng)完畢后立即用濕毛巾(要擰到擰不出水為止，防止毛巾中的水滲入混凝土中)蓋上防止水分蒸發(fā)；

(3)將試塊靜置50 min后加壓成型，壓力大小為200 KN.然后放入標(biāo)養(yǎng)室，標(biāo)養(yǎng)3 d后，拿出來(lái)放入蒸養(yǎng)箱中，蒸養(yǎng)1 d.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維摻量對(duì)RPC性能的影響

采用水膠比為0.19，膠砂比為1.04，鋼纖維摻量分別是0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，試驗(yàn)結(jié)果見圖1所示.

圖1 鋼纖維摻量對(duì)RPC強(qiáng)度的影響

由圖1可知，當(dāng)膠砂比和金礦砂比例一定時(shí)，抗壓強(qiáng)度在摻量是1%的時(shí)是最小的168.5 MPa，在鋼纖維摻量是2.5%的時(shí)達(dá)到最大值185.9 MPa.抗折強(qiáng)度在鋼纖維摻量是1%的時(shí)是最小的18.25 MPa，在2.5%時(shí)是最大的38.14 MPa.抗壓強(qiáng)度變化整體趨勢(shì)隨著鋼纖維摻量的增加而增加，當(dāng)鋼纖維摻量分別是1.5%，2%，2.5%時(shí)，增幅分別是5.16%，3.83%，1.03%，很明顯的是增幅強(qiáng)度明顯是減小的，說明鋼纖維摻量的增加，強(qiáng)度的變化越來(lái)越小.摻量1.0%的時(shí)抗壓強(qiáng)度是降低的，減幅是4.03%.當(dāng)在摻量在2%的時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大184.0 MPa，滿足本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求.抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加總體趨勢(shì)是增大的，鋼纖維摻量在分別在1.5%，2.0%，2.5%時(shí)，增幅分別是29.48%，3.0%，56.70%，在摻量1%時(shí)減幅是9.29%，在鋼纖維摻量是1.5%到2%變化時(shí)，抗折強(qiáng)度變化的不明顯，沒有太大的變化.根據(jù)本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的強(qiáng)度大小20 MPa以上，摻量為2%的時(shí)，強(qiáng)度為24.34 MPa，滿足試驗(yàn)要求.在整個(gè)試驗(yàn)的觀察結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量越大，和易性越差，難操作.綜合考慮摻量2%是最佳的.

通過分析抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)和試驗(yàn)觀察，摻少量的鋼纖維時(shí)，試件在破壞前，因?yàn)樵嚰邚?qiáng)度，在試件破壞前試件內(nèi)部有較明顯的劈裂聲，大部分試件破壞瞬間炸裂，隨著鋼纖維量的增加，在單軸壓縮情況下，在沒有鋼纖維的時(shí)，試件的破壞模式是沿45 °傾斜面剪切破壞的脆性方式，摻入鋼纖維的時(shí)逐漸轉(zhuǎn)化到橫向腫脹破壞的韌性方式，即橫向拉伸破壞.這種破壞機(jī)制的變化是由鋼纖維的拔出破壞機(jī)理和對(duì)裂縫的閉合作用所決定的.從破壞形式來(lái)分析來(lái)，試件裂縫主要產(chǎn)生在骨料和水泥砂漿粘結(jié)面上.由格里菲斯微裂紋理論可知，由于鋼纖維的作用，一方面抑制裂縫擴(kuò)展，另一方面跨越裂縫的纖維逐漸發(fā)揮增強(qiáng)作用，提高了截面的抗剪能力；在進(jìn)入破壞階段后，鋼纖維繼續(xù)拔出，荷載由纖維與基體間摩擦力和未拔出纖維承擔(dān)，鋼纖維對(duì)混凝土抗壓性能的改善主要在抗壓韌性提高與破壞形態(tài)變化[2-3].

纖維在RPC中，由于鋼纖維閉合裂縫的作用，其結(jié)果相當(dāng)于增加內(nèi)聚力而分布于滑移面上的鋼纖維又起到插銷作用增大了摩阻角，因此鋼纖維摻量的增加，纖維RPC的抗剪強(qiáng)度必然逐步增大，從而阻止了試件的剪切破壞而使其橫向脹裂.另外，鋼纖維可以起到橋接和銷栓的作用，阻礙了裂縫的發(fā)展，適量增加鋼纖維摻量，能夠一定程度上提高RPC材料的抗壓強(qiáng)度和韌性.但是，鋼纖維摻量的增加會(huì)降低活性粉末混凝土的坍落度，在相同水膠比條件下，如果鋼纖維摻量過高，由于鋼纖維占用了部分拌合水，鋼纖維缺乏足夠的漿體包裹與填充；同時(shí)，鋼纖維之間存在架力作用，也造成活性粉末混凝土中拌合物內(nèi)部的摩擦力增大，使拌合物的和易性變差，使RPC成為干硬性材料，在進(jìn)行試件澆筑時(shí)會(huì)影響其密實(shí)性，增加內(nèi)部初始缺陷，進(jìn)而影響RPC的強(qiáng)度.綜合考慮摻量2%效果最好.

