【《金尾矿混凝土物理力学性能探究报告》5200字】

金尾矿混凝土物理力学性能探究报告目录TOC\o"1-3"\h\u3301金尾矿混凝土物理力学性能探究报告 1200651.1引言 1138921.2物理性能分析 275541.2.1密度分析 3243861.2.2吸水率分析 3304681.2.3抗压强度分析 436911.2.4抗折强度分析 528531.3基于Design-Expert的配合比优化 6285051.1.1基于Design-Expert密度分析 625631.1.2基于Design-Expert吸水率分析 784151.1.3基于Design-Expert抗压强度分析 7127191.1.4基于Design-Expert抗折强度分析 885181.4SEM微观分析 8178831.4.1不同金尾矿掺量的微观分析 8127371.4.2不同金尾矿粒径的微观分析 101.1引言近年来，随着黄金的开发规模越来越大，导致作为黄金开采中的副产品黄金尾矿，其数量也在不断的增加。据统计，进入21世纪以来，我国黄金尾矿累计产量为12亿吨以上，然而目前黄金尾矿的综合利用率仅为18.9%。金尾矿的大量堆积不仅存在重大的安全隐患，而且大量未处理的金尾矿污染着周边的环境。因此，金尾矿的处理成为企业乃至国家需要亟需解决的问题。尽管目前金尾矿研究及应用的领域日益广泛，但金尾矿仍不能得到高效的利用，且随着我国建筑业的不断发展，导致作为混凝土细骨料的天然砂资源日趋匮乏。针对以上问题，本试验利用金尾矿砂以不同比例替代天然砂制备普通C30混凝土，不仅提高了金尾矿的利用率，而且大大降低了混凝土的制备成本。通过大量试验，分析了金尾矿砂掺量及粒径对普通C30混凝土密度及力学性能的影响，并进行优化设计，为实际工程中在配比设计方面提高金尾矿混凝土的力学性能提供理论依据。本章试验涉及到的力学性能主要包括：抗压强度、抗折强度。试验中金尾矿混凝土配合比如表3-1所示。表3-1混凝土配合比设计Table3-1concretemixproportiondesign编号水泥/g粉煤灰/g金尾矿砂/g天然砂/g石子/g水/g金尾矿砂粒径/mmA132213806081082230＜4.75mmA2322138182.4425.61082230＜4.75mmA33221383043041082230＜4.75mmA4322138425.6182.41082230＜4.75mmA532213860801082230＜4.75mmB1322138182.4425.61082230＜4.75mmB2322138182.4425.610822301.18-2.36mmB3322138182.4425.610822300.60-1.18mmB4322138182.4425.610822300.30-0.60mmB5322138182.4425.610822300.15-0.30mm1.2物理性能分析按照表3-1所示的配合比，对金尾矿混凝土进行制备，并对相应的吸水率、密度、抗压强度、抗折强度进行测试，测试结果如表3-2所示。表3-2测试结果Table3-2testresults编号吸水率/%密度kg/m328d抗压强度/MPa28d抗折强度/MPaA11.69219630.41.57A22.26225840.54.44A32.54225739.54.42A41.13223436.54.03A51.36222831.51.82B11.7225840.54.44B22.58226341.34.56B32.79226139.24.47B42.85226038.04.22B51.69224537.44.14本试验首先分别分析金尾矿掺量及金尾矿粒径对C30普通混凝土密度、吸水率、抗压强度及抗折强度的影响，并找出影响规律。