铜尾矿粉透水混凝土性能研究

摘要：选矿过程中产生的尾矿废料大量堆积不仅会产生尾矿坝失稳问题，还会造成严重的环境污染。采集云南省某铜尾矿坝中铜尾矿砂，将铜尾矿砂分别作为细骨料和磨细后的铜尾矿粉，掺入到透水混凝土中对其进行性能研究。结果表明：铜尾矿砂作为细骨料掺入透水混凝土时随着掺量的增加透水系数减小，当掺量为5%时较为合适；当用磨细铜尾矿粉作为矿物掺合料等量取代水泥胶凝材料时，掺量为5%时28、60 d 透水水泥混凝土立方体抗压强度达到最大，但随着掺量继续增加强度逐渐减小需要配合粉煤灰的复掺。

引言

在我国选矿过程中每年将产生上亿吨的尾矿废料，但是尾矿的利用率较低。造成了尾矿堆积，尾矿坝的不稳定和环境污染等次生灾害。透水混凝土作为近几年国家大力推行的“海绵城市”建设中路面铺装材料的“主力军”，为高密度的硬化路面不能对地下水进行自然补给，提供了切实可行的解决方案。透水混凝土是一种环境友好型路面铺装结构，除了能够利用自身贯通孔隙使天然降水对地下水进行补给，还能减少雨天路面积水，减少太阳热辐射的反射缓解“热岛效应”，并且大孔隙透水混凝土结构还可以作为植生混凝土用于护坡工程等。

本研究结合铜尾矿砂再利用和“海绵城市”透水混凝土两个环保题材，采集云南省玉溪市某铜尾矿库铜尾矿砂。研究铜尾矿砂和铜尾矿粉分别作为细骨料和矿物掺合料在透水混凝土中的应用。

1 原材料与试验

1.1 原材料

试验所用铜尾矿砂来自云南省玉溪市某尾矿库见图1，铜尾矿砂密度为2.97 g/cm3，铜尾矿砂颗粒级配见表1，细度模数为3.4；将铜尾矿砂投入到小型球磨机SMΦ500×500 mm磨粉见图1，磨细铜尾矿粉密度为3.03 g/cm3，用勃氏比表面积仪测得磨细铜尾矿粉比表面积为680 m2/kg，其中铜尾矿粉的化学成分见表2；水泥：拉法基（红河）水泥有限公司生产的P·O 42.5 级水泥，其物理性能指标如表3；粗骨料为机轧碎石，粒径范围为5~10 mm，符合GB/T 14685—2011《建设用碎石卵石》要求；粉煤灰：I 级F 类；减水剂：云南瑞通减水剂有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率30%，最佳掺量为0.8%；水：自来水。

1.2 试验方法

测试铜尾矿粉透水混凝土的立方体抗压强度和抗折强度。制作150 mm 的立方体标准试件进行抗压强度试验，制作边长为150 mm×150 mm×550 mm 的标准试件进行抗折试验。试验方法和试件标准养护严格执行GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。透水系数的检测和连续孔隙率的测定严格执行CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》，具体过程不再转述。

2 试验配合比设计

透水混凝土从宏观上时由骨料、胶凝材料和气体3 项组分构成，为了满足透水混凝土由一定的透水性，配合比设计时需要预留出一定的空隙，透水混凝土的内部的孔隙率主要取决于骨料紧密堆积下间的间隙和胶凝材料的填充程度，并且在透水混凝土配合比设计时要严格控制水灰比，水灰比过小，骨料间不能形成很好的黏结强度且水泥水化不足，水灰比过大，流动性较大的浆液在施工和成型时会产生沉浆现象降低了透水混凝土的透水性。通过查阅前人的研究[1-3]可知，影响透水混凝土的强度的主要因素，为骨料粒径和水灰比，骨料的粒径越大，导致骨料间的接触点减少，其破坏主要由水泥石控制，不能充分发挥骨料的强度。本试验选用5~10 mm 的粗骨料，水灰比控制在0.25~0.35 之间。

