胡宇博，张凯峰，罗作球，孟刚，姚源，张林啸，童小根

（中建西部建设北方有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

随着现代社会的快速发展，混凝土被广泛应用于城市建设中，随之而来的问题就是，由于商品混凝土的需求量大大增加，混凝土用砂石大量消耗造成了巨大的环境压力[1]。目前，全国天然砂生产量已大大减小，且价格偏高。为了保护环境的同时保持基础建设进度，就需要解决混凝土原材料的问题，而尾矿砂就是一个很好的选择。尾矿砂是选矿厂将矿石磨细，选取有用成分后排放的废弃物。尾矿的堆存不仅占用了大量的耕地，还容易造成矿区环境的污染、水土流失、植被破坏等问题。选用尾矿砂作为混凝土的原材料，不仅能解决混凝土原材料问题，还可解决尾矿砂堆存问题。同时，尾矿砂价格低廉，其使用也能为混凝土生产带来一定的经济效益。因此，有效利用尾矿砂对保护环境、资源利用有重要意义。已有研究表明掺入一定量的尾矿砂可配制出符合要求的混凝土[2-4]。

本文研究的尾矿砂为陕南地区钼尾矿，其细度较小，因此无法完全替换混凝土中的常规细骨料。本文通过钼尾矿砂取代不同比例的常规细骨料来研究其掺量对混凝土各项性能的影响规律。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：铜川冀东 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其化学组成如表 1 所示。

（2）粉煤灰：华能Ⅱ级粉煤灰，其化学组成如表2 所示。

表 1 普通硅酸盐水泥的化学成分

表 2 粉煤灰化学成分

（3）矿粉：德龙 S95 级矿粉，其化学成分如表 3所示。

表 3 矿粉化学成分

（4）钼尾矿砂：选用陕南地区钼尾矿砂，岩相检定结果为硅质砂。各项主要物理性质见表 4。

表 4 钼尾矿砂性能

（5）砂：选用细度模数 2.0 的机制砂。

（6）石：选用粒径 5～31.5mm 的碎石。

（7）外加剂：由中建新材料公司生产的聚羧酸减水剂。

（8）试验用水：均采用符合标准的自来水。

1.2 试验方法

探究钼尾矿砂替代机制砂对混凝土性能的影响。本文以普通 C40 强度等级混凝土配合比作为基准配合比。钼尾矿砂分别替代基准配合比中 0%、20%、30%、40%、50% 的砂。通过测试钼尾矿砂不同替代率对混凝土工作性能、力学性能及耐久性能，分析钼尾矿砂对混凝土的影响，并得出其合理的掺量。具体配合比见表 5。

表 5 混凝土配合比 kg/m3

1.3 混凝土性能测试

（1）工作性能

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土拌合物的工作性。

（2）力学性能

按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试成型试件强度，测试龄期为 28d、60d、90d、120d。

（3）耐久性能

按照 GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验》中的电通量法测试混凝土的抗氯离子渗透性及抗碳化性能。

2 试验结果及分析

2.1 钼尾矿砂掺量对混凝土工作性能的影响

本文对混凝土工作性能的评价选用坍落度与扩展度两项性能，钼尾矿砂不同取代率对混凝土工作性能的影响数据见表 6，数据图如图 1、图 2 所示。

图 1 混凝土坍落度试验结果

图 2 混凝土扩展度试验结果

由图 1、图 2 可知，混凝土的坍落度与扩展度均随着钼尾矿砂取代率的增加而降低。这主要是因为钼尾矿砂较细，相同质量下增大了骨料比表面积。在相同用水量与外加剂掺量的情况下，混凝土中的水被更多地吸附于砂表面，从而导致工作性能降低。当钼尾矿砂掺量小于 30% 时，混凝土坍落度与扩展度均随钼尾矿砂掺量的增加降低幅度较缓慢。当钼尾矿砂掺量大于 30%后，混凝土坍落度与扩展度随着掺量的增加，降低速率明显增加。因此，钼尾矿砂作为细骨料替代机制砂需要控制其替代率。替代率小于 30% 时可基本保持较好的工作性能，当替代率大于 30% 后，工作性能下降，若要保持良好的工作性能，则需增加外加剂掺量。

