《Case Studies in Construction Materials》：Gold tailings sand to prepare eco-friendly ultra-high performance concrete matrix: A synergistic approach to fine aggregate-cementitious material packing density for performance enhancement
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一种环保型超高性能混凝土（UHPC）基体采用分级金尾矿砂（GTS）作为唯一骨料制备而成。基于均质超细颗粒致密体系（DSP）理论，本研究建立了具有高拟合优度（R2 > 0.9）的D-最优设计（DOD）预测回归模型。研究考察了配合比对金尾矿砂超高性能混凝土（GTS
一种环保型超高性能混凝土（UHPC）基体采用分级金尾矿砂（GTS）作为唯一骨料制备而成。基于均质超细颗粒致密体系（DSP）理论，本研究建立了具有高拟合优度（R2 > 0.9）的D-最优设计（DOD）预测回归模型。研究考察了配合比对金尾矿砂超高性能混凝土（GTSUHPC）基体流动性、力学性能和湿堆积密实度（WPD）的影响，确定最佳胶骨比为0.67。影响GTSUHPC基体性能的最关键因素被确定为硅灰掺量。随后，系统研究了不同硅灰掺量（0%、5%、7.5%、10%、12.5%）对GTSUHPC基体WPD、力学性能、耐久性、微观结构和分形维数的影响。结果表明，在10%硅灰掺量下，GTSUHPC基体达到最大WPD 0.779，实现胶凝材料的紧密堆积。其28天抗压强度和抗折强度分别达到122.0 MPa和20.8 MPa。其抗冻融性和抗硫酸盐侵蚀性能均达到最优。微观结构分析表明，GTSUHPC基体表现出更致密的内部结构和更丰富的水化产物种类。此外，分形维数达到最大值2.091。同时，WPD与力学性能和耐久性能均表现出显著的线性相关性。本研究实现了骨料与胶凝材料的致密堆积，不仅为优化UHPC性能提供了理论依据，还提供了一种实用的新途径。该方法可有效降低制造成本、减少水泥消耗和降低碳排放，同时也为GTS的大规模应用提供了新思路。
**论文解读：基于金尾矿砂与胶凝材料堆积密实度协同优化的环保型超高性能混凝土基体**
**一、研究背景与问题提出**
随着建筑结构向高层化、大跨度和海洋工程方向发展，对混凝土性能的要求已从单一力学强度转向力学性能与耐久性的协同提升。超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）凭借其优异的力学强度和耐久性能，成为极端荷载和环境条件下工程结构的理想建筑材料。然而，传统UHPC面临两大核心问题：其一，水泥用量极高（约为普通混凝土的3至4倍），导致较高的生产成本和显著的二氧化碳排放；其二，对骨料质量要求严苛（通常采用级配良好的石英砂或河砂），进一步限制了其大规模推广应用。
已有研究多集中于利用活性胶凝材料部分替代水泥、以更细骨料替代石英砂、优化颗粒堆积和改善养护方式等途径。尽管多项研究探索了固体废弃物对石英砂或河砂的部分替代，但完全以固体废弃物作为细骨料的研究仍较为缺乏，特别是采用金尾矿砂（Gold Tailings Sand, GTS）这类超细骨料制备UHPC的研究极为有限。此外，胶凝材料级配对UHPC性能的影响也尚未得到充分研究。值得注意的是，在低水胶比条件下，UHPC中部分水泥的水化反应可能不充分，这暗示了水泥利用效率方面存在潜在问题并提供了优化空间。
金尾矿砂是金矿提取贵金属过程中产生的固体废弃残渣，其大量堆积带来了诸多环境挑战。与河砂和石英砂相比，金尾矿砂颗粒更细、棱角更尖锐，限制了其作为骨料在混凝土生产中的应用。已有研究表明，随着金尾矿砂替代率的增加，混凝土强度持续呈下降趋势。由于金尾矿砂过细的粒径和不良级配，100%替代骨料将导致强度显著降低，从而对其大规模应用构成挑战。然而，当金尾矿砂作为细骨料使用时，可以发挥填充和位效效应，有助于在混凝土基体内形成更致密的微观结构，从而提升UHPC的力学性能。同时，由于金尾矿砂中粒径小于75 μm的颗粒占比超过29%，其中部分颗粒尺寸接近水泥颗粒，可作为填充料替代未水化水泥颗粒，从而减少水泥用量。
