「技術交流」銅尾礦粉透水混凝土效能研究

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摘要：

選礦過程中產生的尾礦廢料大量堆積不僅會產生尾礦壩失穩問題，還會造成嚴重的環境汙染。採集雲南省某銅尾礦壩中銅尾礦砂，將銅尾礦砂分別作為細骨料和磨細後的銅尾礦粉，摻入到透水混凝土中對其進行效能研究。結果表明：銅尾礦砂作為細骨料摻入透水混凝土時隨著摻量的增加透水系數減小，當摻量為5%時較為合適；當用磨細銅尾礦粉作為礦物摻合料等量取代水泥膠凝材料時，摻量為5%時28、60 d 透水水泥混凝土立方體抗壓強度達到最大，但隨著摻量繼續增加強度逐漸減小需要配合粉煤灰的復摻。

0 引言

在我國選礦過程中每年將產生上億噸的尾礦廢料，但是尾礦的利用率較低。造成了尾礦堆積，尾礦壩的不穩定和環境汙染等次生災害。透水混凝土作為近幾年國家大力推行的“海綿城市”建設中路面鋪裝材料的“主力軍”，為高密度的硬化路面不能對地下水進行自然補給，提供了切實可行的解決方案。透水混凝土是一種環境友好型路面鋪裝結構，除了能夠利用自身貫通孔隙使天然降水對地下水進行補給，還能減少雨天路面積水，減少太陽熱輻射的反射緩解“熱島效應”，並且大孔隙透水混凝土結構還可以作為植生混凝土用於護坡工程等。

本研究結合銅尾礦砂再利用和“海綿城市”透水混凝土兩個環保題材，採集雲南省玉溪市某銅尾礦庫銅尾礦砂。研究銅尾礦砂和銅尾礦粉分別作為細骨料和礦物摻合料在透水混凝土中的應用。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

試驗所用銅尾礦砂來自雲南省玉溪市某尾礦庫見圖1，銅尾礦砂密度為2。97 g/cm3，銅尾礦砂顆粒級配見表1，細度模數為3。4；將銅尾礦砂投入到小型球磨機SMΦ500×500 mm磨粉見圖1，磨細銅尾礦粉密度為3。03 g/cm3，用勃氏比表面積儀測得磨細銅尾礦粉比表面積為680 m2/kg，其中銅尾礦粉的化學成分見表2；水泥：拉法基（紅河）水泥有限公司生產的P·O 42。5 級水泥，其物理效能指標如表3；粗骨料為機軋碎石，粒徑範圍為5~10 mm，符合GB/T 14685—2011《建設用碎石卵石》要求；粉煤灰：I 級F 類；減水劑：雲南瑞通減水劑有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率30%，最佳摻量為0。8%；水：自來水。

1.2 試驗方法

測試銅尾礦粉透水混凝土的立方體抗壓強度和抗折強度。製作150 mm 的立方體標準試件進行抗壓強度試驗，製作邊長為150 mm×150 mm×550 mm 的標準試件進行抗折試驗。試驗方法和試件標準養護嚴格執行GB/T 50081—2002《普通混凝土力學效能試驗方法標準》。透水系數的檢測和連續孔隙率的測定嚴格執行CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》，具體過程不再轉述。

2 試驗配合比設計

透水混凝土從宏觀上時由骨料、膠凝材料和氣體3 項組分構成，為了滿足透水混凝土由一定的透水性，配合比設計時需要預留出一定的空隙，透水混凝土的內部的孔隙率主要取決於骨料緊密堆積下間的間隙和膠凝材料的填充程度，並且在透水混凝土配合比設計時要嚴格控制水灰比，水灰比過小，骨料間不能形成很好的黏結強度且水泥水化不足，水灰比過大，流動性較大的漿液在施工和成型時會產生沉漿現象降低了透水混凝土的透水性。透過查閱前人的研究［1-3］可知，影響透水混凝土的強度的主要因素，為骨料粒徑和水灰比，骨料的粒徑越大，導致骨料間的接觸點減少，其破壞主要由水泥石控制，不能充分發揮骨料的強度。本試驗選用5~10 mm 的粗骨料，水灰比控制在0。25~0。35 之間。

