黃鐘暉，張世榮，王炳華，孟慶軍

(南寧軌道交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022)

伴隨著現(xiàn)階段交通工程的快速發(fā)展，高速公路、軌道交通、跨海隧道等都得到了質(zhì)的發(fā)展，混凝土是其利用的主要材料。同時(shí)，伴隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，再加上現(xiàn)階段再生技術(shù)的不成熟，導(dǎo)致了建筑垃圾與尾礦庫(kù)的大量存在，給人們的生存環(huán)境帶來(lái)了極大的威脅。利用尾礦與建筑廢料制備高性能尾礦再生混凝土并將應(yīng)用于交通工程中去，是現(xiàn)階段最有效的途徑，也符合“發(fā)展綠色環(huán)保、循環(huán)再生高性能混凝土”的十三五發(fā)展戰(zhàn)略。

張玉琢等[1]對(duì)應(yīng)用于道路工程的鐵尾礦混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性、干縮性等進(jìn)行了研究，表明其干縮應(yīng)用值與磨損量增加。徐國(guó)強(qiáng)等[2]以農(nóng)村公路為研究對(duì)象，對(duì)尾礦混凝土的工作性能與力學(xué)性能進(jìn)行了研究。杜艷[3]利用鐵尾礦取代天然砂，對(duì)其路用水泥混凝土的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其混凝土的坍落度、和易性與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。張智[4]利用堿激發(fā)劑對(duì)鐵尾礦混凝土進(jìn)行了固化處理，表明將其作為道路基層與底基層填料是可行的。但現(xiàn)階段的研究多集中在普通尾礦混凝土，對(duì)環(huán)境與社會(huì)的增強(qiáng)效益較為有限。因此，有必要對(duì)高性能的尾礦再生混凝土進(jìn)行研究。

基于此，文中考慮不同鐵尾礦摻量，對(duì)尾礦再生混凝土碳化前后的主要力學(xué)性能與變形性能進(jìn)行了研究，以期尋找鐵尾礦的最適摻入量，為鐵尾礦再生混凝土在道路交通工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及配合比設(shè)置

采用陜西秦嶺牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)用天然粗骨料為人工碎石，連續(xù)級(jí)配，粒徑范圍為5 mm～20 mm；細(xì)骨料采用灞河天然河沙；再生骨料由西安某環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，為現(xiàn)行市場(chǎng)通用材料，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，所選骨料已服役30年，連續(xù)級(jí)配，經(jīng)篩分、清洗、晾曬、裝袋等程序，供試驗(yàn)使用。試驗(yàn)用鐵尾礦來(lái)自于陜西商洛寶明礦業(yè)有限公司窯溝尾礦庫(kù)，試驗(yàn)前對(duì)再生粗骨料與尾礦的級(jí)配進(jìn)行了測(cè)定，并與規(guī)范的規(guī)定值進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖1，可見(jiàn)其顆粒級(jí)配均滿足規(guī)范[5-6]的要求。試驗(yàn)前，對(duì)主要材料的物理性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，見(jiàn)表1與表2。

圖1 骨料的顆粒級(jí)配

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 主要材料的性能指標(biāo)

基于此，對(duì)高性能尾礦再生混凝土進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)[8]，參考相關(guān)文獻(xiàn)，將再生骨料的取代率設(shè)定為30%[9-10]，然后考慮不同的尾礦摻量，依據(jù)規(guī)范[7]的規(guī)定對(duì)配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)。便于對(duì)比分析，各配合比均選擇水膠比為0.4，砂率為0.35。經(jīng)過(guò)試配與調(diào)整，各工況下混凝土的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 不同工況下資源化混凝土的配合比設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)設(shè)置

文中以100 mm×100 mm×100 mm(立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度)與100 mm×100 mm×300 mm(軸心抗壓強(qiáng)度、變形能力)試塊為基本研究對(duì)象，來(lái)建立再生混凝土隨時(shí)間的材料強(qiáng)度變化規(guī)律。試驗(yàn)中對(duì)碳化前后不同尾礦摻量的再生混凝土試塊進(jìn)行了測(cè)試，碳化齡期分別為7 d、14 d、28 d與90 d，由于試驗(yàn)儀器容積有限，因此不同的測(cè)試指標(biāo)采用了不同的碳化齡期。

采用TH-W混凝土碳化試驗(yàn)箱進(jìn)行碳化測(cè)定，力學(xué)性能由1 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。試驗(yàn)加載與碳化試驗(yàn)均按照規(guī)范[11]的要求進(jìn)行，其中，碳化試驗(yàn)的具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 碳化試驗(yàn)流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

