劉洪波，張 成，段厚瑞，石 鑫，高紅帥

(黑龍江大學 建筑工程學院，哈爾濱 150080)

0 引 言

建筑材料行業(yè)作為國民經(jīng)濟建設最重要的行業(yè)之一，在生產(chǎn)過程中，CO2的排放量在我國工業(yè)領域名列榜首,是減少碳排放的重點行業(yè)。水泥基材料因其優(yōu)良的特性，在建材中占有很大的份額，要推動綠色低碳發(fā)展，必須從水泥基材料入手。固體廢棄物的再利用是建筑領域節(jié)能減排的一種手段，通常是將廢棄物經(jīng)過處理或加工，作為原料制備水泥基材料。

石墨是重要的礦物資源，開采時常用浮選法，產(chǎn)生石墨尾礦。尾礦作為一種固體廢棄物，存放既占用大量土地，還對堆積處的生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響[1]。小粒徑石墨尾礦會隨風飄散在空氣中，被人體吸入影響呼吸道健康。當前，中國建筑業(yè)發(fā)展迅猛，河砂資源供應不足，以石墨尾礦替代砂制備混凝土成為一種研究趨勢。劉洪波等[2-3]在混凝土中加入石墨尾礦和碳纖維，制成具有壓敏特性的導電混凝土，并建立回彈值與電阻率之間的函數(shù)關系來預測其抗壓強度。陳真等[4]對以不同石墨尾礦替代率制備的混凝土進行了斷裂試驗，發(fā)現(xiàn)以20%～30%石墨尾礦替代率制成的混凝土相較于普通混凝土抗斷裂性提升最為顯著。徐超等[5]通過單軸壓縮與聲發(fā)射試驗對石墨尾礦混凝土的損傷特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)石墨尾礦與水泥發(fā)生表面反應，提升了混凝土的力學強度。馮博雅等[6]對石墨尾礦混凝土梁抗彎性能進行研究，發(fā)現(xiàn)其破壞過程與普通混凝土梁類似。孫小巍等[7]發(fā)現(xiàn)在制備混凝土時摻入定量的石墨尾礦，石墨尾礦的粒徑越小，泡沫混凝土的強度提升越明顯。王青等[8]以石墨尾礦為硅質(zhì)材料，成功制備出滿足一定強度要求的蒸汽加壓混凝土。

本文通過設計4組對比試驗，優(yōu)化相應的制備技術(shù)，研究了石墨尾礦、粉煤灰和鋼纖維的定量摻入對砂漿試件基本力學性能的影響，為石墨尾礦這一固體廢棄物的處理提供利用途徑。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥。試驗采用硅酸鹽水泥，強度42.5，主要成分見表1。

表1 水泥主要化學成分(wt/%)

2)水。試驗采用黑龍江大學建筑工程學院自來水。

3)砂。試驗采用河砂，主要參數(shù)見表2。

4)石墨尾礦。試驗采用雞西柳毛石墨礦產(chǎn)出的尾礦，主要參數(shù)見表3。

表2 河砂的主要參數(shù)

表3 石墨尾礦的主要參數(shù)

5)硅灰。試驗采用申明新型建材開發(fā)公司的硅灰，主要參數(shù)見表4。

6)粉煤灰。試驗采用雙達電力設備公司的Ⅱ級粉煤灰。

7)鋼纖維。試驗采用山東鴻聚工程材料公司的鍍銅鋼纖維，主要參數(shù)見表5。

8)減水劑。試驗采用聚羧酸系高效減水劑。

表4 硅灰的主要參數(shù)

表5 鋼纖維的主要參數(shù)

1.2 配合比設計

以10%～30%的石墨尾礦替代砂制備的混凝土相比于普通混凝土，力學性能提升顯著，并且水灰比越低，石墨尾礦混凝土的抗壓強度越高[9]。硅灰對混凝土中的孔隙起充填作用，一定摻量的硅灰可以提高混凝土的力學性能[10]。粉煤灰替代部分水泥有利于新拌水泥基材料的和易性[11]。本試驗擬定水灰比為0.2，石墨尾礦替代率為10%，硅灰摻量為20%，粉煤灰摻量為10%，鋼纖維按2%體積摻量摻入,共設計4組配合比，詳見表6。

表6 試驗配合比

圖1 制備流程Fig.1 Preparation flow chart

2 制備技術(shù)及試驗方法

2.1 制備技術(shù)

2.1.1 骨料預處理

1)石墨尾礦的預處理。石墨尾礦在本試驗中用作細骨料，為了與河砂保持粒徑的一致性，避免粒徑過小的尾礦含量過多導致材料黏聚力降低[12]，在水泥基體中起潤滑作用而降低力學強度，本次使用的石墨尾礦經(jīng)篩分，選取粒徑大于0.075 mm(200目)的石墨尾礦。

