魯亞 ，劉松柏 ，趙筠

（1.江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院，江西 南昌 330000；2.江西省超高性能混凝土工程研究中心，江西 南昌 330000）

0 引 言

尾礦又稱尾砂，為選礦廠尾礦漿脫水后形成的固體廢棄物，其一個重要的特點是目標組分較低。據(jù)測算，每產(chǎn)出1 t銅就會有400 t廢石和尾礦產(chǎn)生，依據(jù)中國資源綜合利用2014年度報告，我國銅尾礦年產(chǎn)量在逐年增長，2013年為3.19億t，累計堆積了約20億t。我國銅礦數(shù)量眾多，主要分布在江西、湖北、浙江等地。銅尾礦若不及時處理，將會污染生態(tài)環(huán)境、浪費土地資源、存在安全隱患[1]。

將銅尾礦制作成建筑材料，已經(jīng)有許多這方面的研究成果。黃曉燕等[2]采用銅尾礦-礦渣-水泥熟料-風積砂原料體系制備B06加氣混凝土，以富鈣、鎂的銅尾礦和礦渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)加氣混凝土所需的石灰。張雪峰等[3]以60%山西銅尾礦為主料，1%SiC為發(fā)泡劑，在1150℃下保溫30min最終制備體積密度為220 kg/m3、抗壓強度為1.03 MPa、平均孔徑為0.33 cm的泡沫玻璃。鄒先杰等[4]采用河砂、銅尾礦與機制砂制備混合砂用作混凝土細集料。這些研究主要將銅尾礦作為細集料或礦物摻合料應用在普通混凝土或加氣混凝土中，目前還沒有將銅尾礦應用在超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）的研究。

UHPC屬于現(xiàn)代先進材料，創(chuàng)新了水泥基材料（混凝土或砂漿）與鋼纖維、鋼材（鋼筋或高強預應力鋼筋）的復合模式，大幅度提高了鋼纖維和鋼筋在混凝土中的強度利用效率，使水泥基材料的全面性能發(fā)生了跨越式進步，具備了超高強、高韌性和超高耐久性[5]。由于UHPC制備是基于材料最緊密堆積原理，對原材料有更高的要求，UHPC制備的成本相對普通混凝土較高，因此限制了其推廣應用。本文將銅尾礦進行簡單磨細、篩分處理，選用合適的粒徑分布，用于UHPC的原材料中，可替代天然河砂、水泥、粉煤灰等，不僅能降低UHPC的生產(chǎn)成本，且抗彎、抗拉性能均有所提高。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：江西萬年青P·O52.5水泥，基本性能見表1。

表1 水泥的基本性能

（2）硅灰：比表面積 19 000 m2/kg，粒徑 100～1000 nm，SiO2含量93.5%。

（3）粉煤灰：經(jīng)過磨細精選，比表面積約800 m2/kg，粒徑1～10 μm。

（4）銅尾礦：取自江西九江城門山礦區(qū)。原礦（TWK）是直接經(jīng)過排放口排放后堆積在銅尾礦庫的，干燥后會有大顆粒狀，攪拌機攪拌后大顆粒大部分會粉碎；磨細銅尾礦粉Ⅰ（TWKⅠ）經(jīng)過行星球磨機磨制；磨細銅尾礦粉Ⅱ（TWKⅡ）經(jīng)過氣流磨磨制。圖1為3種銅尾礦的狀態(tài)，銅尾礦的主要化學成分見表2，銅尾礦的基本性能指標見表3。此礦區(qū)銅尾礦主要成分為SiO2，約占 75%。

圖1 3種銅尾礦的狀態(tài)