由於透水混凝土需要的控制指標較普通密實混凝土多，目前國內外還沒有關於透水混凝土配合比設計公認的方法，CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》中推薦的透水混凝土設計方法與體積法相似是以設計孔隙為主要設計指標，也有學者透過利用人工神經網路的方法對透水混凝土強度、孔隙率、透水系數等指標進行非線性的設計並且建立了預測模型［4］，但是由於網路訓練試驗樣本差異數量較少缺乏代表性。因此，在透水混凝土配合比設計時均需要根據實際情況進行試配調整。本次試驗配合比設計採用體積法進行設計，以設計孔隙率為P=15%為設計控制指標，保證實際孔隙率在P=（15±2）%內，研究銅尾礦粉透水混凝土抗壓強度、抗折強度、透水系數效能。試驗銅尾礦粉透水混凝土配合比見表4。

本試驗研究分為四項：

（1）將銅尾礦砂作為細骨料等量取代粗骨料按3個摻量摻入透水混凝土。

（2）將磨細後的銅尾礦粉作為礦物摻合料等量取代水泥，研究銅尾礦粉的活性和微集料效應。

（3）復摻粉煤灰和銅尾礦粉，按不同比例等量取代水泥，改性透水混凝土。

（4）總結前述試驗，將每組試驗效果較好的摻量選入配合比，並進行最佳化試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 摻銅尾礦砂

試驗分別摻入5%、10%、15%比例的銅尾礦砂，並以0摻量的S-0 為試驗的基準對照組。

由表5 可知，隨著銅尾礦砂的摻入量的增加透水系數逐漸降低，抗壓抗折強度在摻量為15%時均較其他組均有明顯提高，但透水系數下降較快，在摻量為15%時透水系數低於了CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》中規定的1 mm/s。透過對壓碎試件進行觀察，發現隨著銅尾礦砂的摻入增加透水混凝土的內部結構逐漸向普通密實混凝土接近，當摻量為5%時砂粒能很好的填充碎石粗骨料的凹角，使骨料更為圓潤接觸點均勻。摻量繼續增加會堵塞連續空隙，導致透水系數明顯降低，因此，認為銅尾礦砂的摻量為5%時合適的。

3.2 摻磨細銅尾礦粉

透過對比S-0 組分析該組試驗結果，可以發現透水系數並沒有明顯變化，銅尾礦粉對透水系數的影響較小。由表6 觀察可知，當銅尾礦粉摻量為5%時抗壓和抗折強度較其他幾組均有提高，銅尾礦粉的活性較低，透過SEM 掃描電鏡觀察如圖2，發現摻入銅尾礦粉其緻密程度更好微集料效應明顯，過多摻入時會影響水泥強度的發展。銅尾礦粉摻入量為5%時比較合適。

3.3 復摻粉煤灰和銅尾礦粉及最佳化試驗

為了改性銅尾礦粉透水混凝土強度，復摻了不同比例的粉煤灰。透過表6 可知，當粉煤灰總含量增加時透水系數逐漸下降，但28 d 後60 d 均有提高，特別是當銅尾礦粉和粉煤灰以1∶2 的比例替代15%水泥時，後期60 d 抗壓強度增長明顯。粉煤灰顆粒大多是球形的玻璃珠，它的加入減小了漿體與骨料間的介面摩擦，在骨料的接觸點起滾珠軸作用，提高了新拌透水混凝土的流動性，所以漿液隨著粉煤灰含量增加變稀，有少量沉漿現象降低了透水系數，但是降低並不明顯基本能保證2 mm/s 左右的透水系數。同時，粉煤灰能夠與水泥水化產物產生二次水化反應，由於這一反應較水泥熟料水化反應慢，因此前期強度提高不明顯，但後期強度發展明顯。因此FH-15-1/2、FH-10-1/2 兩組試驗在60 d 的抗壓強度均接近了C30 的強度，最佳化試驗SFH-5-15-1/2 甚至達到了C30 提高效果明顯。

4 結論

（1）銅尾礦砂少量取代透水混凝土中的粗骨料可以提高透水混凝土的抗壓和抗折強度，但是不宜超過5%，超過會導致透水系數下降嚴重。

（2）銅尾礦粉在可以作為微集料等量取代水泥，且其摻量不應超過5%。配合粉煤灰復摻對透水混凝土效能提高明顯。

（3）透過本次試驗研究建議銅尾礦透水混凝土配合比設計時：以5%銅尾礦砂等量取代取代粗骨料碎石，銅尾礦粉和粉煤灰以1∶2 的比例等量取代15%水泥。

（4）我國對銅尾礦的利用率較低，透過本次試驗研究發現，銅尾礦在透水混凝土中的替代比例也不高，未來還應加強對銅尾礦利用的研究。

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