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李志强，张轩硕，卜娜蕊，俞勇，祝帆，李堰江
（1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；
2.河北省高校绿色建材与建筑改造应用技术研发中心，河北省土木工程诊断改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000）
随着我国金矿大规模的开发，金尾矿的堆存量日渐增长[1]。根据《全国矿产资源节约与综合利用报告（2019）》，2018年我国金尾矿砂的利用率仅为36.9%[2]。另一方面，随着我国新型城镇化速度的推进，混凝土路面和废弃建筑物拆除和维修，遗留下大量建筑垃圾废弃物。相关资料表明，我国在2006～2018年，建筑废弃物堆放量由6.5亿t增长到21亿t[3]，成为城市垃圾的主要源头。由于对这两种废弃物的利用率较低，大量的废弃物只能露天堆放或者掩埋，不仅浪费土地，而且污染周围环境，更不符合我国持续发展和绿色发展的要求[4]。将金尾矿砂和建筑垃圾回收作为再生骨料应用于金尾矿砂再生混凝土的生产，这种处理方式从环境保护角度出发，必须对这两种废弃物进行处理，避免二次污染；
从资源角度出发，对这两种废弃物加以利用可变废为宝，缓解我国天然砂石资源短缺的问题。
目前，对于再生混凝土的研究已经相对完善，从再生骨料品质[5]、再生骨料类型[6]、再生骨料取代率[7]及再生骨料的改性[8]等众多因素来分析再生混凝土的性能。而相比于金尾矿砂在混凝土上的研究还很少，基于此，本课题通过正交实验方法，以水灰比、金尾矿砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量为正交实验的四个因素，每个因素选择三个水平，从而探究不同因素水平组合下对金尾矿砂再生混凝土基本力学性能的影响，并且找到材料的较优配合比，以期为金尾矿砂再生混凝土的综合利用提供参考。
1.1 实验材料
金尾矿砂来源于河北张家口地区的尾矿砂，细度模数2.0，采用Smartlab9型X射线衍射仪对金尾矿砂进行矿物成分分析，结果见图1，从图1可知，金尾矿砂中主要矿物为石英、钙长石、石墨等。采用ARLAdvant X Intellipower TM3600X射线荧光光谱对金尾矿砂进行化学成分分析，对比结果见表1。以金尾矿砂为原料用于建筑生产，须考虑尾矿砂的物化特性及放射性风险，检测结果见表2、3。从表2中可看出，金尾矿砂的表观密度和吸水率略高于一般建筑用砂的表观密度（天然砂2587.3）和吸水率（天然砂1.85），但其他物理性能指标均符合规范要求。从表3中可看出，金尾矿砂中的放射性核素均低于建筑主体材料要求的天然核素并同时满足内照射指数IRa＜1.0和外照射指数Ir＜1.0；
粗骨料：级配良好的天然骨料和再生骨料，再生骨料来源于原始强度为C30的混凝土试块，经过破碎、筛检、清洗，选取粒径为5～20 mm的再生骨料取代天然骨料，粗骨料的基本物理性质见表4，天然砂为中砂，水泥为P·O42.5水泥，粉煤灰为某发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，水。
图1 金尾矿砂X射线衍射分析Fig.1 X-ray diffraction analysisof gold tailingssand
表1 金尾矿砂主要化学成分/%Table 1 Main chemical composition of gold tailingssand
表2 金尾矿砂物化特性检测结果Table 2 Test results of physical and chemical properties of gold tailings sand
表3 金尾矿砂放射性核素检测结果Table3 Radionuclide detection resultsof gold tailingssand
表4 粗骨料的基本物理性质Table 4 Basic physical properties of coarse aggregate
1.2 配合比设计
为研究金尾矿砂再生混凝土的性能，重点选用水灰比、金尾矿砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量四个因素进行正交实验测试抗压强度和劈裂抗拉强度，采用L9（34）正交。各因素取代率见表5，配合比见表6。