表2 銅尾礦的主要化學成分及放射性

表3 銅尾礦的基本性能指標

（5）砂：贛江天然河砂，含泥量0.8%，粒徑分布見表4，考慮到銅尾礦原礦的粒徑范圍，主要替代天然河砂中的細砂部分（≤0.15 mm）。

表4 天然河砂的粒徑分布

（6）高效減水劑：由于配制UHPC需要極低的水膠比，因此需要達到較好的工作性能，本試驗選擇聚羧酸型高效減水劑，減水率大于30%，最佳摻量為0.6%。

（7）纖維：鍍銅微絲鋼纖維，長度 12～14 mm，直徑 0.15～0.20 mm，抗拉強度大于2850 MPa，密度7800 kg/m3。

1.2 配合比設計

通過材料最大堆積密度曲線確定基準配合比，水膠比均為0.18，再通過銅尾礦原礦替代天然河砂、磨細銅尾礦粉替代水泥或粉煤灰，測試擴展度及基體抗壓強度，確定各組單獨替代的最佳替代摻量，再進行復合替代，確定最大復合替代摻量。配合比設計見表5。確定各單摻和復摻的最佳摻量后，分別摻加2.5%體積摻量的鋼纖維進行試驗，測試抗壓強度、抗彎強度、抗拉強度。

表5 UHPC的配合比設計 kg/m3

1.3 試驗方法

（1）UHPC成型：按配合比設計要求稱取原材料，先將硅灰、砂、銅尾礦原礦投入強制式攪拌機進行干拌1 min，再加入水泥、粉煤灰、磨細銅尾礦粉進行干拌1 min，充分混合后加2/3的水和減水劑攪拌2 min，再加入剩下的水攪拌2 min，最后邊攪拌邊加纖維，約1 min后出機。參照GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術(shù)規(guī)范》測試拌合物的擴展度，將拌合物裝入試模，然后低頻振動。

（2）養(yǎng)護：拌合物入模后用薄膜覆蓋或噴灑養(yǎng)護劑靜置24 h后拆模，在90℃熱水中蒸養(yǎng)48 h，然后進行強度測試。

（3）強度測試：抗壓試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，加載速率1MPa/s，不乘換算系數(shù)；四點抗彎試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，加載速率0.3 mm/min；抗拉試件采用哈爾濱工業(yè)大學改進設計狗骨狀試件[6]進行試驗，試件尺寸見圖2，加載速率0.3 mm/min。

圖2 抗拉試件尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 銅尾礦對UHPC基體流動性的影響（見表6）

表6 銅尾礦對UHPC基體擴展度的影響

由表6可以看出，摻加銅尾礦后，UHPC基體流動性相對基準組會有不同程度的下降，但合適細度的銅尾礦利用不同的替代形式和替代量會達到與基準組相當水平的流動度，滿足應用要求。

以原礦替代40%~60%天然河砂中的細砂部分后，會使UHPC的擴展度減小40～80 mm，拌合物更粘，主要由于原礦的粒徑相對細砂整體偏細，會導致需水量更大，本身UHPC水膠比極低，所以拌合物會更粘稠，且原礦有大顆粒狀固體存在，若不經(jīng)過簡單搗碎處理，攪拌不會破碎得很充分。

銅尾礦粉Ⅰ在替代少量水泥時（6%～12%）對UHPC的流動性影響不大，主要因為在低水膠比下UHPC具有良好的流動性，除了高效減水劑的作用，還得益于“超細粉煤灰”的微珠效應。而銅尾礦粉Ⅱ替代粉煤灰對UHPC流動性的影響較大，其原因是其粒形狀態(tài)沒有粉煤灰好，所以很明顯看出流動度隨著銅尾礦粉Ⅱ摻量的增加而減小。

單摻時，原礦可替代50%天然砂中的細砂，銅尾礦粉Ⅰ可替代12%的水泥，銅尾礦粉Ⅱ可替代40%的粉煤灰。若在不需要自密實及一般要求的場合，復合替代也是可以滿足施工性要求。

2.2 銅尾礦對UHPC力學性能的影響

2.2.1 對UHPC抗壓強度的影響（見表7）

表7 銅尾礦對UHPC抗壓強度的影響

由表7可以看出，銅尾礦對UHPC抗壓強度的影響與對基體擴展度影響所對應的關(guān)系是一致的，基體擴展度與抗壓強度成正比。擴展度每降低10 mm，抗壓強度降低5～10 MPa，這是由于UHPC配制是基于顆粒最緊密堆積來獲取較高的密實度，流動性越好，越能排出氣泡，密實度更高，強度也會更高。