**二、研究目的与意义**
本研究旨在探索以分级金尾矿砂（GTS）作为唯一细骨料制备准均质UHPC的可行性，基于致密颗粒堆积理论，通过实现细骨料和胶凝材料的双重致密堆积，降低UHPC的空隙率，从而提升力学性能和耐久性。该研究不仅为UHPC性能优化提供了理论依据，还为实现固体废弃物优化利用、降低生产成本、减少水泥消耗和碳排放提供了兼具工业与社会双重效益的新途径。该论文发表在《Case Studies in Construction Materials》。
**三、研究技术与方法**
研究人员采用D-最优设计（D-optimal Design, DOD）方法建立预测回归模型，以湿堆积密实度（Wet Packing Density, WPD）和最优力学性能为主要目标，确定水泥、粉煤灰、硅灰和GTS的最佳配合比。通过单因素实验识别影响WPD的关键因素。采用X射线荧光光谱分析（XRF）和X射线衍射分析（XRD）表征原材料化学组成和矿物组成。依据Kwan提出的测试程序评价WPD，按照BS-EN-196-1标准进行力学性能测试，参照ASTM C666和GB/T 50082-2009进行冻融循环试验，采用5%硫酸钠溶液进行抗硫酸盐侵蚀试验，采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察微观结构，利用MATLAB软件通过盒计数法计算分形维数。原材料来源包括：水泥购自中国羊春山水泥公司，硅灰购自吉林磐石山威硅灰石矿业公司，粉煤灰购自灞桥电厂，金尾矿砂取自陕西潼关县中金公司尾矿库。
**四、研究结果与讨论**
**1. DOD方法建立GTSUHPC基体及模型充分性分析**
基于构建的模型共获得20组试验配比，测定了各组7天抗压强度、28天抗压强度、7天抗折强度、28天抗折强度、流动性和WPD。通过回归分析建立了6个拟合模型，可预测GTSUHPC基体的各项性能。方差分析表明，所有响应值的预测值与实际值之间均存在显著相关性，R2和校正R2均超过0.9，P值均小于0.0001，表明DOD拟合结果具有较高的可靠性和预测精度。
**2. 配合比对UHPC基体基本性能的影响**
研究人员通过轨迹图和三维响应曲面图分析了各变量对GTSUHPC基体性能的影响。在7天抗压强度预测模型中，硅灰和粉煤灰对早期强度产生负面影响，而GTS含量对早期强度表现出高响应性。在28天抗压强度预测模型中，硅灰含量曲线斜率陡峭，表明硅灰是影响28天抗压强度最显著的因素，其次是GTS含量。硅灰凭借其填充效应和火山灰活性，可显著促进28天抗压强度发展，增加胶凝材料堆积密度并生成大量水化硅酸钙（C-S-H）。在7天和28天抗折强度预测模型中，硅灰和GTS均表现出显著影响。对流动性而言，水泥和GTS含量对流动性高度敏感，呈近似线性关系；GTS的棱角形状会增加骨料间摩擦，对流动性产生负面影响；硅灰因其微小粒径、大比表面积和高表面能导致颗粒团聚，也会降低流动性。对WPD而言，GTS含量对WPD的影响呈陡峭且显著的线性相关，硅灰比例对WPD具有重要影响，适量硅灰可填充空隙促进致密化，但过量添加会破坏颗粒堆积结构。
**3. 优化GTSUHPC基体性能评价**
通过DOD模型数值优化确定最佳胶骨比为0.67，胶凝材料中水泥、硅灰、粉煤灰的用量分别为487.2 kg/m3、210 kg/m3和142.8 kg/m3。验证实验表明，所有ARD值均在2%以内，证实模型预测的可靠性。WPD随硅灰掺量增加逐渐增大，在10%硅灰掺量时达到最大值0.779，表明此时GTSUHPC基体达到最致密堆积状态。当硅灰掺量超过10%后，过量硅灰导致颗粒团聚，WPD下降。
