铜矿尾砂绿色混凝土的力学性能及耐久性试验研究

朱永祥，林祖宏，2，梁冠军

（1.滁州职业技术学院土木工程系；2.滁州市扬帆新型建材有限公司，安徽滁州239000）

铜矿尾砂绿色混凝土的力学性能及耐久性试验研究

朱永祥1，林祖宏1，2，梁冠军1

（1.滁州职业技术学院土木工程系；2.滁州市扬帆新型建材有限公司，安徽滁州239000）

利用铜矿尾砂部分取代混凝土拌合料中河砂的方法，制作出水灰比分别为0.4、0.45、0.5，尾砂外掺率从0％至60％的绿色新型环保混凝土，即铜矿尾砂混凝土。通过对强度等级为C30的试件进行各种工况的力学试验，研究了铜矿尾砂外掺率对混凝土的抗压强度和抗弯强度的影响，另外考虑到耐久性问题，对试件进行了硫酸盐侵蚀试验。结果表明：在水灰比为0.4、0.45和0.5的情况下，铜矿尾砂对拌合料进行外掺（外掺率最高可达60％），且在尾砂高外掺率下试件表现出良好的强度特性和耐久性能。

铜矿尾砂混凝土；水灰比；试验研究；强度；耐久性

针对铜矿尾砂处置研究国内外的科研人员已做了大量工作，一般来说主要有三个方面：一是“堵”的方法，控制污染扩大的速度，减少工厂排放；二是“固”做法，倾倒的尾砂量越来越大，形成尾砂库，为了防止尾砂库垮塌，不得不常年加固库坝基础；三是“转”的思路，把尾砂用于建筑领域，转换为某些建筑材料，使之变废为宝。从长远看，转，行之有效，是必然趋势。

目前针对这种绿色环保混凝土在尾砂外掺方面的详细研究并不多见。文献［1］进行铜矿尾砂制备土聚水泥的试验，结果表明：用铜矿尾砂制得的土聚水泥，硬化浆体具有早强、耐高温、耐酸性能。文献［2］和文献［3］把铜矿尾砂作为添加剂掺入水泥砂浆和混凝土中，对水泥砂浆而言证明掺入5％的预湿尾砂比干燥尾砂效果要好，对混凝土来说掺入5％的尾砂是可行的，且可以降低造价，减少环境污染。文献［4］进行用铜矿尾砂制备加气混凝土试块的试验研究，结果表明：加气混凝土的主要成分有硅钙石、硬石膏、辉石、石英、方解石和白云石，且当混合料水合反应过程时尾砂化学元素大部分都进入板状的硅钙石中。本文主要研究铜矿尾砂部分取代混凝土拌合料中河砂，制作出新型绿色环保混凝土，试验分析尾砂外掺率对混凝土抗压强度和抗弯强度的影响以及验证耐久性能的硫酸盐侵蚀试验。

1 材料属性与试件制备

1.1 原材料

采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，符合国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175－2007）［5］，河砂及碎石符合混凝土骨料要求，且碎石分均径20mm和10mm两种，等量投放。铜矿尾砂是由安徽省琅琊山矿业总公司提供，详细化学成分见表1，各种骨料粒径通过标准振动筛分后结果如图1所示。

图1 混凝土各种骨料筛分结果

1.2 试件制备

为了研究铜矿尾砂部分取代拌合料中河砂后混凝土的力学特征和耐久性能，按强度等级C30设计成的混凝土水灰比分别为0.4、0.45、0.5，且矿尾砂外掺的比率分别是0％、10％、20％、30％、40％、50％和60％。拌合料各种材料详细配合方案如表2至表4所示。

力学性能试验是在万能试验机上完成的，如图2所示是一款型号为WEW－2000B的液压万能试验机。添加剂采用增塑剂，主要考虑使混凝土试件更好的达到设计强度。测试抗压强度时，混凝土试件如图3所示为尾砂外掺率10％时水灰比分别对应0.4、0.45和0.50，其尺寸采用150mm×150mm ×150mm，符合《混凝土设计规范》要求。而在测量抗弯强度时，采用尺寸为100mm×150mm×500mm的小梁，上述两种试件均在第7 d、第28 d和第90d在万能试验机上进行抗压工况和抗弯工况测试。试件模具采用钢模，24 h脱模，试件在混凝土养护箱内进行，且温度控制在25℃左右。

表1 铜矿尾砂的化学成分

图2 万能试验机

图3 尾砂外掺率为10％时不同水灰比试件

表2 水灰比0.40时混凝土组成

表3 水灰比0.45时混凝土组成

表4 水灰比0.50时混凝土组成

2 试验分析

选取铜矿尾砂外掺率为0％为对比组，其它不同外掺率试件的比重是通过对比组的相对密度计算出来的，水灰比为0.4、0.45、0.5的混凝土拌合料密度与比重分别见表2、表3、表4描述。可以看出，随着铜矿尾砂外掺率的增大，混凝土拌合料密度也在增大，主要原因是铜矿尾砂的密度本身就比河砂的密度大。