表8為基準組與單摻及復摻銅尾礦最優(yōu)組，摻2.5%體積摻量的鋼纖維后力學性能測試結(jié)果。

表8 摻鋼纖維UHPC的力學性能測試結(jié)果

由表8可見，摻加2.5%體積摻量的鋼纖維后各組UHPC抗壓強度均提高15～25 MPa，均高于160 MPa。

2.2.2 銅尾礦對UHPC抗彎、抗拉強度的影響

圖3為各組UHPC抗彎試驗撓度-強度曲線，其經(jīng)過繪圖軟件Origin8.5對每組6根撓度-強度曲線進行平均和離散性處理。

圖3 各組UHPC試件的抗彎試驗撓度-強度曲線

從圖3可以看出，各組UHPC均可以與基準組達到同一水平，抗彎強度在20 MPa以上，極限彈性抗彎強度約為抗彎強度的1/2。尤其添加銅尾礦原礦后對提升抗彎性能效果比較顯著，抗彎強度可達30MPa，主要原因是銅尾礦原礦顆粒級配好，且添加后增大了UHPC基體與鋼纖維的膠結(jié)性能，進一步發(fā)揮出纖維的增強增韌作用，這與鮑文博等[7]的研究成果相符。

圖4為各組UHPC抗拉試驗變形-強度曲線，其經(jīng)過繪圖軟件Origin8.5對每組6根變形-強度曲線進行平均和離散性處理，均可明顯看到應變硬化現(xiàn)象，從圖5軸拉試驗可以看到多縫開裂現(xiàn)象。抗彎與抗拉對應關(guān)系一致，抗彎強度約為抗拉強度的2.6倍。各組彈性抗拉強度均大于7 MPa，抗拉強度與彈性極限抗拉強度比在1.1～1.2。

圖4 各組UHPC試件的抗拉試驗變形-強度曲線

圖5 軸拉試驗

表9為瑞士UHPC標準對抗拉強度的分類[8]，各組均能滿足UA類型要求，即普通場合應用要求。當增大鋼纖維摻量時，也可以達到UB類型要求，即滿足各類結(jié)構(gòu)應用要求。

表9 瑞士UHPC標準對抗拉強度的分類

2.3 經(jīng)濟性分析

（1）銅尾礦原礦可替代天然河砂，處理后的銅尾礦可替代水泥或粉煤灰，不同種類的銅尾礦成本均低于所替代原材料成本，且替代量較大，直接降低UHPC成本。在現(xiàn)有天然資源緊缺及生態(tài)文明建設的情形下，所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益是很可觀的。

（2）由于UHPC成本主要受纖維成本的影響，而在同等鋼纖維摻量下，銅尾礦UHPC的抗彎、抗拉性能較基準UHPC有明顯提升，因此，達到同樣的性能可以減少鋼纖維的摻量，間接降低UHPC的成本。

3 結(jié)語

（1）摻加銅尾礦后，無論單摻和復摻，UHPC基體流動性相對基準組都會有不同程度的下降，但合適細度的銅尾礦利用不同的替代形式和替代量會達到與基準組相當水平的流動度，滿足應用要求。

（2）單摻時，原礦可替代50%天然砂中的細砂，銅尾礦粉Ⅰ可替代12%的水泥，銅尾礦粉Ⅱ可替代40%的粉煤灰。若在不需要自密實及一般要求的場合，復合替代也可以滿足施工要求。

（3）單摻時，UHPC的抗壓強度與基準組相當，抗彎、抗拉強度有明顯提升；復摻時，UHPC的抗壓強度有所下降，抗彎、抗拉強度與基準UHPC相當。

（4）銅尾礦可大量替代UHPC原材料，且成本均低于各原材料成本，可以降低直接UHPC的成本；在同等鋼纖維摻量下，銅尾礦UHPC的抗彎、抗拉性能較基準UHPC有明顯提升，因此達到同樣性能，可以減少鋼纖維摻量，間接降低UHPC的成本。