孫春蕾,李東雷,李 帥

(商洛學院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院, 陜西 商洛 726000)

尾礦廢棄物大量堆積,利用率低,對環(huán)境影響嚴重,不但造成了土地資源的浪費,而且對人民的生活和生產構成了巨大威脅。通過對鉬尾礦進行研究,將其利用在制作混凝土中,解決了大量鉬尾礦無法有效利用的問題,避免了堆積造成的土地浪費,尤其是對于環(huán)境的保護起到了一定作用,為實現綠色建筑提供了新的方向。如果能夠將尾礦資源充分利用起來,既解決了堆積污染問題,也為制作混凝土提供了新型原料,完全符合經濟發(fā)展的要求,具有極高的社會意義。鉬尾礦主要以SiO2礦物質形式存在,相較于其他尾礦具有相對穩(wěn)定的基本性質。已有學者在實驗室制備出鉬尾礦混凝土小型空心砌塊,而制備過程中混凝土之間的反應機理以及配比的研究也是非常重要的。通過單因素試驗以及正交試驗優(yōu)化鉬尾礦混凝土的配比是必要的[1]。

研究利用質量分數為50%的鉬尾礦代替細骨料, 以C30混凝土為基準,制作鉬尾礦混凝土, 在鉬尾礦混凝土的基礎上,對其摻加礦物摻合料,用來改善它的性能,主要通過單摻粉煤灰和復摻硅粉、粉煤灰2種方式進行。對性能改善后的鉬尾礦混凝土進行抗壓強度和和易性對比試驗,從而得到性能改善后強度較高的鉬尾礦混凝土。

1 試驗原材料

選用陜西省商洛市產的復合硅酸鹽水泥P.C32.5R,實測強度35.6 MPa,主要成分有:3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3。采用的鉬尾礦來自陜西省金堆城鉬業(yè)股份有限公司,其主要成分有:SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO等,鉬尾礦化學成分見表1。采用的粉煤灰為河南省四通化建有限公司生產的一級粉煤灰,其主要成分有Al2O3、FeO、Fe2O3、SiO2。細骨料采用艾思歐公司生產的標準砂,粗骨料采用商州區(qū)某石場所產碎石,粒徑為5～25 mm,連續(xù)級配[2-3]。

表1 鉬尾礦化學成分

2 試驗方案

2.1 試驗工況設計及配合比

以質量分數50%的鉬尾礦取代天然砂,采用等量摻入法,在保持水灰比不變的情況下,采用粉煤灰和硅粉取代同等含量的水泥。通過坍落度試驗對礦物摻合料鉬尾礦混凝土的工作性能進行測定,用以判斷其和易性是否滿足要求[4]。通過立方體抗壓強度試驗測出鉬尾礦混凝土軸心抗壓強度,用以檢測礦物摻合料鉬尾礦混凝土的強度變化。并且在鉬尾礦摻量一定的條件下,通過改變礦物摻和料的摻量,從而得到強度較高的鉬尾礦混凝土[5]。根據規(guī)范規(guī)定強度進行配制,試驗采用的水灰比為0.42,砂率為29%,通過計算標準情況下各材料之間的比例為m水∶m水泥∶m砂∶m碎石=0.42∶1∶1.12∶2.73。試驗工況見表2,各材料配比見表3。

表2 試驗工況

表3 材料配比Table 3 Material propotion kg/m3

2.2 試件制作及試驗方法

在進行試件制作前,準確稱量各種材料用量,采用人工拌合,在振搗臺振搗成型,裝入涂有礦物油脂的試模,試模大小為100 mm×100 mm×100 mm,強度換算系數為0.95,放入標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護至規(guī)定齡期(見圖1),之后取出進行試驗。每種類型試件共制作3組,用于測試3 d、7 d、28 d的立方體抗壓強度,每組3個,取其平均值[6]。

在進行試件壓縮前,應首先檢查試件表面的平整度及尺寸是否符合試驗規(guī)范,邊角有無破損。將檢查后的試件放置在萬能試驗機下(見圖2),選擇壓縮試驗,取應力應變曲線,調整萬能試驗機,速率為0.3～0.8 MPa/s,對試件進行持續(xù)加載,試驗加載過程按照《混凝土結構設計》實驗標準規(guī)范進行[7]。

圖1 試件養(yǎng)護Fig.1 Sample maintenance chart

圖2 萬能試驗機Fig.2 Universal testing machine

3 試驗結果與分析

3.1 工作性能

試驗采用坍落度作為混凝土工作性能的測試指標,根據礦物摻合料摻加量不同,其坍落度的變化如圖3所示。

圖3 粉煤灰摻量和硅粉摻量對坍落度影響Fig.3 Influence of fly ash admixture and Silicon powderadmixture on subsidence

由圖3可知,當采用質量分數50%的鉬尾礦代替細骨料時,其坍落度會有所降低,但降低幅度不大,究其原因,鉬尾礦的顆粒細度比細骨料細,能夠更好地彌補水泥和粗骨料填充的不足,當采用它代替細骨料時會增加拌合物的密實度,提高拌合物之間的粘聚性,使流動性變差。當在其中摻入粉煤灰時,隨著摻入量的增加,它的坍落度會有所增加。究其原因,是由于粉煤灰含碳量較高,碳原子可形成層狀結構,層與層之間結合力較小,比較光滑,摻入以后能夠在拌合物中增加拌合物之間的潤滑度,相當于潤滑劑和減水劑。隨著摻量的增加,拌合物的流動性變強,坍落度增大,在摻入粉煤灰的基礎上,再摻入硅粉,會使坍落度出現波動。究其原因,粉煤灰的摻入會增加它的流動性,而硅粉的摻入會增加水的消耗,由于它顆粒微小,同時也會增加拌合物之間的密實度,從而使粘聚性增強,降低流動性,摻入量的不同,導致的結果也會不同,因此會出現不同的波動。隨著硅粉摻入量的增加,粘聚性會越來越強,流動性變差,從而整體坍落度會下降[8-9]。

