尾矿特细砂与河砂复配在混凝土中的应用研究

熊大路，辛崇升，田庆斌，邢又家，姜瑞双

（1. 济南金曰公路工程有限公司，山东 济南 250101；2. 山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；3. 山东省混凝土材料与桥梁结构工程技术研究中心，山东 济南 250102）

引言

目前，国家加快了高速公路、高速铁路、城市轨道交通等基础设施的建设步伐，而对建设用砂的消耗也越来越大[1-3]。作为传统的混凝土用细集料，河砂的储备资源越来越少，同时，各地天然河砂的开采已受到限制，市场上的河砂品质也越来越难以保证[4]。桥隧混凝土用细集料一般选用中砂，然而现在各工地的粗砂却随处可见，细度模数均在3.1以上，且颗粒级配不合理，细颗粒含量较少。采用粒形和级配不合理的粗砂配制混凝土，不仅难以保证混凝土拌合物的工作性，易引起拌合物的泌水、离析，同时也难以保证混凝土结构的工程质量及长期耐久性。

近年来，尾矿砂的研究和应用越来越多[5-6]。尾矿砂来源于选矿厂排放的固体废弃物，而其粒径有大有小，其中，尾矿特细砂与天然特细砂一样，具有平均粒径小、颗粒级配是中间大两头小、细度模数小、比表面积大、需水量大的特点，若单独使用特细砂配制混凝土，会导致混凝土拌合物黏度大、泵送困难、收缩大、易开裂等问题[7]。若要将特细砂应用到混凝土中，首先要解决好其级配单一、需水量大的问题。而特细砂与粗砂的复配，两种材料可以取长补短，为发挥两种材料各自的优势提供了一条有效途径[8-10]。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥，物理性能指标见表1。（2）粉煤灰：F类I级粉煤灰，45μm方孔筛筛余量4.5%，需水量比96%，烧失量3.52%。（3）粗集料：5～20 mm连续级配的天然碎石，表观密度2 725 kg/m3，含泥量0.2%，压碎值21.0%。（4）细集料：天然河砂，表观密度2 630 kg/m3，松散堆积密度1 525 kg/m3，含泥量1.4%，细度模数为2.67。（5）尾矿特细砂：表观密度2 800 kg/m3，75μm以下颗粒含量4.5%，吸水率2.0%，细度模数0.82。（6）减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率26.3%。

表1 P·O 42.5水泥基本性质

1.2 配合比

试验配制C40混凝土，以全河砂为基准配合比，研究特细砂替代15%河砂的混凝土各项性能发展，配合比见表2。

表2 混凝土配合比

1.3 试验方法

1.3.1 细集料的颗粒级配

砂的颗粒级配试验按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）进行测试。用特细砂等量取代河砂，特细砂的取代率分别为0%、10%、15%、20%、30%，对应的试验编号为S1、S2、S3、S4、S5。并根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）有关细集料的技术要求，优选最佳的取代率，研究复配前后混凝土的性能。

1.3.2 混凝土的性能测试

（1）工作性能：根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）的试验规定进行新拌混凝土的和易性测试；（2）抗压强度：根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）进行。成型100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，养护24 h后拆模，放于混凝土养护室（温度20±2℃，相对湿度大于95%）中养护至3 d、7 d、28 d、56 d后测试。（3）抗氯离子渗透性能：根据《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES01-2004）中的NEL法评价硬化混凝土的抗氯离子渗透性能，并根据表3进行渗透性评价。

表3 混凝土抗氯离子渗透性评价

2 结果与分析

2.1 特细砂与河砂复配后的颗粒级配

特细砂掺量对细集料的颗粒级配的影响见图1。特细砂掺加可明显改善粗砂的颗粒级配。随着掺量增加，2.36 mm和1.18 mm的粗颗粒含量明显降低，且0.3 mm和0.15 mm的细颗粒含量明显增加。当掺加15%特细砂时，2.36 mm和1.18 mm的颗粒含量从25.2%和18.0%分别降低至18.2%和15.5%；而0.3 mm的颗粒含量则从16.8%增加至19.0%。