**4. 力学性能**
硅灰掺量对GTSUHPC基体力学性能影响显著，随硅灰掺量增加，抗压和抗折强度均呈现先增后降趋势。SF10组（10%硅灰）表现出最高的28天抗折强度和抗压强度，分别达到20.8 MPa和122.0 MPa。与SF0组相比，28天抗折强度提高41.43%，28天抗压强度提高48.78%。7天强度增幅不显著，而28天强度明显提升，这归因于硅灰的火山灰活性、填充效应和成核效应。当硅灰掺量超过10%后，其负面影响无法被抵消，力学性能转而下降。
**5. CO?排放与成本评价**
采用材料可持续性指数评估GTSUHPC基体的碳足迹和成本。与相似强度等级的UHPC基体相比，GTSUHPC基体的CO?排放量降低了41.52%和42.90%，制造成本降低了23.22%和10.88%。采用GTS作为UHPC骨料可有效发挥其细骨料的填充效应，在0.24的较高水胶比下仍能制备具有优异力学性能的UHPC基体，既减少了胶凝材料消耗和碳排放，又显著降低了UHPC的整体成本。
**6. 抗冻融循环性能**
经过400次冻融循环后，SF0组质量损失率最高，但也仅为1.34%。随着硅灰掺量增加，质量损失率相应降低，在10%硅灰掺量时达到最小值0.73%。SF10组相对动弹性模量为94.3%，较SF0组提高5.13%。适量硅灰的掺入有效填充了水泥和/或粉煤灰形成的空隙，降低了基体孔隙率，促进水化硅酸钙凝胶形成，显著增强了抗冻融性能。
**7. 抗硫酸盐侵蚀性能**
在5%硫酸钠溶液中浸泡120天后，SF0组质量损失率最高为0.24%，SF10组最低仅为0.13%。SF10组在浸泡120天后硫酸盐侵蚀系数达到95.89%，为各组最高。适量硅灰可优化胶凝材料级配，降低基体孔隙率，致密化基体结构，减少硫酸根离子渗透，抑制腐蚀产物生成，从而显著增强抗硫酸盐侵蚀能力。
**8. SEM微观结构分析**
SF0组试样中观察到大量氢氧化钙晶体，界面过渡区（ITZ）存在一些裂缝。SF10组试样表现出更均匀的微观结构，硅灰的掺入促进了针状钙矾石、C-S-H等水化产物的形成，降低了孔隙率，增加了基体密度。但当硅灰掺量超过10%后，其较大需水量提高了浆体粘度，导致气泡难以排出，增加了开裂和孔隙。
**9. 分形维数分析**
随着硅灰掺量增加，GTSUHPC基体的分形维数先增后降。在10%硅灰掺量时达到最大分形维数2.091，而未掺硅灰时为2.077。掺入适量硅灰使基体形成更复杂的断面结构，增加了微裂纹扩展所需的能量，从而提高了力学性能和耐久性。
**10. WPD与GTSUHPC基体性能的关系**
WPD与GTSUHPC基体的7天和28天抗压强度、7天和28天抗折强度均呈现显著的正线性相关，所有相关系数均超过0.9。WPD与冻融循环和硫酸盐侵蚀后的相对动弹性模量及质量损失率同样表现出显著线性关系，相关系数均超过0.9。当WPD达到最大值时，GTSUHPC基体内部孔隙和微裂纹显著减少，有效缓解了冻融循环和硫酸盐侵蚀造成的损伤。
**五、研究结论**
本研究基于DSP理论，采用分级GTS作为细骨料，水泥、粉煤灰和硅灰作为胶凝材料制备了UHPC基体，得出以下主要结论：（1）利用DOD方法建立了模拟GTSUHPC基体性能与配合比关系的回归模型，确定最佳胶骨比为0.66，为固体废弃物GTS的高效利用提供了新途径，同时降低了UHPC成本和碳排放。（2）硅灰掺量对GTSUHPC基体力学性能具有双重影响，10%掺量时28天抗压和抗折强度分别提高48.78%和41.43%，达到峰值122 MPa和20.8 MPa。（3）硅灰掺量对耐久性能同样具有双重影响，10%掺量时抗冻融性能最优，质量损失率仅0.73%，相对动弹性模量为94.3%；在5%硫酸钠溶液中浸泡120天后硫酸盐抗蚀系数为95.89%。（4）WPD与GTSUHPC基体的力学和耐久性能呈显著线性关系，相关系数均超过0.9。
**六、研究局限性**
金矿石的选矿工艺因方法和地域不同存在显著差异，可能导致金尾矿砂的粒径分布和化学组成出现批次间不一致，影响UHPC在实际应用中的性能稳定性。因此，有必要采用非线性颗粒堆积模型对超细GTS进行均质化处理并实现合理级配。此外，由于时间限制，GTSUHPC的长期性能仍需深入研究和验证。
