铜尾矿砂对 C50 混凝土力学性能和 耐久性的影响

铜尾矿砂对 C50 混凝土力学性能和 耐久性的影响

摘要：用铜尾矿砂替代部分天然砂配制 C50 混凝土，研究其掺量对 C50 混凝土力学性能、抗氯离子渗透性、干燥收缩性能及抗冻性的影响。结果表明：当铜尾矿砂掺量为10%~30%时，混凝土各龄期抗压和抗折强度均随铜尾矿砂掺量的增加而逐渐提高；当铜尾矿砂掺量为40%时，混凝土的 7 d、28 d 抗压和抗折强度与天然砂混凝土相当。铜尾矿砂的掺入能提高混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性；随着铜尾矿砂掺量的增加，铜尾矿砂混凝土各龄期的干燥收缩率显著增大。

关键词：铜尾矿砂；C50 混凝土；力学性能；耐久性能

铜尾矿一般以泥浆的形式直接排入尾矿库进行堆存，铜 尾矿的大量堆存不仅占用土地资源，耗费人力物力管理，而且 铜尾矿中含有大量的有害物质严重影响周边地下水资源和生 态环境。因此，如何实现铜尾矿的循环利用，提高综合利用率， 已刻不容缓。目前，我国在铜尾矿开发利用方面取得了一些进 展，但综合利用率很低，不能从根本上解决问题。将铜尾矿砂作为细集料用在混凝土中，既可以缓解天然砂的短缺压力， 又能提高铜尾矿的综合利用率，减少环境污染。但由于铜尾矿 在组成、形态、颗粒级配方面与天然砂有明显差异，目前在混 凝土中的应用仍然较少。

本文以铜尾矿砂与天然砂复合作为细集料配制 C50 混 凝土，研究铜尾矿砂掺量对混凝土力学性能和抗氯离子渗透 性、干燥收缩性能及抗冻性的影响，评价铜尾矿大宗资源化利 用的可行性。

试 验

1.1 试验材料

（1）水泥：P·O42.5 水泥，比表面积 340 m2 /kg，表观密度3.05 g/cm3，28 d 抗折、抗压强度分别为 8.8、55.7 MPa，主要化学成分见表 1。
 

（2）石子：5~10 mm 及 10~25 mm 二级配碎石，使用时按 3∶7 的质量比混合。

（3）细集料：天然河砂，细度模数 3.2，表观密度 2600 kg/m3， 含泥量 0.9%；铜尾矿砂：来自江西德兴铜尾矿库，表观密度 2700 kg/m3。天然河砂和铜尾矿砂的颗粒级配见表 2，铜尾矿砂的主要化学成分见表 3。
 

由表 2、表 3 可知，铜尾矿砂颗粒较细，粒径在 1.18 mm 以上仅为 0.1%，粒径主要集中在 0.075~0.30 mm，含量达到 81.7%，级配较差，细度模数为 0.7，属于特细砂；铜尾矿砂的 主要化学成分为 SiO2、Al2O3、K2O、CaO，其中 SiO2 的含量最高， 为 74.18%，属于高硅型尾矿。

（4）减水剂：聚羧酸系高效减水剂，推荐掺量 0.8%~2.0%。

1.2 试件制备

为了控制铜尾矿砂和天然河砂复合后的细度模数在中砂 范围内，因而选择铜尾矿砂掺量（取代天然河砂）分别为10%、 20%、30%及 40%，微调砂率和用水量使坍落度保持在（180± 20）mm。试验混凝土配合比见表 4。
 

1.3 性能测试方法

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土拌合物的工作性；按照 GB/T 50081—2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试成型试件标准养护 7 d、28 d 的抗压与抗折强度；按照 GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验》中的电通量法测试混凝土的抗氯 离子渗透性、快冻法测试混凝土的抗冻性、接触法测试混凝土 的干燥收缩率。

试验结果与分析

2.1 铜尾矿砂掺量对混凝土力学性能的影响

（见表 5）
 

由表 5 可知，随铜尾矿砂掺量的增加，混凝土的 7 d、28 d 抗压强度呈先提高后降低的趋势，与未掺铜尾矿砂的天然河 砂混凝土相比，除铜尾矿砂掺量为 40%时混凝土的抗压强度 略小之外，其它掺量各龄期的抗压强度均高于天然河砂混凝 土。在铜尾矿砂掺量为 30%时，7 d 和 28 d 抗压强度都达到最大值，分别较天然河砂混凝土提高了 12.0％和 8.9％。与铜尾矿砂对混凝土抗压强度的影响类似，混凝土抗折强度也随着 铜尾矿砂的掺量呈先提高后降低的趋势，且 7 d、28 d 抗折强度也都在铜尾矿砂掺量为 30%时达到最大值，分别较天然河砂混凝土提高了 17.1％和 15.4％，铜尾矿砂掺量为 40%时，混 凝土的 28 d 抗折强度与天然河砂混凝土相近。

这主要是因为：（1）铜尾矿砂的加入改善了天然河砂的级配，增加了细集料中粉料含量和混凝土中浆体含量，使得混凝土更加密实；（2）铜尾矿砂来源于岩石的破碎，密度和坚固性较天然河砂都要大，二者集料粗细搭配形成较连续的骨架结构；（3）铜尾矿砂颗粒表面较粗糙，颗粒之间咬合力增强，多棱角，接触点就多，水泥水化时与砂石形成更加牢固的骨架， 从而导致混凝土强度提高。