表6 金尾矿砂再生混凝土材料配合比Table 6 Mix ratio of gold tailings sand recycled concrete materials
1.3 试件的制作与实验方法
金尾矿砂在试件制作过程中等量取代天然砂，同理再生粗骨料和粉煤灰等量取代天然骨料和水泥，根据表5制作100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，在标准养护室养护28 d后，用WHY-2000型压力实验机测试金尾矿砂再生混凝土的两种性能指标。
表5 正交实验设计Table5 Orthogonal test design
2.1 正交实验结果
根据上述实验设计方法，通过压力实验机测定出各配合比下两种性能指标强度值，见表7。
2.2 正交实验极差分析
利用表7的结果，对两种指标进行极差分析，结果见表8。
表7 金尾矿砂再生混凝土正交实验强度值Table 7 Orthogonal test strength value of recycled concrete with gold tailings sand
从表8立方体抗压强度的极差值可看出，水灰比所产生的影响较大，其次是粉煤灰掺量，金尾矿砂取代率和再生粗骨料取代率影响较小，也比较接近；
从劈裂抗拉强度的极差值可看出，水灰比所产生的影响较大，其次是粉煤灰掺量和金尾矿砂取代率，而再生粗骨料的取代率影响可忽略不计。显然，无论是金尾矿砂再生混凝土还是普通混凝土，影响其强度值的较重要因素是水灰比。
表 8实验结果极差分析结果Table8 Rangeanalysisof test results
为比较因素之间的差异对强度产生的影响，将四个因素三个水平变化情况绘制成图2和图3。
图2 各因素不同水平抗压强度变化值Fig.2 Variation value of compressivestrength at different levelsof each factor
图3 各因素不同水平劈裂抗拉强度变化值Fig.3 Variation value of splitting tensile strength at different levelsof each factor
（1）因素A（水灰比）的影响：水灰比对两种强度指标影响非常显著，两种强度指标随着水灰比的增大而降低。由于水灰比增大，水泥在水化过程中水分蒸发会产生大量的孔隙，使得密实度下降，然而二次破碎的再生骨料也会产生大量的缝隙，从而导致混凝土强度下降。从极差分析中可看出，当水灰比从水平1（0.45）变化至水平2（0.50），其抗压强度和劈裂抗拉强度分别下降了2.4%和8.5%；
当水灰比从水平2（0.50）变化至水平3（0.55），其抗压强度和劈裂抗拉强度分别下降了13.7%和15.4%。
（2）因素B（金尾矿砂取代率）的影响：随着金尾矿砂取代率的逐渐提高，两种强度变化呈现为先升高后降低。当金尾矿砂从水平1（0）变化至水平2（30%）时，其抗压强度和劈裂抗拉强度分别增加了2.2%和5.9%；
当金尾矿砂从水平2（30%）变化至水平3（60%）时，其抗压强度和劈裂抗拉强度分别下降了3.1%和12.3%。分析主要原因：由于尾矿砂粒径较细，对混凝土的填充效应明显，当取代率为30%时，可改善混凝土的密实性和均质性。但当取代率过高时，大量的细骨料被取代，使得骨料级配不合理，就会造成混凝土内部缺陷，导致强度降低。此外，由于尾矿砂颗粒表面的不规则、粗糙、有棱角，可能会使混凝土抵抗变形能力增强，强度提高。
（3）因素C（再生粗骨料取代率）的影响：两种强度指标会随着再生骨料的取代率增高而降低。再生骨料在破碎过程中受到机械力作用，骨料表面和内部会产生大量裂缝，当再次受到荷载时，裂缝会继续扩展，使得再生混凝土强度降低。从极差分析中可看出，从水平1（30%）变化至水平3（70%）时，立方体抗压强度降低了2.1%，劈裂抗拉强度降低了3.3%。通过以上分析，在各项指标达到要求的条件下，为缓解天然砂石资源短缺，可将再生粗骨料的取代率由30%调整到50%。
