利用铜尾矿制备经济型超高性能混凝土的研究

鲁亚 ，刘松柏 ，赵筠

（1.江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330000；2.江西省超高性能混凝土工程研究中心，江西 南昌 330000）

0 引 言

尾矿又称尾砂，为选矿厂尾矿浆脱水后形成的固体废弃物，其一个重要的特点是目标组分较低。据测算，每产出1 t铜就会有400 t废石和尾矿产生，依据中国资源综合利用2014年度报告，我国铜尾矿年产量在逐年增长，2013年为3.19亿t，累计堆积了约20亿t。我国铜矿数量众多，主要分布在江西、湖北、浙江等地。铜尾矿若不及时处理，将会污染生态环境、浪费土地资源、存在安全隐患[1]。

将铜尾矿制作成建筑材料，已经有许多这方面的研究成果。黄晓燕等[2]采用铜尾矿-矿渣-水泥熟料-风积砂原料体系制备B06加气混凝土，以富钙、镁的铜尾矿和矿渣代替传统加气混凝土所需的石灰。张雪峰等[3]以60%山西铜尾矿为主料，1%SiC为发泡剂，在1150℃下保温30min最终制备体积密度为220 kg/m3、抗压强度为1.03 MPa、平均孔径为0.33 cm的泡沫玻璃。邹先杰等[4]采用河砂、铜尾矿与机制砂制备混合砂用作混凝土细集料。这些研究主要将铜尾矿作为细集料或矿物掺合料应用在普通混凝土或加气混凝土中，目前还没有将铜尾矿应用在超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）的研究。

UHPC属于现代先进材料，创新了水泥基材料（混凝土或砂浆）与钢纤维、钢材（钢筋或高强预应力钢筋）的复合模式，大幅度提高了钢纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基材料的全面性能发生了跨越式进步，具备了超高强、高韧性和超高耐久性[5]。由于UHPC制备是基于材料最紧密堆积原理，对原材料有更高的要求，UHPC制备的成本相对普通混凝土较高，因此限制了其推广应用。本文将铜尾矿进行简单磨细、筛分处理，选用合适的粒径分布，用于UHPC的原材料中，可替代天然河砂、水泥、粉煤灰等，不仅能降低UHPC的生产成本，且抗弯、抗拉性能均有所提高。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：江西万年青P·O52.5水泥，基本性能见表1。

表1 水泥的基本性能

（2）硅灰：比表面积 19 000 m2/kg，粒径 100～1000 nm，SiO2含量93.5%。

（3）粉煤灰：经过磨细精选，比表面积约800 m2/kg，粒径1～10 μm。

（4）铜尾矿：取自江西九江城门山矿区。原矿（TWK）是直接经过排放口排放后堆积在铜尾矿库的，干燥后会有大颗粒状，搅拌机搅拌后大颗粒大部分会粉碎；磨细铜尾矿粉Ⅰ（TWKⅠ）经过行星球磨机磨制；磨细铜尾矿粉Ⅱ（TWKⅡ）经过气流磨磨制。图1为3种铜尾矿的状态，铜尾矿的主要化学成分见表2，铜尾矿的基本性能指标见表3。此矿区铜尾矿主要成分为SiO2，约占 75%。

图1 3种铜尾矿的状态

表2 铜尾矿的主要化学成分及放射性

表3 铜尾矿的基本性能指标

（5）砂：赣江天然河砂，含泥量0.8%，粒径分布见表4，考虑到铜尾矿原矿的粒径范围，主要替代天然河砂中的细砂部分（≤0.15 mm）。

表4 天然河砂的粒径分布

（6）高效减水剂：由于配制UHPC需要极低的水胶比，因此需要达到较好的工作性能，本试验选择聚羧酸型高效减水剂，减水率大于30%，最佳掺量为0.6%。

（7）纤维：镀铜微丝钢纤维，长度 12～14 mm，直径 0.15～0.20 mm，抗拉强度大于2850 MPa，密度7800 kg/m3。

1.2 配合比设计

通过材料最大堆积密度曲线确定基准配合比，水胶比均为0.18，再通过铜尾矿原矿替代天然河砂、磨细铜尾矿粉替代水泥或粉煤灰，测试扩展度及基体抗压强度，确定各组单独替代的最佳替代掺量，再进行复合替代，确定最大复合替代掺量。配合比设计见表5。确定各单掺和复掺的最佳掺量后，分别掺加2.5%体积掺量的钢纤维进行试验，测试抗压强度、抗弯强度、抗拉强度。

表5 UHPC的配合比设计 kg/m3

1.3 试验方法

（1）UHPC成型：按配合比设计要求称取原材料，先将硅灰、砂、铜尾矿原矿投入强制式搅拌机进行干拌1 min，再加入水泥、粉煤灰、磨细铜尾矿粉进行干拌1 min，充分混合后加2/3的水和减水剂搅拌2 min，再加入剩下的水搅拌2 min，最后边搅拌边加纤维，约1 min后出机。参照GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》测试拌合物的扩展度，将拌合物装入试模，然后低频振动。

（2）养护：拌合物入模后用薄膜覆盖或喷洒养护剂静置24 h后拆模，在90℃热水中蒸养48 h，然后进行强度测试。

（3）强度测试：抗压试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，加载速率1MPa/s，不乘换算系数；四点抗弯试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，加载速率0.3 mm/min；抗拉试件采用哈尔滨工业大学改进设计狗骨状试件[6]进行试验，试件尺寸见图2，加载速率0.3 mm/min。