2)骨料的預濕。將骨料完全浸沒在水中，在制備前將骨料取出，風干表面水分，此時砂和石墨尾礦處于飽和狀態(tài)。由于石墨尾礦吸水率較高，可以減少減水劑或拌合水的用量，有利于水泥基材料力學強度的提升。

2.1.2 制備流程

經(jīng)多次試驗，對制備工藝進行了優(yōu)化，制備流程見圖1。

2.2 試驗方法

2.2.1 抗壓試驗

依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法 (ISO法)》(GB/T 17671-1999)[13]，制備尺寸為70.7 mm × 70.7 mm ×70.7 mm的抗壓試件。測試儀器為MTS電子萬能試驗機。針對不同齡期，每組選擇3個試件進行測試，最后取其均值作為抗壓強度。試件的抗壓強度為

(1)

式中：fcu為試件的抗壓強度，MPa;F為試件破壞荷載，N;A為試件承壓面積,mm2。

2.2.2 抗折試驗

制備尺寸為160 mm×40 mm ×40 mm 的棱柱體試件進行抗折試驗。測試儀器為萬能試驗機WDW-100E。每組選擇3個試件進行測試，取其均值作為抗折強度。試件的抗折強度為

(2)

式中:ff為試件抗折強度,MPa；F為試件破壞荷載,N；l為支座間跨度,mm；b為試件截面寬度,mm；h為試件截面高,mm。

3 試驗結(jié)果與分析

分別對養(yǎng)護至7 d，14 d和28 d的試件進行了抗壓和抗折強度測試，試驗結(jié)果見表7。

3.1 石墨尾礦對力學性能的影響

摻入石墨尾礦與不摻入石墨尾礦的砂漿試件的抗壓強度、抗折強度對比分別見圖2和圖3。由圖2可見，在各個齡期，石墨尾礦的摻入對砂漿試件的抗壓強度都有提升。在養(yǎng)護時間到達7 d時，摻入石墨尾礦的砂漿試件相較于未摻入尾礦的試件，抗壓強度提升了6.44 MPa，提升率為9.1%；在養(yǎng)護時間達14 d時，強度提升率為4.7%；在完成28 d標準養(yǎng)護后，抗壓強度提升了5.16 MPa，提升率為5.7%。

表7 試件力學性能

由圖3可見，摻入石墨尾礦的砂漿試件的抗折強度略高于未摻入的試件。養(yǎng)護時間達7 d時，抗折強度提升率為2.8%；養(yǎng)護時間到達14 d時，抗折強度提升率為3.7%；養(yǎng)護時間到達28 d時，抗折強度提升率為7.0%。

圖2 C1與C2的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of C1 and C2

圖3 C1與C2的抗折強度Fig.3 Flexural strength of C1 and C2

以10%質(zhì)量比例的石墨尾礦代替砂制備砂漿試件對其抗壓和抗折性能提高起促進作用，但主要的提升表現(xiàn)在抗壓性能上，且在砂漿養(yǎng)護前期抗壓強度增長幅度較大。這是因為石墨尾礦的最大粒徑小于砂的最大粒徑，細小的尾礦補充到較大粒徑砂的分布區(qū)域，填充了骨料間的空隙，減少試件成型后的孔隙，從而提升了力學性能。

圖4 C3與C1的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of C3 and C1

圖5 C3與C1的抗折強度Fig.5 Flexural strength of C3 and C1

3.2 粉煤灰對力學性能的影響

在不同齡期，摻有粉煤灰的砂漿試件與未摻粉煤灰的試件抗壓強度對比見圖4。由圖4可見，7 d摻入粉煤灰后抗壓強度降低了8.01 MPa，降低率為9.4%；14 d摻入粉煤灰后強度降低了8.94 MPa，降低率為9.7%。28 d摻入粉煤灰后抗壓強度降低了8.48 MPa，降低率為8.1%。

摻入粉煤灰的砂漿試件的抗折強度略低于未摻入的試件，見圖5。試件在7 d、14 d和28 d，抗折強度分別降低了0.28 MPa、0.44 MPa和0.39 MPa，降低率分別為2.7%、4.0%和3.3%。以10%質(zhì)量比例代替水泥的粉煤灰摻入導致試件在28 d內(nèi)的抗壓和抗折強度均有不同程度的降低。這與王錫武[14]得出的結(jié)論基本一致。

3.3 鋼纖維對力學性能的影響

不同養(yǎng)護時間，不摻和摻入鋼纖維2%體積摻量的砂漿試件抗壓強度對比見圖6。7 d摻入鋼纖維的試件抗壓強度提高了25.56 MPa，提升率為33.1%；14 d抗壓強度提高了31.56 MPa，提升率為37.7%；28 d抗壓強度提升了31.70 MPa，提升率為33.1%。

