冻融循环下铅锌尾矿砂混凝土力学性能试验研究★

2022-09-01蔡双阳罗林成郭红铄

山西建筑 2022年18期

蔡双阳，罗林成，周健，曹果，郭红铄

(湖南交通工程学院，湖南衡阳 421001)

1 概述

我国建筑业发展进入了新时期，混凝土作为最常见的一种建筑材料，其使用量也逐年上升。据统计，2021年我国商品混凝土总产量为30.6亿m3，同比增长5.53%。伴随混凝土用量增加，砂石等原材料的需求也不断上涨，但由于国家环保政策限制，河砂供应量减少，机制砂用量不断增加。

铅锌尾矿砂是产自铅锌矿中的一种固体废弃物，在我国有较大的堆积量，占用了较大的土地资源，规模较大的尾矿库还会给周边环境带来一定安全隐患。目前常见的尾矿砂处理方式有矿区回填、制作肥料、二次采矿等方式。近年来，我国部分学者尝试使用铅锌尾矿砂替代河砂配制混凝土，形成了一定成果。陈振富等[1]发现，当铅锌尾矿砂掺量为20%时，混凝土的强度较普通混凝土提高约8.6%；叶涛[2]研究了铅锌尾矿砂混凝土的动态劈拉力学性能，发现掺量为40%时，混凝土动态劈拉强度提升最大；吴庆文等[3]利用铅锌尾矿砂配制出了屏蔽性能较好的防辐射混凝土；笔者在之前也对铅锌尾矿砂混凝土进行过相关研究。

试验采用湖南省常宁市某尾矿库的铅锌尾矿砂，等体积替代河砂配制混凝土，通过冻融循环试验，对比不同循环次数下混凝土力学性能变化。

2 试验方案

2.1 原材料

水泥：湖南益阳海螺水泥有限责任公司生产的P.O42.5级水泥，表观密度3.1 g/cm3。

粗骨料：粒径5 mm～20 mm的碎石，无针片状颗粒，表观密度为2 720 kg/m3。

细骨料：普通河砂，含水率(质量分数)为5%，细度模数2.5，中砂，表观密度为2 630 kg/m3；铅锌尾矿砂，含水率(质量分数)22%，细度模数1.7，细砂，表观密度为2 740 kg/m3。

2.2 混凝土配合比及试件制作

为了充分对比铅锌尾矿砂掺量对混凝土抗冻性能的影响，配制了六组不同尾矿砂掺量的混凝土，分别为10%,20%,30%,40%,50%,60%，编号为LZC10-LZC60，还设置了一组普通混凝土用于对照分析，即LZC0。七组混凝土的设计强度等级均为C30，坍落度为60 mm，混凝土的水胶比为0.55，各组混凝土的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

按照上述配合比，制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件用于测定立方体抗压强度及质量损失，尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件用于测定弹性模量。试件制作完以后，放入标准养护室养护28 d后取出。

2.3 试验方法及数据计算

冻融循环试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[4]进行。采用湖南交通工程学院土木工程材料实验中心的全自动冻融循环试验箱，使用快冻法进行冻融循环，试件中心温度控制在-20 ℃～7 ℃。冻融循环次数分别设定为50，100，150，200，250。达到规定冻融循环次数以后，取出试件称重，依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》[5]测定试件抗压强度及弹性模量，并分别按照式(1)～式(3)计算质量损失率Lm、强度损失率Lf及弹性模量损失率LE。

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(1)

其中，m0为试件初始质量，g；mn为冻融后质量；n为冻融循环次数，下同。

(2)

其中，f0为试件初始抗压强度，MPa；fn为冻融后的抗压强度。

(3)

