欒明昱，張之璐，陳悅，張朝輝，徐建軍

（1.江蘇尼高科技有限公司，江蘇 常州213141；2.常州綠瑪特建筑科技有限公司，江蘇 常州 213163）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是一種由水泥、細集料、硅灰等礦物摻合料、高性能減水劑等制備的，具有超高強、高韌、高抗?jié)B、高耐腐蝕、高抗爆等優(yōu)異性能的水泥基材料[1-3]，能很好地滿足土木工程結(jié)構(gòu)輕量化、高層化、大跨化、高耐久的要求，是未來混凝土科技發(fā)展的重要方向之一。

鎢尾礦作為鎢礦開采產(chǎn)生的固體廢棄物，目前主要的處理方式是堆存于尾礦庫中，不僅占用土地資源，而且有的鎢尾礦中含有重金屬，處理不當(dāng)可能造成土壤和河流污染，危害人類的身體健康[4-5]。據(jù)統(tǒng)計[5]，我國每年約排放30多萬t鎢尾礦，絕大部分未被有效利用，目前堆存量已超過1200萬t。因此，開展鎢尾礦綜合利用研究，提高鎢尾礦回收利用，對提高資源利用率、改善生態(tài)環(huán)境有重要的意義。

目前，鎢尾礦在建材行業(yè)中主要用于水泥[6]、微晶玻璃[7]、礦物摻合料[8]及堿激發(fā)材料[9]等。另外，由于鎢尾礦顆粒較細，在粒度要求較細的應(yīng)用方面有較大的優(yōu)勢；同時，鎢尾礦的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，硬度大[5]，存在作為UHPC細集料的潛力。

本文采用鎢尾礦砂取代部分碳酸鈣砂作為UHPC的細集料，研究鎢尾礦砂對UHPC工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能的影響，為鎢尾礦砂的資源化利用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：江蘇嘉新京陽水泥有限公司產(chǎn)P·Ⅱ52.5水泥，密度3.13 g/cm3，比表面積360 m2/kg；硅灰：甘肅三遠硅材料有限公司產(chǎn)，水泥和硅灰的主要化學(xué)成分見表1；高效聚羧酸減水劑：尼高科技公司產(chǎn)，固含量40%，減水率25%；消泡劑：艾迪科公司產(chǎn)，B328F型；鋼纖維：成都宏盛宏科技有限公司產(chǎn)鍍銅圓直鋼纖維，長13 mm，截面直徑0.2 mm，抗拉強度2.4 GPa；集料：石英砂、碳酸鈣砂（80～140目）、鎢尾礦砂（安徽銅陵），3種砂的粒徑分布見表2。

表1 水泥和硅灰的主要化學(xué)成分 %

表2 3種砂的粒徑分布

由表2可見，碳酸鈣砂和塢尾礦砂的顆粒主要分布在0.3～0.075 mm，但碳酸鈣砂有60%的顆粒位于0.15 mm以上，而鎢尾礦砂約有68%的顆粒位于0.15 mm以下，鎢尾礦砂相對更細一些。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗配合比

基準組采用石英砂與碳酸鈣砂復(fù)合作為集料，由于鎢尾礦砂的粒徑分布與碳酸鈣砂較為接近，因此分別用鎢尾礦砂取代0、50%、100%的碳酸鈣砂，UHPC的配合比如表3所示。

表3 UHPC的配合比 kg/m3

1.2.2 試驗方法

工作性能：參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；力學(xué)性能：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》進行測試；耐久性能：參照GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗》中的電通量法測試UHPC的抗氯離子滲透性、接觸法測試UHPC的干燥收縮率。微觀測試：根據(jù)壓汞法，采用Micromeritics公司的AUTOPORE IV9500 V1.09型壓汞儀進行孔結(jié)構(gòu)測試，測試孔徑范圍為3 nm～350 μm；使用鎢燈絲掃描電鏡對樣品進行微觀形貌的觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎢尾礦砂取代率對UHPC工作性能和力學(xué)性能的影響（見表4）

表4 鎢尾礦砂取代率對UHPC工作性能和力學(xué)性能的影響

由表4可見：

（1）基準組的擴展度為420 mm，當(dāng)采用50%鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂時，UHPC的擴展度略有降低，為390 mm；但當(dāng)碳酸鈣砂全部被鎢尾礦砂取代時，UHPC的擴展度顯著降低，相比基準組降低了23.3%。這是因為相比碳酸鈣砂，鎢尾礦砂位于0.15～0.075 mm范圍內(nèi)的顆粒的比例要比碳酸鈣砂多，導(dǎo)致使用鎢尾礦砂的UHPC骨料比表面積增加，潤濕骨料所需的用水量更高[10]。而3組UHPC的減水劑和用水量不變，因此UHPC中鎢尾礦砂的取代率越高，UHPC的擴展度越小。

（2）隨鎢尾礦砂取代率的增加，UHPC的7、28 d抗壓和抗折強度不斷提高。相比基準組，采用50%、100%鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂的UHPC 28 d抗壓強度分別提高了5.4%、10.6%；28 d抗折強度分別提高了5.3%、8.3%。鎢尾礦砂的加入改善了UHPC骨料的顆粒級配，使UHPC變得更為密實[11]。同時，鎢尾礦砂的硬度遠高于碳酸鈣砂[5]，從而使得UHPC的力學(xué)性能得到提高。