然后用软件Design-expert对金尾矿混凝土的物理性能进行全面综合分析。Design-expert现已广泛应用于多因素试验的设计和分析中。根据表3-2中设置的影响因素，以及最终测得的密度、吸水率、抗压、抗折强度试验数据，应用Design-expert软件对试验结果进行分析，从而判定各因素对金尾矿混凝土综合物理性能的影响程度。1.2.1密度分析将不同配合比的金尾矿混凝土进行表观密度测试，测试结果如图3-1、图3-2所示。由图1.1可知，随着金尾矿砂掺量的增加，混凝土的密度呈现出先增加后减小的变化规律，当金尾矿砂掺量为30%时，混凝土的密度最高。分析原因是金尾矿砂的掺量30%时，混凝土中的骨料形成了良好的级配，此时金尾矿混凝土内部最密实，所以密度增大；由于金尾矿砂的粒度与河砂不同，所以随着金尾矿砂掺量继续增加，混凝土内部开始出现孔隙，使混凝土的密度开始降低。图3-1密度与掺量的曲线图图3-2密度与粒径的曲线图Figure3-1curveofdensityanddosageFigure3-2curveofdensityandparticlesize由图3-2可知，金尾矿的粒径在2.36～1.18mm范围内时，混凝土的密实度最高。金尾矿粒径过大或者过小，均会使混凝土的密度下降，分析原因主要是当掺入的金尾矿砂的颗粒较细时，其与河砂的粒径不能形成良好的级配，颗粒表面吸附的水量增加，从而造成混凝土浆体的流动性变差，内部微孔数量增多；当掺入的金尾矿砂的颗粒粒度较粗时，细骨料之间的孔隙不能完全被填充，所以金尾矿内存在较多的大孔，从而影响了金尾矿混凝土的密实度。1.2.2吸水率分析对不同金尾矿掺量及金尾矿粒径的混凝土进行吸水率试验并分析，得到如图3-3、图3-4的测试结果。图3-3吸水率与掺量的曲线图图3-4吸水率与粒径的曲线图Figure3-3curveofwaterabsorptionandFigure3-4curveofwaterabsorptionandparticledosagesize由图3-3可以看出，当金尾矿砂的掺量为0%时，金尾矿混凝土的吸水率最高，随着掺量的继续增加，金尾矿混凝土的吸水率逐渐降低，说明金尾矿混凝土的内部结构逐渐密实，有害气孔逐渐减少；当金尾矿砂的掺量为30%时，金尾矿混凝土的吸水率最低，说明此时的金尾矿混凝土的密实度最高；当金尾矿砂掺量持续增加时，金尾矿混凝土的吸水率快速上升，后来吸水率变化虽然缓慢但仍是呈现上升趋势并且吸水率仍然低于普通混凝土，进一步说明金尾矿砂的最佳掺量为30%。金尾矿混凝土的吸水率随替代粒径的变化如图3-4所示，从图中我们可以看出，金尾矿混凝土的吸水率先随着掺入金尾矿砂的粒径变细而下降当掺入的粒径为2.36～1.18mm时，金尾矿混凝土的吸水率最低；随后金尾矿混凝土的吸水率开始逐渐变大，虽然最后吸水率的变化速度相比以前开始缓慢，但仍然为上升趋势。分析原因为细骨料在在合理的粒径范围内，内部颗粒分布最为均匀，内部空隙填充较为严密。1.2.3抗压强度分析选择5种河砂不同替代率下金尾矿混凝土抗压强度与掺量的关系如图3-5所示，测试河砂替代率为0%，30%，50%，70%，100%的金尾矿混凝土28天抗压强度。通过图3-5可以看出当随着金尾矿砂掺量的增多，金尾矿混凝土的抗压强度在不断的增加，当金尾矿的替代率达到30%，混凝土的抗压强度最高，可以达到40MPa以上；当河砂被替代比例继续升高时，混凝土强度逐渐降低，但是抗压强度仍然高于不掺加金尾矿砂的混凝土的强度。分析原因是当金尾矿砂掺量为30%时，细骨料的级配良好，制备的金尾矿混凝土水泥水化相对较优，内部结构较为致密强度较高。