图2 抗拉试件尺寸

2 结果与讨论

2.1 铜尾矿对UHPC基体流动性的影响（见表6）

表6 铜尾矿对UHPC基体扩展度的影响

由表6可以看出，掺加铜尾矿后，UHPC基体流动性相对基准组会有不同程度的下降，但合适细度的铜尾矿利用不同的替代形式和替代量会达到与基准组相当水平的流动度，满足应用要求。

以原矿替代40%~60%天然河砂中的细砂部分后，会使UHPC的扩展度减小40～80 mm，拌合物更粘，主要由于原矿的粒径相对细砂整体偏细，会导致需水量更大，本身UHPC水胶比极低，所以拌合物会更粘稠，且原矿有大颗粒状固体存在，若不经过简单捣碎处理，搅拌不会破碎得很充分。

铜尾矿粉Ⅰ在替代少量水泥时（6%～12%）对UHPC的流动性影响不大，主要因为在低水胶比下UHPC具有良好的流动性，除了高效减水剂的作用，还得益于“超细粉煤灰”的微珠效应。而铜尾矿粉Ⅱ替代粉煤灰对UHPC流动性的影响较大，其原因是其粒形状态没有粉煤灰好，所以很明显看出流动度随着铜尾矿粉Ⅱ掺量的增加而减小。

单掺时，原矿可替代50%天然砂中的细砂，铜尾矿粉Ⅰ可替代12%的水泥，铜尾矿粉Ⅱ可替代40%的粉煤灰。若在不需要自密实及一般要求的场合，复合替代也是可以满足施工性要求。

2.2 铜尾矿对UHPC力学性能的影响

2.2.1 对UHPC抗压强度的影响（见表7）

表7 铜尾矿对UHPC抗压强度的影响

由表7可以看出，铜尾矿对UHPC抗压强度的影响与对基体扩展度影响所对应的关系是一致的，基体扩展度与抗压强度成正比。扩展度每降低10 mm，抗压强度降低5～10 MPa，这是由于UHPC配制是基于颗粒最紧密堆积来获取较高的密实度，流动性越好，越能排出气泡，密实度更高，强度也会更高。

表8为基准组与单掺及复掺铜尾矿最优组，掺2.5%体积掺量的钢纤维后力学性能测试结果。

表8 掺钢纤维UHPC的力学性能测试结果

由表8可见，掺加2.5%体积掺量的钢纤维后各组UHPC抗压强度均提高15～25 MPa，均高于160 MPa。

2.2.2 铜尾矿对UHPC抗弯、抗拉强度的影响

图3为各组UHPC抗弯试验挠度-强度曲线，其经过绘图软件Origin8.5对每组6根挠度-强度曲线进行平均和离散性处理。

图3 各组UHPC试件的抗弯试验挠度-强度曲线

从图3可以看出，各组UHPC均可以与基准组达到同一水平，抗弯强度在20 MPa以上，极限弹性抗弯强度约为抗弯强度的1/2。尤其添加铜尾矿原矿后对提升抗弯性能效果比较显著，抗弯强度可达30MPa，主要原因是铜尾矿原矿颗粒级配好，且添加后增大了UHPC基体与钢纤维的胶结性能，进一步发挥出纤维的增强增韧作用，这与鲍文博等[7]的研究成果相符。

图4为各组UHPC抗拉试验变形-强度曲线，其经过绘图软件Origin8.5对每组6根变形-强度曲线进行平均和离散性处理，均可明显看到应变硬化现象，从图5轴拉试验可以看到多缝开裂现象。抗弯与抗拉对应关系一致，抗弯强度约为抗拉强度的2.6倍。各组弹性抗拉强度均大于7 MPa，抗拉强度与弹性极限抗拉强度比在1.1～1.2。

图4 各组UHPC试件的抗拉试验变形-强度曲线

图5 轴拉试验

表9为瑞士UHPC标准对抗拉强度的分类[8]，各组均能满足UA类型要求，即普通场合应用要求。当增大钢纤维掺量时，也可以达到UB类型要求，即满足各类结构应用要求。

表9 瑞士UHPC标准对抗拉强度的分类

2.3 经济性分析

（1）铜尾矿原矿可替代天然河砂，处理后的铜尾矿可替代水泥或粉煤灰，不同种类的铜尾矿成本均低于所替代原材料成本，且替代量较大，直接降低UHPC成本。在现有天然资源紧缺及生态文明建设的情形下，所带来的经济效益和社会效益是很可观的。

（2）由于UHPC成本主要受纤维成本的影响，而在同等钢纤维掺量下，铜尾矿UHPC的抗弯、抗拉性能较基准UHPC有明显提升，因此，达到同样的性能可以减少钢纤维的掺量，间接降低UHPC的成本。

3 结语

（1）掺加铜尾矿后，无论单掺和复掺，UHPC基体流动性相对基准组都会有不同程度的下降，但合适细度的铜尾矿利用不同的替代形式和替代量会达到与基准组相当水平的流动度，满足应用要求。

（2）单掺时，原矿可替代50%天然砂中的细砂，铜尾矿粉Ⅰ可替代12%的水泥，铜尾矿粉Ⅱ可替代40%的粉煤灰。若在不需要自密实及一般要求的场合，复合替代也可以满足施工要求。

（3）单掺时，UHPC的抗压强度与基准组相当，抗弯、抗拉强度有明显提升；复掺时，UHPC的抗压强度有所下降，抗弯、抗拉强度与基准UHPC相当。

（4）铜尾矿可大量替代UHPC原材料，且成本均低于各原材料成本，可以降低直接UHPC的成本；在同等钢纤维掺量下，铜尾矿UHPC的抗弯、抗拉性能较基准UHPC有明显提升，因此达到同样性能，可以减少钢纤维掺量，间接降低UHPC的成本。