2.2 膠砂比對(duì)RPC性能的影響

試驗(yàn)采用鋼纖維摻量2%(體積百分?jǐn)?shù))，水膠比0.19，膠砂比分別為0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 膠砂比對(duì)RPC強(qiáng)度的影響

由圖2可知，抗壓強(qiáng)度在膠砂比1.1時(shí)最大188.9 MPa，在膠砂比0.8的時(shí)最小171.5 MPa.抗折強(qiáng)度在膠砂比為1.2時(shí)最大33.70 MPa，在膠砂比為0.8達(dá)到最小值26.91 MPa.抗壓強(qiáng)度是先增加，再減小，抗壓強(qiáng)度在膠砂比1.1時(shí)最大188.9 MPa，在膠砂比0.8時(shí)最小171.5 MPa.在膠砂比0.9，1.0，1.1，其強(qiáng)度增幅分別是3.97%，2.47%，3.39%.在膠砂比1.2，減幅度是1.24%，選擇膠砂比1.1的抗壓強(qiáng)度最大為優(yōu).抗折強(qiáng)度的總趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，隨膠砂比的增加，抗折強(qiáng)度變化較小.

膠砂比對(duì)RPC的強(qiáng)度的影響實(shí)質(zhì)上也是平均漿體厚度及密實(shí)度對(duì)RPC的強(qiáng)度的影響.膠集比減少，平均漿體厚度增加，使砂粒間有足夠的漿體將它們連接為一個(gè)整體，則骨料與漿體問的黏結(jié)力也增大.一般當(dāng)材料一定時(shí)，只要骨料與漿體間的黏結(jié)力增大了，則整體抗壓強(qiáng)度就會(huì)增大.反之，膠砂比增大，平均漿體厚度減小，那么RPC整體的抗折強(qiáng)度就會(huì)減小.膠砂比對(duì)RPC抗折強(qiáng)度的影響也涉及到RPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性問題，RPC是一種非均勻的多孔體，其中RPC體內(nèi)的漿體和骨料力學(xué)性能上的差異是造成RPC結(jié)構(gòu)勻質(zhì)性差的主要原因之一.

在膠砂比為0.8的時(shí)，膠凝材料的比例較小，膠凝材料不能很好的對(duì)砂粒進(jìn)行包裹，從而導(dǎo)致砂粒之間的空隙不能被完全填充達(dá)到很好的密實(shí)性，使得骨料之間的“界面”危害現(xiàn)象出來(lái)，強(qiáng)度較低.隨著膠砂比的增大，膠凝材料越來(lái)越多，細(xì)骨料的骨架作用有了比較理想的發(fā)展空間，使得強(qiáng)度增高，當(dāng)膠砂比為1.1的時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值.在膠砂比為1.2時(shí)，膠凝材料較多，使得RPC的漿體過多導(dǎo)致砂粒比例較少不能達(dá)到很好的骨架密實(shí)性，膠凝材料水化后不能很好的形成強(qiáng)度，達(dá)不到比較理想的填充效應(yīng)及骨架作用，強(qiáng)度下降.

2.3 金礦砂比例對(duì)RPC性能的影響

試驗(yàn)采用鋼纖維摻量2%，膠砂比是1.1，水膠比為0.19，金礦砂占總砂的比例分別是50%，59%，70%，80%，90%，100%.試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 金礦砂比例對(duì)RPC強(qiáng)度的影響

由圖3可知，抗壓強(qiáng)度先增加后降低，在金礦砂比例為80%時(shí)最大198.4 MPa，在50%時(shí)最小186.9 MPa.在比例為70%，80%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度分別為5.56%，0.56%.增幅是逐漸減小的，比例是90%，100%時(shí)減幅為0.60%，1.01%，減幅度是增加的.抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律先增加，再減小，比例90%時(shí)最大40 MPa，在比例50%時(shí)最小23.6 MPa.試驗(yàn)觀察中可以發(fā)現(xiàn)，金礦砂比例越大，和易性越差，尤其是金礦砂比例是100%時(shí)，攪拌機(jī)被卡住多次，施工性能不好，金礦砂比例在80%時(shí)，抗折強(qiáng)度為27.8 MPa，完全滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，此時(shí)抗壓強(qiáng)度是最大的，所以金礦砂比例是80%為佳.

集料加入到基體中，相當(dāng)于體系中分散了許多“夾雜物”，當(dāng)整個(gè)體系受到外荷載時(shí)，這些“夾雜物”會(huì)引起應(yīng)力集中的負(fù)面效應(yīng)；但集料同時(shí)又可以成為裂紋擴(kuò)展的阻擋元，對(duì)體系起到正作用效應(yīng)，當(dāng)集料的正作用效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)時(shí)，體系的性能提高.在活性粉末混凝土中，如果集料達(dá)到最佳級(jí)配比，就能大大提高了基體相的性能.只有水泥基材料中集料相與基體相之間存在強(qiáng)烈的協(xié)同作用，集料相與基體相之間的性能相匹配時(shí)，有利于充分發(fā)揮各組成相的最大潛能，并使混凝土復(fù)合材料獲得最佳的性能[4].