图3-5掺量与抗压强度的曲线图图3-6粒径与抗压强度的曲线图Figure3-5curveofmixingamountandFigure3-6curveofparticlesizeandcompressivestrengthcompressivestrength在此基础上，为探究不同粒径对混凝土强度的影响，采用不同粒径的金尾矿砂去代替河砂制备混凝土。其与金尾矿混凝土抗压强度的关系如图3-6所示。其中组别B1～B5分别表示掺入粒径为4.75mm以下连续粒径、2.36～1.18mm、1.18～0.60mm、0.60～0.30mm、0.3mm～0.15mm。从图3-6可以看出当掺入的金尾矿砂为4.75mm以下连续粒径时，金尾矿混凝土强度达到了40MPa以上，符合C30混凝土的设计强度。随着掺入的粒径逐渐变细，金尾矿混凝土的抗压强度呈现上升趋势。当掺入的粒径变小时，金尾矿混凝土抗压强度迅速下降，当最终强度仍然高于普通混凝土。造成这种试验结果是原因是，当掺入的粒径为2.36～1.18mm时，金尾矿混凝土级配最合理，随着粒径变细，细骨料的表面积变大，需要与更多的水泥进性结合，混凝土的工作性能降低，强度也随之降低。1.2.4抗折强度分析用河砂被不同替代比例的细骨料制备金尾矿混凝土，在标准养护室养护到28天后，并进行抗折强度的测试，这其中包含着金尾矿砂的替代率以及不同金尾矿砂的粒径。河砂5种不同替代率与金尾矿混凝土抗压强度的关系如图3-7所示。从图3-7可以看出随着金尾矿砂掺量的变化，金尾矿混凝土的强度也在发生着不同程度的变化，这其中存在着最佳的掺量。养护龄期为28天时，抗折强度最大值在金尾矿砂掺量为30%，金尾矿混凝土的抗折强度相比较未掺加金尾矿砂的制备的混凝土的抗折强度分别提高了28.0%，27.4%，16.1%，10.1%。从分析数据可知：金尾矿砂的掺入可以提高混凝土的抗折强度，但掺入过多会导致抗折强度下降，最终的抗折强度仍然比不掺加金尾矿砂的混凝土抗折强度高；当以抗折强度作为考核指标时，金尾矿混凝土的最优替代率为30%。图3-7掺量与抗折强度的曲线图图3-8粒径与抗折强度的曲线图Figure3-7curveofcontentandflexuralFigure3-8curveofparticlesizeandflexuralstrengthstrength由图3-8可以看出，金尾矿混凝土的抗折强度随着掺入粒径的变化呈现出先上升随后下降趋势。当掺入粒径为2.36～1.18mm时抗折强度出现峰值；随着掺入粒径变为1.18～0.60mm时，金尾矿混凝土的抗折强度出现下降趋势，且抗折强度与掺入4.75mm以下连续粒径的混凝土的抗折强度相近；当掺入粒径为0.60～0.30mm时相对前一级的抗折强度下降尤为明显；当掺入粒径为0.30～0.15mm时，抗折强度变化速度变慢。从数据分析可知：当掺入粒径为最小时，金尾矿混凝土的强度最低，抗折强度为4.14MPa，比未掺加金尾矿砂的混凝土的抗折强度增长19.3%。当以抗折强度作为考核指标时，金尾矿混凝土的最优掺入粒径为2.36～1.18mm。1.3基于Design-Expert的配合比优化将金尾矿的掺量及粒径作为自变量，密度、吸水率、抗压强度及抗折强度作为因变量，利用软件Design-Expert进行分析。1.1.1基于Design-Expert密度分析利用Design-Expert对金尾矿混凝土的密度分析结果如图1.9所示。由图3-9可清楚的观察，金尾矿混凝土的密度与金尾矿粒径及金尾矿掺量的相对关系，且有最终计算结果发现，金尾矿掺量的F值要大于金尾矿粒径的F值，说明金尾矿粒径对混凝土密度的影响程度要大于金尾矿掺量。(a)密度残差图(b)密度响应曲面图3-9密度曲面分析Figure3-9densitysurfaceanalysis1.1.2基于Design-Expert吸水率分析(a)吸水率残差图(b)吸水率响应曲面图1.10吸水率曲面分析Figure3-10waterabsorptionsurfaceanalysis利用Design-Expert对金尾矿混凝土的吸水率进行分析，分析结果如图3-10所示。