向榮江等

摘 要：基于對礦山尾礦進(jìn)行廢物利用的考慮，現(xiàn)將其加入路用混凝土中以取代原細(xì)集料，通過試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其在路用混凝土中的配比規(guī)律。研究結(jié)果表明：以標(biāo)準(zhǔn)混凝土的配合比為基礎(chǔ)，研究優(yōu)化加入尾礦后混凝土的配合比，完全可以滿足施工工藝要求；在采用相同尾礦粒徑前提下，加入不同量的尾礦對混凝土的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)具有積極的影響，鐵尾礦粒徑在0.15-0.3范圍內(nèi)且取代50%細(xì)集料用量時，混凝土的抗壓強(qiáng)度有相應(yīng)的提高。

關(guān)鍵詞：細(xì)集料；資源回收利用；抗壓強(qiáng)度；ANSYS；彎沉值

引言

目前，在礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)，由于大量的礦石開采產(chǎn)生了數(shù)量巨大的廢物資源，諸多行業(yè)針對這些廢棄資源如何回收再利用也進(jìn)行了大量的研究。應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，混凝土的使用越來越高要求、高標(biāo)準(zhǔn)、高強(qiáng)度以及高性能化。各大型建設(shè)項目頻繁的誕生使得建筑用混凝土的使用量大大增加，原材料出現(xiàn)供應(yīng)緊張的趨勢，有限的天然細(xì)集料的短缺供不應(yīng)求，同時礦山開采遺留的鐵尾礦廢石也逐年遞增。這些鐵尾礦堆積的維護(hù)費(fèi)用和潛在危害很大，需要通過開發(fā)新的綜合利用降低其危害。將堆積如山的鐵尾礦廢料作為一種新材料取代原混凝土中的細(xì)集料，對尾礦充分利用，既能減少天然河砂的消耗，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，又能減少堆積如山的尾礦對環(huán)境的污染和對耕地的占用，對解決廢棄資源的再利用不失為一具有優(yōu)勢的途徑。

1 試驗研究配合比

1.1 試驗過程

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)試件（不加尾礦）配合比設(shè)計

在道路建設(shè)中，面層是道路結(jié)構(gòu)層的組成部分之一。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》規(guī)定初步確定混凝土配合比，通過實(shí)驗測定其和易性能和塌落度，根據(jù)實(shí)際工程施工對混凝土和易性的要求調(diào)整配合比，對試件分別養(yǎng)護(hù)3天、7天、18天、28天并測其相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗結(jié)果確定標(biāo)準(zhǔn)試件最終配合比。

1.1.2 尾礦混凝土配合比設(shè)計與調(diào)整

基于標(biāo)準(zhǔn)試件配合比的設(shè)計，采用控制變量法，在其他材料及成分都不變的情況下，將尾礦按照試件原材料質(zhì)量的25%、50%和75%的比例取代細(xì)集料，以試件成型且能滿足和易性能要求為標(biāo)準(zhǔn)探究鐵尾礦混凝土的配合比。配合比優(yōu)化確定如表1所示。

通過對1#方案和2#方案試件抗壓強(qiáng)度的比較，可明顯看出，2#方案的混凝土抗壓強(qiáng)度增長更穩(wěn)定，強(qiáng)度長值更高，所以確定2#方案作為標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比方案。3#方案以2#為基礎(chǔ)，在其中添加鐵尾礦取代部分中砂并測其力學(xué)性能，通過試驗表明除在混凝土材料的力學(xué)性能上能滿足要求外，其28d抗壓強(qiáng)度較普通混凝土偏大，增長了約7%。因此，以3#方案作為鐵尾礦混凝土配合比進(jìn)行后續(xù)試驗。

1.2 鐵尾礦摻量變化對水泥混凝土的力學(xué)性能影響

通過實(shí)驗數(shù)據(jù)，尾礦的添加量并不是越多越好，尾礦的添加量存在最優(yōu)配比。（表2）

1.3 試驗結(jié)果分析

通過對試驗結(jié)果分析，將鐵尾礦加入路用混凝土中取代天然河砂的功能，在養(yǎng)護(hù)前期，其強(qiáng)度較普通混凝土試件小，但是隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，尾礦混凝土在強(qiáng)度上有明顯的優(yōu)勢，其28天抗壓強(qiáng)度普遍高于普通混凝土試件。相同鐵尾礦用量不同粒徑下，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化過程比較如圖1和圖2。

如圖1所示，當(dāng)尾礦粒徑在0.15-0.3mm之間，且取代天然河砂量為50%時，強(qiáng)度條件達(dá)到較理想的狀態(tài)。當(dāng)尾礦粒徑在0.3-0.6mm之間時，水泥混凝土試件的抗壓強(qiáng)度較添加粒徑在0.15-0.3mm之間尾礦的試件抗壓強(qiáng)度略小，但也略高于標(biāo)準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度。當(dāng)尾礦取代量為1/4河砂時，效果沒有取代1/2河砂時的好，如圖2所示。