一般來(lái)說砂子分細(xì)砂和粗砂，細(xì)砂的總比面積較大，粗砂的總比面積要小.而金礦砂和試驗(yàn)用的普通砂都是細(xì)砂，但是相比來(lái)說普通砂的粒徑較大，所以兩者之間有最好的配比，也就是級(jí)配比使得砂中空隙率及總比表面積均最小，這樣可以大大的改善混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度.

因此金尾礦砂的摻量直接影響著混合砂的級(jí)配和細(xì)度，過多的摻量會(huì)導(dǎo)致混合砂偏細(xì)，砂的比表面積增大，使混凝土的強(qiáng)度下降，當(dāng)鐵尾礦砂占混合砂比例合適時(shí)，使得混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最大值.在金礦砂比例是50%的時(shí)，由于金礦砂比例較小使得混合砂的細(xì)度較大，空隙率多，強(qiáng)度比較低，當(dāng)金礦砂比例到80%時(shí)，混合砂的配比達(dá)到最佳值.此時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值.金礦砂比例90%時(shí)，抗折強(qiáng)度到達(dá)最大值，此時(shí)是正好高彈性模量的鋼纖維與混凝土基體之間的黏結(jié)力有一個(gè)最大粘結(jié)力.金礦砂比是100%時(shí)，此時(shí)細(xì)度過細(xì)，因?yàn)樗冶炔蛔?，其拌合物的和易性很難控制，內(nèi)摩擦大，不易成型.強(qiáng)度下降.綜合考慮，金礦砂比例為80%時(shí)，水泥基材料中集料相與基體相之間存在強(qiáng)烈的協(xié)同作用，集料相與基體相之間的性能相匹配，有利于充分發(fā)揮各組成相的最大潛能，并使混凝土復(fù)合材料獲得最佳的性能.

3 結(jié) 論

通過對(duì)鋼纖維摻量、膠砂比和金礦砂比例對(duì)RPC性能的影響的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)水膠比為0.19，鋼纖維摻量為2.0%時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度可達(dá)184 MPa，抗折強(qiáng)度可達(dá)24.34 MPa，鋼纖維摻量2%效果最好，鋼纖維的加入，抑制了裂縫擴(kuò)展，發(fā)揮增強(qiáng)作用，荷載由纖維與基體間摩擦力和未拔出纖維承擔(dān)，改善了混凝土的性能.

(2)水膠比為0.19，鋼纖維摻量為2%時(shí)，膠砂比為1.1時(shí)效果最佳，RPC抗壓強(qiáng)度可達(dá)188.9 MPa，抗折強(qiáng)度可達(dá)30.42 MPa.

(3)水膠比為0.19，鋼纖維摻量為2%時(shí)，膠砂比為1.1，金礦砂比例為80%時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度可達(dá)198.4 MPa，抗折強(qiáng)度可達(dá)27.8 MPa，綜合考慮，金礦砂比例為80%時(shí)，水泥基材料中集料相與基體相之間存在強(qiáng)烈的協(xié)同作用，集料相與基體相之間的性能相匹配，有利于充分發(fā)揮各組成相的最大潛能，并使混凝土復(fù)合材料獲得最佳的性能.

[1]李禮，謝超，馮一鳴.金尾礦綜合利用技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].資源開發(fā)與市場(chǎng),2012,28(09):816～818

[2]鞠彥忠，王德弘，康孟新.不同鋼纖維摻量活性粉末混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2013,21(02):300～306

[3]劉麗芳,王培銘,楊曉杰.纖維參數(shù)對(duì)水泥砂漿斷裂韌性的影響[J].混凝土與水泥制品,2006,(01):40～43

[4]龍廣成，謝友均，蔣正武，孫振平,王培銘.集料對(duì)活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2004,07(03):270～273

Experimental Study of Preparation of Reactive Powder Concrete with ZiJin Mining Tailings

ZHANGHui-fang,YUANJing-shun,SUNJing

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering, Zhangjiakou 075000, China)

The overall use of tailings and the safety of the tailings are closely related.Tailings can be used fully,which can thoroughly eradicate the source of hazards.In this thesis,tailings are used to prepare RPC(Reactive Powder Concrete).The influences of the content of steel fiber,cement sand ratio and gold tailings sand ratio on the performance of RPC are discussed.The purpose is to reduce tailings as much as possible,providing a new method for replacing the quartz sand in the preparation of reactive powder concrete as well as a new way for the application of tailings for Zijin Mining of Zhangjiakou and reducing the unpredictable harm of tailings.

tailings;reactive powder;concrete;experimental study

2014-12-10

2014年校級(jí)科研基金項(xiàng)目(Y201408) ；2014年河北省高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目QN2015173

張會(huì)芳(1979-)，女，碩士研究生，講師，從事建筑材料研究.

TU 5

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