其中，E0为试件初始弹性模量；En为冻融后的弹性模量。

3 结果与分析

3.1 质量损失率

通过称重可以测得在不同循环次数下，各组试件的平均质量如表2所示。

表2 各组试件平均质量 g

根据公式及表2数据，可算得各组试件质量损失率随冻融循环次数增加的变化曲线图，如图1所示。

由图1可知，随着冻融循环次数增加，混凝土质量损失率增大。循环次数低于150次时，所有试件的质量损失率均低于5%，而当循环次数超过150次时，除LZC10和LZC20两组试件的质量损失低于5%外，其余各组试件的质量损失均超过规范规定的5%限值，说明150次为试验中混凝土冻融破坏的临界值。

目前，混凝土冻融破坏机理有三种理论，分别是静水压假说、渗透压假说、临界水饱和度理论。一方面，试件中的水在结冰过程中，体积会膨胀约9%，理论上会使得同体积的水会被挤出试件内部[6]，但由于结冰往往是从靠近混凝土表面的自由水开始[7]，因此当混凝土表面被冰包裹，水难以排出，只能聚集在内部孔隙中，随着结冰程度推进，内部孔隙中的水分受到冰晶挤压，而对混凝土孔壁产生静水压力，造成孔壁到拉应力，当应力超过混凝土抗拉极限值，混凝土开裂，随着冻融循环次数增加，上述过程不断循环，裂缝逐渐扩展，铅锌尾矿砂与水泥浆之间的黏结遭到破坏，砂粒随水流而流失，导致质量损失不断加剧。

3.2 强度损失率

通过静力抗压试验可测得各组试件在不同循环次数下的抗压强度值，如表3所示。

表3 各组试件在不同循环次数下的抗压强度值 MPa

根据式(2)可算得各组试件在不同循环次数下的强度损失率变化曲线，如图2所示。

而对比不同组试件在相同循环次数下的强度损失可以发现，LZC20试件的强度损失明显小于其余各组，主要原因是尾矿砂的掺入可以优化细骨料颗粒级配，使得混凝土试件内部的开口孔隙率降低，密实度提高，试件抗冻性能提高。另外，由于铅锌尾矿砂内部含有一定微小空隙，被水泥浆包裹后形成封闭孔隙，当自由水结冰导致体积增加时，部分冰晶压力能被特细砂内部的微小空隙耗散，降低内部破坏程度。而随着掺量增加，细骨料的总比表面积增加，达到相同流动性时的所需拌和用水量增加，但由于单位用水量固定，导致尾矿砂掺量超过30%时，砂浆流动性变差，混凝土中的细骨料无法完全被水泥浆包裹，内部和表面均容易形成较多的初始孔隙，从而使得开口孔隙率增加。

为充分验证适量尾矿砂对初始孔隙率的影响，采用真空饱水法测定了各组试件的开口孔隙率，结果如表4所示。

表4 各组试件开口孔隙率 %

由表4中数据可知，LZC20组的开口孔隙率最低，说明20%尾矿砂的掺入在一定程度上能降低时间内部的初始开口孔隙数量。

3.3 相对动弹性模量损失

当冻融循环次数到达200次时，棱柱体试件在受荷后的极短时间内就发生了破坏，此时各组试件的弹性模量损失率极高，不具备理论意义，因此不予讨论。当次数在150次及以下时，可以测得各组试件的弹性模量损失率曲线如图3所示。

由图3可知，各组混凝土试件的弹性模量均随冻融次数增加而降低，当次数在50次～150次之间时，弹性模量下降较少，残余弹性模量均超过初始弹性模量的60%，未达到规范规定的破坏界限，但次数超过100次后，弹性模量损失率加剧。当循环次数超过150次时，残余弹性模量将低于初始弹性模量的60%，根据规范，此时混凝土试件达到破坏状态，表明150次为试件所能承受的最大冻融循环次数，可以认为试验中的混凝土抗冻等级为F150。

对比各组试件可以发现，相同冻融次数下，LZC20组的弹性模量下降幅度明显低于其他组，综合3.1,3.2所观察到的现象，可以认为掺入20%的铅锌尾矿砂有利于提高混凝土的抗冻性。