顯然，總體趨勢上鐵尾礦作為路用混凝土新材料用于道路鋪設(shè)在強(qiáng)度和和易性能等方面是可行的。就本研究的試件而言，當(dāng)0.15-0.3mm粒徑的鐵尾礦添加量取代集料總量的50%時，水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。達(dá)到實(shí)驗預(yù)期設(shè)想目標(biāo)，對其應(yīng)用于路用混凝土有廣泛的應(yīng)用前景。

2 有限元數(shù)值模擬分析

2.1 模型單元選取

混凝土單元采用ANSYS程序單元庫中SOLID45單元，用SOLID45單元構(gòu)造的三維混凝土模型結(jié)構(gòu)，通過8個節(jié)點(diǎn)定義，每個節(jié)點(diǎn)有x、y、z三個方向的自由度，其具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力，還具有應(yīng)力剛化的特殊性能。

2.2 模型參數(shù)

在混凝土路面板常用的有限元模型，即溫克勒地基模型（稠密液體地基模型）、彈性固體地基模型和巴斯特納克地基模型中，選用彈性固體地基模型。彈性固體地基模型將地基看作均質(zhì)的半無限連續(xù)介質(zhì)，考慮了地基頂面的壓力不僅與作用于某點(diǎn)的壓力有關(guān)，還與其相鄰區(qū)域的壓力有關(guān)，模型尺寸平面7m×7m，土基縱向深度取7m，其余結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表3，采用泊松比和彈性模量來表示其性質(zhì)。

應(yīng)用APDL語言參數(shù)化建模，模型輸入幾何尺寸及參數(shù)如表3所示。

2.3 模型網(wǎng)格劃分

有限元模型是一個標(biāo)準(zhǔn)的立方體，將其劃分為標(biāo)準(zhǔn)的六面體八角點(diǎn)有限單元，由于輪壓荷載僅僅作用于模型中心領(lǐng)域，使模型劃分疏密情況據(jù)荷載不同有異。荷載集中區(qū)域有限單元網(wǎng)格劃分針對分析需要進(jìn)行加密處理，即通過手動設(shè)置網(wǎng)格劃分尺寸和單元疏密程度，多次模擬確定在輪壓正交區(qū)域以0.1m為劃分單位，其余區(qū)域以0.4m為劃分單位劃分實(shí)體。盡量使模擬試驗接近真實(shí)工作狀態(tài)。有限元模型劃分結(jié)果如圖3所示。

2.4 邊界條件和加載方式

路面集中荷載對路面整體沉降值在大于7m范圍外時影響趨于平緩，故假設(shè)底面完全固定，Ux和Uy方向位移為零。將輪壓荷載簡化為兩個圓形的均布荷載，荷載作用在模型的中心處，雙輪中心距為 31.95cm，圓形均布荷載半徑為10.65cm，兩圓心距離3r，輪壓標(biāo)準(zhǔn)荷載大小為0.7MPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

路表面彎沉值分析，取輪壓作用區(qū)域中心的單元Z方向的最大值作為路表彎沉值，考察添加不同含量和顆粒級配鐵尾礦的水泥混凝土材料在輪載作用下其所表現(xiàn)的彎沉值變化情況。

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，數(shù)值模擬試驗與物理試驗結(jié)果趨勢是一致的，即鐵尾礦的添加增加了水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，且添加鐵尾礦的混凝土存在最優(yōu)配比。從路用混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)考慮，添加鐵尾礦的水泥混凝土其彎沉指標(biāo)是有所提高的，可以增強(qiáng)尾礦混凝土的使用壽命。

4 結(jié)束語

將尾礦資源代替路用混凝土中的天然砂，有效節(jié)約天然材料，有利于解決廢料資源的閑置浪費(fèi)，節(jié)約建設(shè)成本。利用ANSYS模擬路面層彎沉值，路面變形及材料的影響趨勢與實(shí)際是一致的。結(jié)果表明：

（1）添加鐵尾礦對提高路用水泥混凝土的力學(xué)性能有較明顯的優(yōu)勢；

（2）鐵尾礦的顆粒級配大小及含量對水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度都有較大影響，并且存在最優(yōu)配比；

（3）對文章研究的試件而言，相同條件下粒徑為0.15-0.3mm的鐵尾礦占細(xì)集料比例約50%時，抗壓強(qiáng)度可較標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度提高約7%。

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[4]趙健，劉靜.ANSYS分析FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)研究綜述[J].四川建筑，2007（3）：158-159.

作者簡介：向榮江（1993，10-），男，漢，貴州省赫章縣人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：土木工程（結(jié)構(gòu)工程）。

唐可（1993，6-），男，漢，陜西省西安人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：道路與橋梁。

許森森（1994，9-），男，漢，陜西省咸陽人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：土木工程（結(jié)構(gòu)工程）。

費(fèi)愛萍（1980，10-），女，漢，遼寧省鞍山人，遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院講師，研究方向：道路與橋梁。