圖3為碳化前后不同齡期下資源化混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨尾礦取代率的變化曲線。定義強(qiáng)度增長(zhǎng)率為同一齡期的混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)值與自然養(yǎng)護(hù)齡期強(qiáng)度的比值。由圖3(a)可以看出，當(dāng)尾礦摻量低于30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨尾礦摻量的增加而增大，而高于30%時(shí)，則出現(xiàn)了相反的趨勢(shì)。碳化后的情況與未碳化的情況相似，均在尾礦取代率為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，使強(qiáng)度值接近NAC的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值。同時(shí)，由圖3(c)可以看出，碳化提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，且碳化7 d的強(qiáng)度增加值在不同程度上均比碳化14 d的強(qiáng)度增加值高。究其原因，鐵尾礦顆粒較細(xì)，填充效應(yīng)明顯，少量的摻加能夠改善混凝土的勻質(zhì)性與致密性，阻止了CO2氣體在混凝土中的擴(kuò)散，使抗壓強(qiáng)度升高。當(dāng)摻量為30%時(shí)，尾礦的填充效應(yīng)最好，抗碳化能力也這最強(qiáng)；但當(dāng)摻量較高時(shí)，大量的鐵尾礦取代了細(xì)骨料，造成骨料級(jí)配不合理，混凝土內(nèi)的缺陷、孔隙增多，從而降低了抗壓強(qiáng)度值。此外，鐵尾礦具有“火山灰活性”，促進(jìn)了水泥的水化，同等條件下，消耗Ca(OH)2的能力變強(qiáng)，使混凝土的堿度降低，抗碳化能力變強(qiáng)。同時(shí)，在某種程度上提高了混凝土的密實(shí)度，從而提高了碳化后的抗壓強(qiáng)度，且摻量越高，這一效應(yīng)就越明顯，由圖3(b)可以直觀的看到碳化的曲線變得相對(duì)緩和也即是驗(yàn)證了這一點(diǎn)，這與文獻(xiàn)[12-13]得到的變化趨勢(shì)相似。

3.2 立方體劈裂抗拉強(qiáng)度

圖4為碳化前后不同齡期下資源化混凝土的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度隨尾礦取代率的變化曲線。由圖4(a)與圖4(b)可得，隨著養(yǎng)護(hù)與碳化齡期的增長(zhǎng)，立方體劈裂抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)小幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)；同一齡期自然養(yǎng)護(hù)條件下，抗拉強(qiáng)度隨著尾礦的摻入先增后降，但不同的養(yǎng)護(hù)齡期，峰值點(diǎn)出現(xiàn)的位置有所差異，7 d、14 d、28 d與90 d，最大劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的鐵尾礦摻量分別為30%、20%、40%與40%。碳化使混凝土的抗拉強(qiáng)度值變化更為復(fù)雜，出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，但可以確定第一個(gè)峰值點(diǎn)出現(xiàn)的位置處于20%～40%之間；隨著碳化齡期的增長(zhǎng)，碳化強(qiáng)度值也出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，但整體較為平緩，與Chinnappa等[14]的研究結(jié)果的規(guī)律相似。由圖4(c)也可以看出，碳化使不同工況下的大部分混凝土抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，但增幅較小(與立方體抗壓強(qiáng)度相比)，部分還出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)，主要原因在于混凝土的抗拉強(qiáng)度僅為立方體抗拉強(qiáng)度的1/10，且混凝土的密實(shí)度對(duì)其影響相對(duì)較??；鐵尾礦的摻入，對(duì)低碳化周期的混凝土影響相對(duì)較大，當(dāng)碳化周期較長(zhǎng)時(shí)，影響相對(duì)較小，例如摻量為100%時(shí)，7 d、14 d、28 d與90 d的碳化齡期下，其強(qiáng)度增加值分別為10.79%、6.65%、5.97%與1.22%。追其原因，隨著碳化時(shí)間的增長(zhǎng)，碳化生成物逐漸填充了混凝土中的孔隙，使CO2進(jìn)出混凝土的通道變少，也就降低了碳化的影響程度。因此，碳化使立方體劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)波動(dòng)，首次出現(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)的尾礦的取代率為20%～40%。