（4）因素D（粉煤灰掺量）的影响：对金尾矿砂再生混凝土两种强度指标影响较为显著，两种强度指标随着粉煤灰掺量增大而降低。粉煤灰属于活性材料，其活性远低于水泥活性。所以当粉煤灰取代水泥时，水泥的用量会随这粉煤灰的增加而减少，从而使水泥的水化速度减缓，引起强度的降低。从极差分析中可看出，当粉煤灰从水平1（10%）变化至水平2（30%），抗压强度和劈裂抗拉强度分别下降了4.1%和6.8%；
当粉煤灰从水平2（20%）变化至水平3（30%），抗压强度和劈裂抗拉强度分别下降了5.1%和6.1%。
2.3 方差分析
通过极差分析可明显得到各因素的主次关系，但是也存在一定的局限性，不能将实验中所产生的误差大小估算出来。为减小误差进行方差分析，方差分析见表9。
从表9方差分析结果中可得出，影响抗压强度显著性的因素排序是水灰比（A）＞粉煤灰掺量（D）＞金尾矿砂取代率（B）＞再生粗骨料取代率（C）；
影响劈裂抗拉强度显著性的因素排序是水灰比（A）＞粉煤灰掺量（D）＞金尾矿砂取代率（B）＞再生粗骨料取代率（C）。其中，水灰比、粉煤灰掺量这两种因素对抗压、劈裂抗拉强度影响显著，金尾矿砂取代率对劈裂抗拉强度较显著，再生粗骨料对金尾矿砂再生混凝土的两种指标影响不大。综合两种分析方法，可得到较佳配比为A1B2C1D1，即水灰比0.45、金尾矿砂取代率30%、再生粗骨料取代率30%、粉煤灰掺量10%。
3.1 方案优化
通过正交实验的两种强度指标分析，得到金尾矿砂再生混凝土的较佳配比。为验证金尾矿砂再生混凝土的适用性，对金尾矿砂再生混凝土、再生混凝土和普通混凝土的两种强度指标作对比见表10。通过对两种强度指标对比发现，金尾矿砂再生混凝土与普通混凝土相比抗压和劈裂抗拉强度分别上升了3.66%和13.16%；
金尾矿砂再生混凝土与再生混凝土强度对比时，抗压和劈裂抗拉强度分别上升了10.93%和20.73%。由此可见，当掺入30%的金尾矿砂时，可有效提高再生混凝土的抗压和劈裂抗拉强度。
表 9金尾矿砂再生混凝土方差分析结果Table 9 Variance analysis results of gold tailingssand recycled concrete
表10 金尾矿砂再生混凝土优化方案及结果Table 10 Optimization scheme and results of gold tailings sand recycled concrete
3.2 微观验证分析
通过扫描电镜（SEM）对混凝土的形貌、密实性等微观结构进行研究。图4（a）普通混凝土内部有明显的细小裂纹，裂纹的产生是由水泥浆体的自收缩而造成的，如果砂子中含泥量较高，混凝土内水泥石更容易因为收缩过大而产生微裂纹。图4（b）再生混凝土内部有较大裂缝和贯穿性孔洞，这些裂缝与孔洞的存在是由再生骨料自身特性造成的，裂缝和孔洞增多会影响结构的密实性，使得强度降低。图4（c）当掺量为30%的金尾矿砂与30%的再生骨料混合作为骨料时，较好的颗粒级配，弥补了再生骨料多裂纹、孔洞的缺点，改善了混凝土内部结构的密实性和均质性。
图4 混凝土微观结构Fig.4 Concrete microstructure
3.3 金尾矿砂再生混凝土化学成分分析
为确保金尾矿砂再生混凝土在实际应用中对人体健康和地下水无影响，对金尾矿砂再生混凝土试件进行化学成分分析，结果见表11。由表11可知，金尾矿砂再生混凝土主要化学成分为SiO2和CaO，其次为Al2O3、Fe2O3、MgO和K2O，均为硅酸盐矿物的基本特征。所以金尾矿砂作为细骨料用于建筑生产，不仅可以开发利用建筑垃圾和金尾矿，而且又能缓解天然砂石资源短缺的压力。
表11 金尾矿砂再生混凝土化学成分/%Table 11 Chemical composition of recycled concrete from gold tailings sand
（1）金尾矿砂再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强受水灰比、粉煤灰掺量、金尾矿砂取代率和再生粗骨料取代率的显著性依次降低。
（2）金尾矿砂再生混凝土的较佳因素水平为A1B2C2D1，即水灰比0.45、金尾矿砂取代率30%、再生粗骨料取代率30%、粉煤灰掺量10%。
（3）通过对普通混凝土、再生混凝土和金尾矿砂再生混凝土的强度性能和微观结构分析得到，当金尾矿砂取代率为30%，金尾矿砂再生混凝土强度比基准混凝土强度有所提高，且混凝土内部结构更加密实。
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