2.2 铜尾矿砂对混凝土抗氯离子渗透性的影响

（见表 6）
 

由表 6 可以看出，天然河砂混凝土和铜尾矿砂混凝土的电通量均小于 2000 C，按照 ASTM C1202 的评价标准，混凝土的渗透能力属于低等级。但铜尾矿砂混凝土的电通量小于天 然河砂混凝土，且在铜尾矿砂掺量为 30%时，混凝土的电通量最小，较天然砂混凝土减小了 45.6%。铜尾矿砂的掺入在一 定程度上改善了混合砂的级配，并引入较多的粉料，虽然粉料 的增加使混凝土需水量也增加，但水粉比降低，粉料填充于浆 体的毛细孔隙中，从而降低了混凝土硬化粗大的毛细孔含量， 密实度提高，从而提高混凝土抗渗性。

2.3 铜尾矿砂对混凝土干燥收缩性能的影响

（见图 1）
 

由图 1 可以看出，在 28 d 前随龄期的延长，干燥收缩率 快速增大，28 d 后收缩率增加减缓。与天然河砂混凝土干燥收 缩率相比，铜尾矿砂的掺入明显增大了混凝土的干燥收缩率， 且随着铜尾矿砂掺量的增加而增大，当铜尾矿砂掺量为 40% 时，90 d 收缩率最大，达到 635×10-6，较天然河砂混凝土增大 11.6%。尽管铜尾矿砂取代部分天然砂有利于改善天然砂的 级配，提高混凝土密实性，但铜尾矿砂的掺入同时引入了粉 料，增加了混凝土中浆体含量，级配改善作用不足以弥补引入 粉料和自由水而增加浆体含量带来的负作用，从而增大混凝 土的干燥收缩率。在水泥水化前期，铜尾矿粉起到晶核作用， 加速水化硅酸钙晶体形成，天然河砂表面光滑且棱角少，铜 尾矿砂表面粗糙且棱角多，使得铜尾矿砂混凝土保水性能差， 增大了混凝土的收缩应力，从而导致收缩率增大。

2.4 铜尾矿砂对混凝土抗冻性能的影响

铜尾矿砂掺量对混凝土不同循环次数下质量损失率和相 对动弹性模量的影响分别见图 2、图 3。
 

由图 2 可知，铜尾矿砂混凝土和天然河砂混凝土在经过200 次冻融循环后，试件的质量损失率均小于 1%，并未超过 GB 50082—2009 规定的 5%限值。其中天然河砂混凝土的质量损 失最大，200 次冻融循环后，质量损失率达到 0.6%。当铜尾矿砂 掺量在 10%~30%时，混凝土质量损失率低于天然河砂混凝土， 且随铜尾矿砂掺量的增加，混凝土质量损失率降低；当铜尾矿 砂掺量为 40%时，混凝土质量损失率与天然河砂混凝土相当。
 

由图 3 可知，冻融循环 200 次后，天然河砂混凝土的相对 动弹性模量损失了 3.3%，除铜尾矿砂掺量为 40%时相对动弹 性模量损失了 3.5%外，其它掺量铜尾矿砂混凝土的相对动弹 性模量损失率都小于 3%。故而得出，铜尾矿砂混凝土的抗冻性 优于天然河砂混凝土，混凝土的动弹性模量变化规律与 28 d 抗压强度变化规律基本一致。

铜尾矿砂混凝土抗冻性的提高一是因为随着铜尾矿砂的 掺入，铜尾矿砂微粒填充了混凝土中的孔隙，减小了孔的尺寸， 增强了混凝土的密实性，从而提高了混凝土的抗冻性；二是 因为铜尾矿砂的吸水率较天然砂的吸水率大，从而减小了拌合 物的自由水，改善了混凝土的界面过渡区结构，抗冻性提高。

结 论

（1）铜尾矿砂掺量为 10%~30%时，铜尾矿砂混凝土的抗 压和抗折强度要高于天然河砂混凝土。铜尾矿砂掺量为 30% 时，铜尾矿砂混凝土的 28 d 抗压和抗折强度较天然河砂混凝 土分别提高了 8.9%和 15.4%；铜尾矿砂掺量为 40%时，铜尾矿 砂混凝土的抗压和抗折强度与天然河砂混凝土相当或略低。

（2）铜尾矿砂混凝土干燥收缩率要高于天然河砂混凝土， 且随着铜尾矿砂掺量的增加而增大，当铜尾矿砂掺量为 40% 时，90 d 干燥收缩率最大，较天然河砂混凝土增大 11.6%。

（3）铜尾矿砂混凝土的电通量小于天然河砂混凝土，且在 铜尾矿砂掺量为 30%时，混凝土的电通量最小，较天然河砂 混凝土减小了 45.6%。铜尾矿砂的掺入提高了混凝土的抗氯 离子渗透性。

（4）铜尾矿砂混凝土和天然河砂混凝土在经过 200 次冻融循环后，质量损失都不超过 1%，掺加适量铜尾矿砂的混凝土 抗冻性优于天然河砂混凝土。

来源：​ 冶金渣与尾矿