3.2 抗壓力學性能

根據《混凝土結構設計規(guī)范》,將養(yǎng)護至一定齡期的鉬尾礦混凝土放至萬能試驗機上進行均勻加載,直至破壞為止,得到的抗壓強度值見表4。

表4 抗壓強度變化

通過對表4進行分析能夠得出,以普通混凝土(NA)為基準,當摻加質量分數50%的粉煤灰用于代替細骨料制作鉬尾礦混凝土時,所制作的鉬尾礦混凝土(MA)早期強度略低于普通混凝土(NA)強度,3 d時鉬尾礦混凝土的強度僅是普通混凝土的0.8倍。隨著養(yǎng)護時間增加,強度增加,在同等條件下養(yǎng)護,它的后期強度大于普通混凝土的強度,達到標準養(yǎng)護時間28 d時鉬尾礦混凝土的強度已經是普通混凝土的1.13倍。分析養(yǎng)護3 d時不同配比的混凝土抗壓強度可知:普通混凝土早期強度最高;鉬尾礦混凝土的早期強度隨粉煤灰摻量的增加而降低,25%取代率時降到最低,是普通混凝土的0.67倍;復摻硅粉也使早期強度降低,而且隨著復摻硅粉摻量的增加,強度越低,復摻質量分數10%硅粉時,早期強度是普通混凝土的0.61倍。分析養(yǎng)護28 d時抗壓強度可知:鉬尾礦混凝土的強度最高,單摻粉煤灰和復摻硅粉的抗壓強度都隨著摻量的增加而降低[10]。

(1) 單摻粉煤灰對鉬尾礦混凝土抗壓強度的影響 以鉬尾礦混凝土(MA)為基準,對其單摻粉煤灰,通過混凝土抗壓試驗得到粉煤灰對鉬尾礦混凝土抗壓強度的影響,抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化如圖4所示。

圖4 抗壓強度隨粉煤灰摻量變化Fig.4 Variation of compressive strength with fly ash admixture

根據圖4可得:粉煤灰的摻入,可以提高鉬尾礦混凝土的早期強度,當它取代水泥量摻量的10%時,抗壓強度達到最大值;隨著粉煤灰的增加,鉬尾礦混凝土的強度逐漸減弱。相對于普通混凝土而言,粉煤灰的摻加會使早期強度有所降低,但是它可以大大提高它的后期強度[11-12]。

(2) 復摻粉煤灰和硅粉對鉬尾礦混凝土抗壓強度的影響 以摻加質量分數50%的鉬尾礦混凝土作為基準,對其摻加粉煤灰和硅粉,從而對它的性能進行部分改善,通過混凝土抗壓試驗得到硅粉對鉬尾礦混凝土抗壓強度的影響,抗壓強度隨硅粉摻量的變化如圖5所示。

根據圖5可以看出,當復摻粉煤灰和硅粉時,保持粉煤灰的量不變,隨著硅粉摻入量的增加,可以發(fā)現,鉬尾礦混凝土的抗壓強度會隨著摻量增加變得越來越低,強度達到最大時,硅粉的最佳摻加質量分數為2.5%[13-15]。

4 結論

研究利用質量分數50%的鉬尾礦代替細骨料, 以C30混凝土為基準,制作鉬尾礦混凝土, 在鉬尾礦混凝土的基礎上,對其摻加礦物摻合料,用來改善它的性能,主要通過單摻粉煤灰和復摻硅粉、粉煤灰2種方式進行。主要有以下結論:

圖5 抗壓強度隨硅粉摻量變化Fig.5 Variation of compressive strength with silicon powder admixture

(1) 與普通混凝土相比,鉬尾礦的摻入會降低混凝土的坍落度。由于鉬尾礦骨料較細,它的加入可以增加拌合物的密實度,降低流動性,導致坍落度降低。以鉬尾礦混凝土為基準,加入適量的粉煤灰可以提高混凝土的流動性,坍落度增大。又由于它的微細粉作用,隨著摻量的增加,拌合物的密實度增加,粘聚性增強,坍落度會有所降低。同時添加粉煤灰和硅粉,坍落度會出現一定的波動,其最終結果取決于摻量的變化。

(2) 與普通混凝土相比,鉬尾礦的增加會降低混凝土的早期強度,提高后期強度。適量摻入粉煤灰能夠使鉬尾礦混凝土的抗壓強度提高,后期強度增長較大,這是因為粉煤灰的活性較低,需要堿性環(huán)境激活,后期水化反應充分,堿性環(huán)境較強,從而導致后期強度增長較快。

(3) 在摻入粉煤灰的基礎上,再摻入硅粉也會提高混凝土的抗壓強度,但早期強度增幅較慢,后期增幅較快。之所以會這樣,是因為硅粉的活性較好,它的摻入會使粘聚性變差,導致水化反應減慢,從而導致早期強度增加幅度不大。適量的摻入2種物質,由于粉煤灰的活性不高,硅粉的微細粉作用使得前期強度增長幅度不大,后期由于粉煤灰活性被激活,水化反應加快,抗壓強度增大。

我們對于尾礦的研究仍然需要加大投資力度,對于解決它所帶來的問題還有很長的一段路要走。雖然前路艱難,但在對于尾礦綜合利用的研究中,我們仍然發(fā)現了許多可喜的地方,例如它的有價元素提取,在解決稀有金屬稀缺方面有積極意義,回收利用在環(huán)境保護方面,具有非常好的前景。尾礦在建筑行業(yè)的應用展示了它的新途徑。