2.2 钼尾矿砂掺量对混凝土力学性能的影响

本文选择抗压强度对混凝土力学性能进行评价。钼尾矿砂不同取代率对混凝土抗压强度的影响数据见表7，数据图见图 3。

表 7 混凝土抗压强度试验结果

图 3 混凝土抗压强度试验结果

由图 3 可知，钼尾矿砂对常规砂的取代率在 50%以内时，混凝土抗压强度差距较小。这说明掺一定量的钼尾矿砂对混凝土的抗压强度影响较小。随着钼尾矿砂掺量的增加，混凝土强度呈现先略微增加后减小的趋势。这是因为钼尾矿砂颗粒较小，其少量掺入可填充混凝土骨料间较小的孔隙，使混凝土变得更加密实，从而提高了抗压强度[5-6]。但当颗粒较小的钼尾矿掺量超过一定量后，过量的细颗粒导致混凝土细骨料级配变差，从而使强度有所降低。从长期强度来看，掺钼尾矿的混凝土标准养护 28 天后，混凝土强度随着龄期的增长而缓慢增长，90 天后基本稳定。

2.3 钼尾矿砂掺量对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

本文选择电通量作为表征混凝土抗氯离子渗透性能的指标。图 4 为钼尾矿砂不同取代率对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响。

图 4 混凝土抗氯离子侵蚀性能试验结果

由图 4 可知，钼尾矿砂取代率小于 50% 时，混凝土标准养护 28 天后的电通量均有所降低，这说明钼尾矿砂的掺入提高了混凝土的抗氯离子侵蚀性能。这可能是由于钼尾矿砂颗粒较细，其掺入填充了混凝土内部的细小孔隙，提高了混凝土的密实性，从而提升了混凝土抗氯离子侵蚀性能。随着钼尾矿砂掺量的增加，电通量呈现先减小后增加的趋势。这可能是因为掺入少量的颗粒较细的钼尾矿砂可以填充混凝土内部孔隙，但掺入过量后使骨料级配变差，降低了混凝土的密实性，从而导致抗氯离子侵蚀性能有所下降。其中钼尾矿砂取代率为20% 时，混凝土抗氯离子侵蚀性能最好。

2.4 钼尾矿砂掺量对混凝土抗碳化性能的影响

本试验选用快速碳化箱对养护 28 天试件进行加速碳化试验，钼尾矿砂不同取代率对混凝土不同龄期碳化深度的影响数据见表 8，数据图见图 5。

图 5 混凝土碳化深度试验结果

表 8 混凝土碳化深度试验结果

由图 5 可知，钼尾矿砂取代率 50% 以内对混凝土不同龄期碳化深度影响较小。随钼尾矿砂掺量的增加，不同龄期碳化深度整体呈现略微先减小后增加的趋势。这可能是因为钼尾矿砂的细小颗粒在掺量较小时优化的混凝土孔结构，使整体更加密实。但当掺量过大后导致细骨料级配变差，影响混凝土的孔结构，从而降低混凝土的密实性，导致抗碳化性能下降。这说明一定掺量的钼尾矿砂对混凝土抗碳化性能影响较小，但掺量过大后可能会导致抗碳化性能下降。

3 结论

（1）混凝土坍落度、扩展度均随着钼尾矿砂掺量的增加而降低，掺量大于 30% 后降低幅度明显增加。

（2）钼尾矿砂对机制砂的取代率小于 50% 时，混凝土抗压强度差距较小。

（3）钼尾矿砂掺入可提高混凝土抗氯离子侵蚀性能。当钼尾矿砂取代率为 20% 时，混凝土抗氯离子侵蚀性能最好。掺量过高会导致抗氯离子侵蚀性能下降。

（4）钼尾矿砂取代率小于 50% 时，对混凝土抗碳化性能影响较小，随钼尾矿砂掺量的增加，碳化深度整体呈现略微先减小后增加的趋势。