2.1 砂外掺率与抗压强度之间的关系，可以看出：水灰比为0.40、0.45和0.50，且养护天数为7 d、28 d和90d的试件数据体现一定的规律性。

比如，水灰比为0.40、尾砂外掺率为40％时的抗压强度约为0％外掺率在90d的强度。在0.45和0.50的水灰比下也有相似的规律，分别在20％和30％的外掺率下就能达到对比组90d抗压强度。

2.2 抗弯强度试验分析

图5给出了铜矿尾砂外掺率与抗弯强度之间的关系，也体现出一定的规律。

尤其是从90d养护的工况可以看出水灰比为0.40时，尾砂外掺率在30％时的抗弯强度最大；而对水灰比为0.45和0.50的试件，达到最大抗弯强度时对应的尾砂外掺率均为60％。

图4 尾砂外掺率与抗压强度关系

图5 尾砂外掺率与抗弯强度关系

2.3 硫酸盐侵蚀试验及理论分析

试件尺寸150mm×150mm×150mm且养护时间为28 d的立方体试件进行硫酸盐侵蚀试验，试件在浓度为7.5％的硫酸盐溶液分别浸泡28 d、60d和90d。通过定期检测和调整，使硫酸盐浓度大致维持不变。

图6描述了铜矿尾砂外掺率与硫酸盐侵蚀后试件损失量的关系，值得注意的是：在分别浸泡28 d、60d和90d后，相应的尾砂外掺率试件与对比组进行重量损失比对，发现非常接近；也就是说，混凝土拌合料尾砂外掺对混凝土硫酸盐侵蚀没有明显的影响，且表现出良好的耐久性能。

图6 尾砂外掺率与硫酸盐侵蚀后损失量关系

3 结论

本文利用铜矿尾砂部分取代混凝土拌合料中河砂的方法，制作出水灰比分别为0.4、0.45、0.5，尾砂外掺率从0％至60％的铜矿尾砂混凝土。通过对强度等级为C30的试件进行各种工况的力学试验，研究了铜矿尾砂外掺率对混凝土的抗压强度和抗弯强度的影响，另外考虑到耐久性问题，对试件进行了硫酸盐侵蚀试验。

主要得出以下试验结论：

1）密度方面：随着铜矿尾砂外掺率的增大，混凝土拌合料密度也在增大，主要原因是铜矿尾砂的密度本身就比河砂的密度大。

2）抗压强度方面：水灰比为0.40、尾砂外掺率为40％时的抗压强度与0％外掺率在90d的强度相近。在0.45和0.50的水灰比下也有相似的规律，分别在20％和30％的外掺率下就能达到对比组90天抗压强度。

3）抗弯强度方面：从90d养护的工况可以看出水灰比为0.40时，尾砂外掺率在30％时的抗弯强度最大；而对水灰比为0.45和0.50的试件，达到最大抗弯强度时对应的尾砂外掺率均为60％。

4）硫酸盐侵蚀试验：混凝土拌合料尾砂外掺对混凝土硫酸盐侵蚀没有明显的影响，且表现出良好的耐久性能。

［1］付江盛，成岳，王淑梅，等，铜矿尾砂制备土聚水泥的试验研究［J］.硅酸盐通报，2008（27）：301－306.

［2］OnuaguluchiObinna，Eren Ozgur.Copper tailings as a potential additive in concrete：consistency，strength and toxicmetal immobilization properties［J］.Indian J Eng Mater Sci，2012（19）：79－86.

［3］Onuaguluchi Obinna，Eren Ozgur.Cement mixtures containing copper tailings as an additive：durability properties［J］.Mater Res，2012（15）：1029－1036.

［4］Xiao－yan Huang，Wen Ni，Wei－hua Cui，et al.Preparation of autoclaved aerated concrete using copper tailings and blast furnace slag［J］.Construction and Building Materials，2012（27）：1－5.

［5］GB 175－2007／XG1－2009，《通用硅酸盐水泥》［S］.2007／2009.

［责任编辑 贺小林］

Experimental Study on M echanical and Durable Properties of Copper Tailing Green Concrete

ZHU Yong-xiang1，LIN Zu-hong1，2，LIANG Guan-jun1
（1.Department of Civil Engineering，Chuzhou Vocational and Technical College；2.Chuzhou Yangfan New Materials Co.，Ltd，Chuzhou 239000，China）

By using copper tailing for partial replacement of river sand in cement concrete，the concrete specimens with water／cement ratios of0.4，0.45 and0.5 were prepared from0％to 60％substitution of copper tailing.C30grade of concretewas adopted in the various conditions of experimental process.Testswere done to study the effects of replacement rate for compressive strength and flexural strength.Additionally，sulphate attack resistance in concrete specimens was determined.The results show that river sand of concretemay be replaced with copper tailing partially（up to 60％replacement），with water／cement ratios of0.4，0.45 and0.5.Under the condition of top replacement，the copper tailing concrete exhibited good strength and durability characteristics.

copper tailing concrete；water／cement ratios；experimental study；strength；durability

TU528.59

A

1004－602X（2014）04－0031－05

10.3969／J.ISSN.1004－602X.2014.04.031

2014-10-11

安徽省示范性高职院校建筑工程技术重点建设项目（20101424）；滁州职业技术学院重点课题（YJZ201305）

朱永祥（1966—），男，安徽全椒人，滁州职业技术学院副教授。