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7d、28d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m2/kg，表观密度3.05g/cm3，28d抗折、抗压强度分别为8.8、55.7MPa，主要化学成分见表1。

（2）石子：5~10mm及10~25mm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1.18mm以上仅为0.1%，粒径主要集中在0.~0.30mm，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（±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—《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—《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7d、28d的抗压与抗折强度；按照GB—《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7d、28d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，7d和28d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7d、28d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28d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C，按照ASTMC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28d前随龄期的延长，干燥收缩率快速增大，28d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，90d收缩率最大，达到×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次冻融循环后，试件的质量损失率均小于1%，并未超过GB—规定的5%限值。其中天然河砂混凝土的质量损失最大，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28d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28d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，90d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

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