图1 特细砂掺量对细集料颗粒级配的影响

由图1（b）累计筛余曲线可知，未复配特细砂前，河砂（S1）不在II区的级配曲线范围内，随着特细砂的掺量增加，各粒径累计筛余逐渐降低；当掺量达到15%后，细集料的级配曲线基本满足II区砂的级配要求；但在掺量达到30%时，0.15 mm的累计筛余偏低，这说明0.15 mm以下的颗粒含量有了明显增加。当0.15 mm以下细颗粒含量过多时，会明显增加细颗粒的需水性，从而对混凝土拌合物的流动性产生不利影响。

图2 为特细砂掺量对细集料的细度模数影响。随着掺量增加，细集料细度模数从初始的3.34降低至2.38，掺加特细砂后，细集料的细度模数均在中砂（2.3～3.0）范围内。当特细砂掺量为15%、20%时，细度模数为2.77、2.60，有利于改善混凝土的工作性能。综合分计筛余、累计筛余及细度模数的研究结果，当特细砂掺量为15%时，细集料的颗粒级配达到了最优。

试验表明，特细砂与粗砂的复配，可以实现两者优势互补，降低河砂的粗颗粒含量，增加细颗粒含量，优化细集料的颗粒级配，有利于细集料实现紧密堆积，减少松散堆积空隙率，提高混凝土的工作性能。

图2 特细砂掺量对细集料细度模数的影响

2.2 混凝土的工作性能

细集料颗粒级配实验表明，15%掺量的特细砂即可明显改善细集料的颗粒级配。特细砂复配前后，混凝土的工作性能对比见表4。WS0组混凝土拌合物流动性差，保水性差，底部有泌水留出，且碎石的浆体包裹量不足，发生明显的离析现象，见图3（a）。采用15%特细砂与85%河砂复配的细集料配制的混凝土（WS1）拌合物的工作性能得到明显改善，拌合物流动性非常好，且黏聚性保水性良好，坍落度达到240 mm，扩展度达到550 mm，但未发现泌水、泌浆等问题，见图3（b）。

表4 掺15%特细砂的混凝土工作性能

图3 混凝土工作性能对比

2.3 混凝土的力学性能

特细砂对混凝土强度的影响见图4。随着养护龄期的增加，有无特细砂的混凝土抗压强度均逐渐增大。WS1试件的抗压强度均高于WS0的抗压强度，在28 d龄期时，WS1的抗压强度达到57.7 MPa，比WS0试件抗压强度高13.3%。特细砂的掺加改善了细集料的颗粒级配，填充了粗颗粒之间的空隙，提高了混凝土内部结构的均匀性和密实性，使得混凝土强度有所增加。

图4 掺15%特细砂的混凝土抗压强度

2.4 混凝土的抗氯离子渗透性能

特细砂对混凝土抗氯离子渗透性能影响见表5。NEL法测试结果显示，WS0试件的56 d抗氯离子扩散系数为1.09×10-12m2/s，WS1试件的 56 d抗氯离子扩散系数为0.86×10-12m2/s。两组试件的渗透性等级分别为III级和Ⅳ级，渗透性评价分别为中和低。掺加15%的特细砂，提高了混凝土的抗氯离子渗透性能，这是因为细集料中的细颗粒适量增加，可降低细集料的松散堆积空隙率，从而提高了基体的密实度，改善了混凝土的抗氯离子渗透性能。此外，拌合物良好的工作性，也有助于硬化混凝土耐久性能的提高。

表5 掺15%特细砂的混凝土56 d抗氯离子渗透性能

3 结语

（1）采用尾矿特细砂与天然河砂的复配，可改善细集料的颗粒级配。随着特细砂掺量的增加，2.36 mm和1.18 mm的粗颗粒含量明显降低，且0.3 mm和0.15 mm的细颗粒含量明显增加。当特细砂掺量为15%时，细集料的级配曲线从I区改善到II区，细度模数从3.34降至2.77，此时，细集料的颗粒级配最合理。（2）尾矿特细砂与天然砂复配后，混凝土拌合物工作性得到明显改善，坍落度达到240 mm，扩展度达到550 mm，且无泌水、离析发生，拌合物的流动性、黏聚性以及保水性均较好。（3）尾矿特细砂的掺加，提高了混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能。与粗砂混凝土相比，特细砂与粗砂复配的混凝土28 d抗压强度提高了13.3%，56 d氯离子扩散系数降低了21.1%。细集料中的细颗粒适量增加，填充了粗颗粒之间的空隙，可降低细集料的松散堆积空隙率，从而提高了基体的密实度。