圖3 碳化前后資源化混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變化情況

圖4 碳化前后資源化混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變化情況

3.3 軸心抗壓強(qiáng)度

圖5為軸心抗壓強(qiáng)度變化圖，圖5中實(shí)線表示自然養(yǎng)護(hù)條件下，虛線代表碳化條件下。由圖5(a)可得，自然養(yǎng)護(hù)與碳化條件下，鐵尾礦的摻入對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)是一致的，均使其先增大后減小，峰值點(diǎn)依舊處于20%～40%范圍內(nèi)。通過(guò)圖5(a)，我們還可以看出，自然養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)，過(guò)了峰值點(diǎn)后，軸心抗壓強(qiáng)度下降幅度不大，且之后有逐漸升高的趨勢(shì)，而碳化90 d時(shí)，峰值點(diǎn)后也比較平緩，因此，可以預(yù)測(cè)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，水泥水化程度的逐步完善，尾礦摻量不同而使混凝土軸心抗壓產(chǎn)生的強(qiáng)度差異在逐步變小，這與文獻(xiàn)[14-15]的研究結(jié)論相似。由圖5(b)也可看出，長(zhǎng)齡期作用下，碳化產(chǎn)生的強(qiáng)度增長(zhǎng)率在逐漸變小。但由于過(guò)量尾礦的摻入引起的級(jí)配不合理現(xiàn)象依舊存在，因此，使后期的強(qiáng)度值出現(xiàn)了變化(負(fù)值)。追其根源，主要由于尾礦的火山灰活性消耗了大量的Ca(OH)2，致使混凝土內(nèi)部的堿含量降低，碳化反應(yīng)變?nèi)?，相?duì)差異變小。

3.4 變形性能

高性能尾礦再生混凝土的變形性能主要包括峰值應(yīng)變與彈性模量，其變化規(guī)律見(jiàn)圖6、圖7。由圖6、圖7可知，不管是峰值應(yīng)變還是彈性模量，不同的碳化周期與尾礦摻加量，最終呈現(xiàn)出的整體趨勢(shì)是相同的。整體看來(lái)，最初摻量較小時(shí)，尾礦使混凝土的變形性能發(fā)生無(wú)規(guī)律的變化。當(dāng)摻量較大時(shí)，使混凝土的最優(yōu)配合比發(fā)生了變化，同時(shí)，Ca(OH)2的消耗降低了混凝土的碳化程度，使其變化趨于規(guī)律。

當(dāng)尾礦摻量較小時(shí)(≤20%)，每個(gè)相同的碳化周期，尾礦摻量使其變形性能發(fā)生不同程度的波動(dòng)，近似上，28 d的變形性能較大，例如，碳化28 d再生混凝土(RAC-1)的峰值應(yīng)變比碳化0 d增大了36.9%；NAC與RAC-3的彈性模量，28 d比0 d分別增加了58.6%與34.9%。當(dāng)摻量較大時(shí)(﹥20%)，隨著碳化齡期的增長(zhǎng)，每個(gè)鐵尾礦摻量下，其變形性能均呈現(xiàn)出：0 d﹥28 d﹥90 d的相同趨勢(shì)，也說(shuō)明尾礦的摻入能夠減小混凝土的峰值應(yīng)變，但同時(shí)也使彈性模量發(fā)生了不同程度的降低，這也是與其抗壓強(qiáng)度的降低相對(duì)應(yīng)的。

圖5 碳化前后軸心抗壓強(qiáng)度變化情況

圖6 碳化對(duì)摻加鐵尾礦混凝土峰值應(yīng)變的影響

圖7 碳化對(duì)摻加鐵尾礦混凝土彈性模量的影響

4 結(jié) 論

利用尾礦材料的微細(xì)粉及火山灰活化特性，對(duì)不同尾礦摻量的再生混凝土進(jìn)行了快速碳化試驗(yàn)，對(duì)其主要力學(xué)和變形性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。主要結(jié)論有：

(1) 少量尾礦摻加，使立方體抗壓性能變強(qiáng)，但過(guò)量摻入時(shí)，使其強(qiáng)度值又出現(xiàn)了下降，峰值點(diǎn)處摻量為30%；碳化提高了混凝土密實(shí)性，使抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的提高，部分提高接近10%。

(2) 尾礦對(duì)裂劈抗拉強(qiáng)度的影響相對(duì)較小，未碳化時(shí)，當(dāng)尾礦摻量為30%，使其出現(xiàn)峰值；碳化后使各齡期的強(qiáng)度值出現(xiàn)了波動(dòng)，且使各齡期的強(qiáng)度值出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)，此時(shí)峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在20%～40%。

(3) 尾礦使軸心抗壓強(qiáng)度先增后減，峰值點(diǎn)處于20%～40%。碳化緩和了不同尾礦摻量對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的影響，碳化齡期越長(zhǎng)，碳化后的強(qiáng)度增長(zhǎng)率越小。

(4) 尾礦使碳化前后混凝土的峰值應(yīng)變與彈性模量呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)：摻量較小時(shí)，出現(xiàn)波動(dòng)，摻量較大時(shí)，逐漸趨于直線變化，但總體來(lái)說(shuō)，隨著尾礦摻量的增加，其峰值應(yīng)變與彈性模量值均出現(xiàn)了不同程度的降低，且摻量越高，降低幅度越大。

結(jié)果表明，當(dāng)尾礦摻量近似為30%時(shí)，高性能尾礦再生混凝土的力學(xué)性能與變形性能能夠達(dá)到或略超普通混凝土。因此，鐵尾礦與再生骨料的摻量均為30%時(shí)，能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于道路交通工程中去。