由于透水混凝土需要的控制指标较普通密实混凝土多，目前国内外还没有关于透水混凝土配合比设计公认的方法，CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中推荐的透水混凝土设计方法与体积法相似是以设计孔隙为主要设计指标，也有学者通过利用人工神经网络的方法对透水混凝土强度、孔隙率、透水系数等指标进行非线性的设计并且建立了预测模型[4]，但是由于网络训练试验样本差异数量较少缺乏代表性。因此，在透水混凝土配合比设计时均需要根据实际情况进行试配调整。本次试验配合比设计采用体积法进行设计，以设计孔隙率为P=15%为设计控制指标，保证实际孔隙率在P=（15±2）%内，研究铜尾矿粉透水混凝土抗压强度、抗折强度、透水系数性能。试验铜尾矿粉透水混凝土配合比见表4。

本试验研究分为四项：

（1）将铜尾矿砂作为细骨料等量取代粗骨料按3个掺量掺入透水混凝土。

（2）将磨细后的铜尾矿粉作为矿物掺合料等量取代水泥，研究铜尾矿粉的活性和微集料效应。

（3）复掺粉煤灰和铜尾矿粉，按不同比例等量取代水泥，改性透水混凝土。

（4）总结前述试验，将每组试验效果较好的掺量选入配合比，并进行优化试验。

3 试验结果及分析

3.1 掺铜尾矿砂

试验分别掺入5%、10%、15%比例的铜尾矿砂，并以0掺量的S-0 为试验的基准对照组。

由表5 可知，随着铜尾矿砂的掺入量的增加透水系数逐渐降低，抗压抗折强度在掺量为15%时均较其他组均有明显提高，但透水系数下降较快，在掺量为15%时透水系数低于了CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中规定的1 mm/s。通过对压碎试件进行观察，发现随着铜尾矿砂的掺入增加透水混凝土的内部结构逐渐向普通密实混凝土接近，当掺量为5%时砂粒能很好的填充碎石粗骨料的凹角，使骨料更为圆润接触点均匀。掺量继续增加会堵塞连续空隙，导致透水系数明显降低，因此，认为铜尾矿砂的掺量为5%时合适的。

3.2 掺磨细铜尾矿粉

通过对比S-0 组分析该组试验结果，可以发现透水系数并没有明显变化，铜尾矿粉对透水系数的影响较小。由表6 观察可知，当铜尾矿粉掺量为5%时抗压和抗折强度较其他几组均有提高，铜尾矿粉的活性较低，通过SEM 扫描电镜观察如图2，发现掺入铜尾矿粉其致密程度更好微集料效应明显，过多掺入时会影响水泥强度的发展。铜尾矿粉掺入量为5%时比较合适。

3.3 复掺粉煤灰和铜尾矿粉及优化试验

为了改性铜尾矿粉透水混凝土强度，复掺了不同比例的粉煤灰。通过表6 可知，当粉煤灰总含量增加时透水系数逐渐下降，但28 d 后60 d 均有提高，特别是当铜尾矿粉和粉煤灰以1∶2 的比例替代15%水泥时，后期60 d 抗压强度增长明显。粉煤灰颗粒大多是球形的玻璃珠，它的加入减小了浆体与骨料间的界面摩擦，在骨料的接触点起滚珠轴作用，提高了新拌透水混凝土的流动性，所以浆液随着粉煤灰含量增加变稀，有少量沉浆现象降低了透水系数，但是降低并不明显基本能保证2 mm/s 左右的透水系数。同时，粉煤灰能够与水泥水化产物产生二次水化反应，由于这一反应较水泥熟料水化反应慢，因此前期强度提高不明显，但后期强度发展明显。因此FH-15-1/2、FH-10-1/2 两组试验在60 d 的抗压强度均接近了C30 的强度，优化试验SFH-5-15-1/2 甚至达到了C30 提高效果明显。

4 结论

（1）铜尾矿砂少量取代透水混凝土中的粗骨料可以提高透水混凝土的抗压和抗折强度，但是不宜超过5%，超过会导致透水系数下降严重。

（2）铜尾矿粉在可以作为微集料等量取代水泥，且其掺量不应超过5%。配合粉煤灰复掺对透水混凝土性能提高明显。

（3）通过本次试验研究建议铜尾矿透水混凝土配合比设计时：以5%铜尾矿砂等量取代取代粗骨料碎石，铜尾矿粉和粉煤灰以1∶2 的比例等量取代15%水泥。

（4）我国对铜尾矿的利用率较低，通过本次试验研究发现，铜尾矿在透水混凝土中的替代比例也不高，未来还应加强对铜尾矿利用的研究。