由图1.10可以发现，金尾矿混凝土的吸水率与金尾矿粒径及金尾矿掺量的相对关系，且有最终计算结果发现，金尾矿掺量的F值大于金尾矿粒径的F值，说明金尾矿粒径对混凝土吸水率的影响程度要大于金尾矿掺量。1.1.3基于Design-Expert抗压强度分析利用Design-Expert对金尾矿混凝土的抗压强度分析结果如图1.11所示。利用Design-Expert对金尾矿混凝土的抗压强度进行分析，分析结果如图3-11所示。由图3-11可以发现，金尾矿混凝土的抗压强度与金尾矿粒径及金尾矿掺量的相对关系，且有最终计算结果发现，金尾矿掺量的F值大于金尾矿粒径的F值，说明金尾矿粒径对混凝土抗压强度的影响程度要大于金尾矿掺量。(a)抗压强度残差图(b)抗压强度响应曲面图3-11抗压强度曲面分析Figure3-11compressivestrengthsurfaceanalysis1.1.4基于Design-Expert抗折强度分析利用Design-Expert对金尾矿混凝土的抗折强度分析结果如图3-12所示。(a)抗折强度残差图(b)抗折强度响应曲面图3-12抗折强度曲面分析Figure3-12bendingstrengthsurfaceanalysis利用Design-Expert对金尾矿混凝土的抗折强度进行分析，分析结果如图3-12所示。由图3-12可以发现，金尾矿混凝土的抗折强度与金尾矿粒径及金尾矿掺量的相对关系，且有最终计算结果发现，金尾矿掺量的F值大于金尾矿粒径的F值，说明金尾矿粒径对混凝土抗折强度的影响程度要大于金尾矿掺量。1.4SEM微观分析1.4.1不同金尾矿掺量的微观分析根据前面对掺加金尾矿砂混凝土力学性能的分析以及软件Design-Expert优化结果，分别选取金尾矿砂替代河砂为0%、30%、50%、100%的混凝土进行微观结构分析，分析结果如图3-13所示。(a)金尾矿掺量0%(b)金尾矿掺量30%(c)金尾矿掺量50%(d)金尾矿掺量100%图3-13SEM掺量分析结果Figure3-13SEMcontentanalysisresults对比图3-13中的(a)-(d)可知，混凝土的内部水化均较好，生成了较多的水化产物，这是混凝土获得力学性能的关键。当金尾矿砂掺量由0%增加到30%可以发现，混凝土内部的孔隙减少。金尾矿砂掺量30%的混凝土内部结构更为致密，而金尾矿砂掺量0%的混凝土内部有较多的小孔。结合抗压强度的分析结果可知，金尾矿的适量掺入使混凝土内部的级配更加合理，所以混凝土的内部空隙率降低，致密的微观结构使混凝土拥有了更高的抗压强度；当金尾矿砂的掺量继续增加至50%，混凝土中孔的数量要多于金尾矿砂掺量30%的混凝土，但是要少于未掺加金尾矿砂的混凝土。这与抗压强度的分析结果吻合，主要还是由于孔的数量引起混凝土抗压强度的变化，故50%金尾矿砂掺量的混凝土，其抗压强度介于金尾矿砂掺量0%-30%之间；当金尾矿砂完全替代天然砂时（图3-13(d)），由于混凝土内部的颗粒没有形成良好的梯度分配，出现了较多的孔隙，与金尾矿掺量为0%时制备的混凝土的孔的数量接近，抗压强度也出现了下降的现象，不过其抗压强度仍然要高于未掺量金尾矿砂的混凝土。而金尾矿混凝土内部的孔隙对于金尾矿混凝土的抗折强度也同样重要，由以上分析可知，金尾矿掺量30%时，混凝土的抗折强度最高，较未掺加金尾矿的混凝土抗折强度提高了28%。这就说明，金尾矿掺量30%的抗折强度的规律与抗压强度一致，此时金尾矿混凝土的内部结构最致密，力学性能最优。以上的SEM分析验证了抗压强度及抗折强度的测试结果，随着掺