2.2 鎢尾礦砂取代率對UHPC干燥收縮的影響

（見圖1）

由于UHPC中水泥用量大，相比一般混凝土更容易產(chǎn)生收縮。由圖1可見，基準組120 d的收縮值達到了989×10-6；采用50%鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂后，對UHPC 7 d前的收縮值影響不大，14 d后的收縮值有所降低，UHPC的120 d收縮值為880×10-6，較基準組降低了11.0%；當(dāng)鎢尾礦砂的取代率為100%時，UHPC 7 d前的收縮變化仍不顯著，14 d后的收縮值顯著降低，UHPC的120 d收縮值為811×10-6，較基準組降低了18.0%，相比50%鎢尾礦砂取代率時，UHPC的120 d收縮值進一步降低了7.8%。這是因為鎢尾礦砂中不含影響水泥水化的組分，所以3組UHPC干燥收縮的發(fā)展規(guī)律保持一致。而用鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂，一方面增強了灌漿料骨料級配的合理性，使其堆積變得更為致密，形成的骨架更結(jié)實；另一方面，由于鎢尾礦砂具備更高的硬度，能夠抵抗更大的變形，這使得UHPC基體抵抗變形的能力也得到提高[12-13]。

2.3 鎢尾礦砂取代率對UHPC抗氯離子滲透性能的影響（見表5）

表5 鎢尾礦砂取代率對UHPC電通量的影響

由表5可見，基準組的電通量為210 C，根據(jù)ASTM C1202的評價標準屬于很低的滲透能力（100～1000 C）；當(dāng)用鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂時，UHPC的電通量均有所降低，鎢尾礦砂取代率為50%、100%時，UHPC電通量較基準組分別降低了12.8%、19.0%，此時UHPC均屬于很低的滲透能力等級。氯離子通過混凝土內(nèi)的連通孔隙進入到混凝土內(nèi)部，用鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂優(yōu)化了細骨料的堆積狀態(tài)，使得基體的結(jié)構(gòu)變得更加致密，使得UHPC內(nèi)一部分連通的孔隙被堵塞，減少了UHPC內(nèi)部與外界連通的通道[14]，從而提高了UHPC的抗氯離子滲透性能。

2.4 UHPC的孔結(jié)構(gòu)分析

鎢尾礦砂取代率對UHPC 28 d孔隙率和孔徑分布的影響如表6所示。

表6 鎢尾礦砂取代率對UHPC 28 d孔隙率和孔徑分布的影響

由表6可見，隨著UHPC中鎢尾礦砂取代率從0增加至100%，UHPC的孔隙率從12.56%降低至10.87%，降低了1.69個百分點。此外，相比基準組，UHPC的孔徑分布也有所細化：1.25～25 nm的孔含量增多，25～5000 nm及5000 nm以上的孔含量減少，且大于5000 nm以上的孔變化相對25～5000 nm較小，因UHPC自身密實度較好，大孔的含量少。一般來說，水泥混凝土的力學(xué)性能與其自身的孔隙率成反比，孔隙率越小，力學(xué)性能越好；孔徑分布越小，大孔（有害孔）的含量越少，力學(xué)性能也越好[15]。由于UHPC中的碳酸鈣砂被相對更細的鎢尾礦砂取代，UHPC骨料的級配堆積更密實，UHPC整體的密實度得到提高，從而減小了UHPC的孔隙率，使得孔徑的分布細化。但從收縮機理的角度來看，混凝土的孔徑中在1.25～25nm范圍內(nèi)的孔的含量越多，產(chǎn)生的收縮應(yīng)力就會越高，相應(yīng)的混凝土收縮也越大[16]。相比基準組，含有鎢尾礦砂的UHPC中在1.25～25 nm內(nèi)的孔含量增多，提高了自身的收縮應(yīng)力，但UHPC的干燥收縮相比基準組反而減小，這說明鎢尾礦砂對UHPC基體密實度起提高作用，增強抵抗收縮變形的效果要高于增大UHPC收縮應(yīng)力的效果。

2.5 UHPC的微觀形貌分析

鎢尾礦砂取代率對UHPC 28 d齡期微觀形貌的影響如圖2所示。

由圖2可見，2組UHPC的基體整體上較為致密，沒有明顯的微裂紋和孔隙，這與其自身緊密堆積的設(shè)計原則和較低的孔隙率相一致。但基準組中仍存在一定量較小的孔隙，而用100%鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂的UHPC中幾無可見的孔隙，而且基體的結(jié)構(gòu)相比基準組更為均勻致密。

3 結(jié)論

（1）用鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂會降低UHPC的擴展度。UHPC中鎢尾礦砂的取代率越大，UHPC各齡期的抗壓和抗折強度越高，相比基準組，摻塢尾礦砂的UHPC 28 d抗壓、抗折強度最高可分別提高10.6%、8.3%。

（2）用鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂能改善UHPC的干燥收縮性能。鎢尾礦砂對UHPC 7 d前收縮的影響較小，對14 d后UHPC的收縮改善效果顯著：當(dāng)鎢尾礦砂取代率分別為50%和100%時，相比基準組，UHPC的收縮值分別降低了11.0%、18.0%。

（3）用鎢尾礦砂取代碳酸鈣砂能夠降低UHPC的孔隙率，細化孔徑，同時使UHPC的基體的密實程度和勻質(zhì)性得到提高。此外，隨鎢尾礦砂取代率的增加，電通量不斷減小，UHPC的抗氯離子滲透性能提高。