不摻和摻入鋼纖維的試件抗折強度對比見圖7。7 d摻入鋼纖維抗折強度提升了17.49 MPa，提升率為176.0%；14 d抗折強度提升了18.57 MPa ，提升率為177.7%；28 d抗折強度提升了20.02 MPa ，提升率為172.7%。

圖6 C1與C4的抗壓強度Fig.6 Compressive strength of C1 and C4

圖7 C1與C4的抗折強度Fig.7 Flexural strength of C1 and C4

在摻入鋼纖維后，試件的抗壓與抗折強度皆有提升，且抗折強度提升明顯。在受壓時，鋼纖維承擔了部分荷載，減少了水泥基體的受力，砂漿試件整體抗壓強度提高；鋼纖維對水泥基體起橋接作用，并且具有較高的彈性模量，阻礙裂縫發(fā)展又消耗了產(chǎn)生破壞所需的能量。同時，石墨尾礦粗糙的表面會增加鋼纖維、骨料和基體之間的黏結(jié)力[15]。在這幾種作用的共同影響下，試件更加難以折斷，從而提高抗折強度。

3.4 養(yǎng)護時間對力學性能的影響

由表7可見，C1組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強度增加了6.35 MPa，增長率為8.2%；由14 d到28 d，強度增加了12.27 MPa，增長率為14.7%。C2組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強度增加了9.03 MPa，增長率為12.8%；由14 d到28 d，強度增加了10.87 MPa，增長率為13.6%。C3組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強度增加了7.28 MPa，增長率為8.5%；由14 d到28 d，強度增加了11.81 MPa，增長率為12.8%。C4組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強度增加了12.35 MPa，增長率為12.0%；由14 d到28 d，強度增加了12.41 MPa，增長率為10.8%。

圖8 養(yǎng)護時間對抗折強度的影響Fig.8 Effect of curing time on flexural strength

本試驗水灰比為0.2，屬于低水灰比，石墨尾礦的加入減小了砂漿的有效水灰比，抑制了砂漿早期強度的提升。養(yǎng)護時，外界水分子不斷滲入砂漿內(nèi)部，這種抑制效果隨養(yǎng)護時間增加得以緩解。未摻入石墨尾礦的C2組試件由7 d到14 d，抗壓強度提升幅度最大。粉煤灰對膠凝材料的早期水化反應僅有微弱影響，C1與C3組的試件早期強度增幅未表現(xiàn)出明顯差異性。C4試件在鋼纖維的影響下表現(xiàn)出較高的抗壓強度，但其強度增幅仍與其它組別基本保持一致(圖8)。

由表7可見：C1組試件由7 d到14 d，試件的抗折強度增加了0.51 MPa，增長率為5.1%；由14 d到28 d，強度增加了1.14 MPa，增長率為10.9%。C2組件由7 d到14 d，試件的抗折強度增加了0.41 MPa，增長率為4.2%；由14 d到28 d，強度增加了0.75 MPa，增長率為7.4%。C3組試件由7 d到14 d，試件的抗折強度增加了0.67 MPa，增長率為6.6%；由14 d到28 d，強度增加了1.09 MPa，增長率為10.0%。C4組試件由7 d到14 d，試件的抗折強度增加了1.59 MPa，增長率為5.8%；由14 d到28 d，強度增加了2.59 MPa，增長率為8.9%。在養(yǎng)護時間內(nèi)，試件的抗折強度和養(yǎng)護時間呈正相關，且鋼纖維對抗折強度提高有明顯的促進作用。

4 結(jié) 論

本文對石墨尾礦這一固體廢棄物作為原材料制備的砂漿進行了基本的力學性能分析?？紤]到拓寬此類砂漿的使用范圍，又在其中加入鋼纖維，并測試了摻入鋼纖維制備的砂漿抗壓與抗折強度，可以得到以下結(jié)論：

1)10%摻量的石墨尾礦摻入對砂漿試件的抗壓和抗折強度有提升，證明了制備石墨尾礦砂漿的可行性。

2)在標準養(yǎng)護期內(nèi)，10%摻量的粉煤灰對石墨尾礦砂漿試件的抗壓和抗折強度均有降低作用，抗壓和抗折強度最大降低幅度未超過10%和5%。

3)鋼纖維對石墨尾礦砂漿的抗壓與抗折強度有較大提升，其中抗折強度提升顯著。28 d養(yǎng)護完成時，相比C1組砂漿，抗壓和抗折強度分別提升了31.70 MPa和20.02 MPa，提升率為33.1%和172.7%。

4)在石墨尾礦砂漿中摻入粉煤灰、鋼纖維時，養(yǎng)護期間的砂漿力學強度均隨養(yǎng)護時間增加而增加，與傳統(tǒng)砂漿強度提升規(guī)律類似。