基于离散元法的含铅锌尾矿砂自密实混凝土细观分析

《Case Studies in Construction Materials》：Mesoscopic analysis of self-compacting concrete incorporating lead-zinc tailings sand based on the discrete element method

　　

摘要
尾矿砂在混凝土中的资源化利用日益受到关注，然而控制孔隙演化与破坏行为的细观尺度机制仍未被充分理解。本研究采用铅锌尾矿（LZT）以0%–50%的替代率部分替代天然河砂，研究其对自密实砂浆（SCM）和自密实混凝土（SCC）工作性能、抗压强度及孔结构的影响，并分析了裂纹扩展与破坏特征。基于试验结果，建立了考虑配合比、原材料性能及孔隙率的细观离散元模型。定义了不同类型接触及其力学性能，并通过标定接触参数模拟了从弹性阶段至最终破坏的完整力学响应。结果表明，SCM和SCC分别在40%替代率下取得最大抗压强度79.51 MPa，及在30%替代率下取得82.84 MPa，较对应基准试件分别提高了21.65%和8.9%。细观模拟表明，粗骨料–胶凝基体（CA–C）接触是最薄弱界面并控制裂纹扩展，而胶凝基体–胶凝基体（C–C）接触对最终破坏模式起关键作用。裂纹取向由随机分布演变为方向性集中分布，主要集中在90°–120°范围，从细观尺度揭示了宏观破坏的发展过程。本研究开发了含LZT砂且抗压强度超过70 MPa的高性能SCC，并建立了模拟其力学响应和裂纹演化的细观建模方法。上述发现为尾矿在混凝土中的资源化利用提供了科学依据和可靠的细观分析方法。

基于离散元法的含铅锌尾矿砂自密实混凝土细观分析——论文解读

一、研究背景与问题提出

自密实混凝土（SCC）具有优良的流动性、填充性和抗离析性，可在无需振捣的条件下实现密集配筋区域和受限空间内的密实浇筑，因而广泛应用于桥梁、隧道、大体积混凝土结构及高层建筑。细骨料是影响SCC整体性能的重要组分，其颗粒级配、形态和表面特性会改变颗粒间摩擦、浆体流动阻力及颗粒堆积状态，进而影响界面过渡区（ITZ）和孔结构。因此，合理选择细骨料对保证SCC的工作性能、力学性能和耐久性至关重要。

随着基础设施的持续发展，天然河砂资源日益匮乏，开发可持续的细骨料替代材料成为混凝土材料领域的重要研究方向。与此同时，大规模采矿活动产生大量矿业固体废弃物。尾矿具有产生量大、成分复杂、长期稳定性不足等特点，长期堆存不仅占用大量土地资源，还可能造成环境污染和工程安全隐患。将尾矿用于建筑材料，可降低其长期堆存的环境负担，同时缓解天然骨料短缺问题，具有明确的资源和环境效益。

近年来，铁尾矿、铜尾矿和钼尾矿已被用作混凝土中天然细骨料的替代材料。已有研究表明，在适当替代范围内，尾矿颗粒可改善颗粒级配、发挥微填充效应并细化孔结构，使混凝土保持或获得良好的力学性能和耐久性。铅锌尾矿（LZT）是铅锌矿石开采和选矿过程中产生的主要固体副产品，其产生量通常远大于所得精矿。由于LZT含有残留重金属（如Pb和Zn）及硫化物矿物，其利用须同时满足材料性能要求和重金属浸出安全要求。已有研究将LZT掺入不同水泥基材料体系，验证了其再利用的可行性。例如，将LZT掺入熟料和水泥后，材料具有足够的力学强度，且重金属浸出量降低了75%–85%；经预煅烧的LZT可作为硫酸盐活化组分生产高硫酸盐水泥；LZT还可用于改性磷酸镁水泥，改善工作性能并降低水化放热；将LZT及其浸出残渣掺入混凝土后，重金属可被水泥基体有效固化，浸出浓度满足相关限值要求；此外，在超高性能混凝土中以LZT替代10%石英砂，可实现90天抗压强度超过130 MPa并对重金属的完全固化。

然而，现有研究主要将LZT作为胶凝组分或低掺量填料使用，直接将其作为细骨料替代物应用于自密实混凝土的研究相对有限。以往研究多聚焦于工作性能和抗压强度等宏观指标，对内部细观损伤演化和破坏机制的直接研究仍不充分。此外，这类混凝土破坏过程的分析仍主要依赖试验方法，能够揭示内部界面破坏和裂纹演化的数值研究相对缺乏。因此，有必要将试验表征与数值模拟相结合，建立宏观性能与细观结构演化之间的关系。在混凝土细观破坏过程的数值研究方法中，离散元法（DEM）能够基于颗粒及其接触表征混凝土的非均质结构，通过赋予粗骨料、细骨料和水泥浆体等不同接触类型相应的接触本构模型，模拟界面损伤及裂纹的萌生、扩展和汇合，为分析含LZT砂SCC的内部损伤演化和破坏行为提供了有效途径。

二、研究内容与总体结论

针对上述研究空白，研究人员以体积替代率0%–50%的LZT砂替代天然河砂，系统研究了自密实砂浆（SCM）和SCC的工作性能、力学性能和孔结构。该对比试验方案旨在评估LZT砂的影响并识别其在砂浆和混凝土中的不同作用。基于材料组成、实际配合比和X射线计算机断层扫描（X-CT）获得的孔隙特征，建立了包含粗骨料、天然河砂、LZT砂和水泥浆体的多相三维离散元模型，明确区分了不同材料相之间的六种接触类型，并进行了模型尺寸敏感性分析以平衡细观代表性与计算效率。利用该模型模拟了SCC在加载下的力学响应、损伤发展和裂纹演化，特别关注各加载阶段不同接触类型的损伤特征。通过宏观测试、X-CT表征和三维DEM模拟的整合，本研究建立了宏观性能、孔结构和细观损伤演化之间的关系，为理解含LZT砂SCC的力学行为和破坏过程提供了依据。

研究得出以下总体结论：LZT砂的掺入对SCM和SCC的强度具有先提升后降低的影响，二者分别在40%和30%替代率下取得最佳性能；LZT的微填充效应可有效细化孔结构，降低孔隙率并使孔径分布更集中；所建立的细观模型能够高精度地重现SCC的应力–应变响应和裂纹演化过程；CA–C接触和C–C接触分别主导了裂纹萌生与最终破坏路径的形成。该研究开发了抗压强度超过70 MPa的含LZT砂高性能SCC，建立了模拟其力学响应和裂纹演化的细观建模方法，为尾矿在混凝土中的资源化利用提供了科学依据。

三、关键技术与方法

研究人员采用试验与数值模拟相结合的研究路径。试验部分包括：依据EFNARC规范和相应国家标准进行SCM和SCC的工作性能测试；依据GB/T 17671–2021和GB/T 50081–2019分别测定SCM和SCC在3、7、28天龄期的抗压强度，其中SCM使用40 mm立方体试件（每组6个），SCC使用100 mm立方体试件（每组3个）；采用X-CT对30 mm立方体试件进行加载前扫描，经三维重建和图像分割提取孔隙率、孔径分布和孔体积分数等参数；采用X射线衍射（XRD）分析SCM中水化产物的物相组成。数值模拟部分采用三维离散元法，建立了包含水泥浆体、河砂、LZT砂、粗骨料和孔隙的多相细观模型，其中水泥浆体以0.3 mm球形颗粒表示，粗骨料以团粒（clump）形式生成以再现其不规则几何形态，细骨料按筛分所得级配生成并按实际配合比配比，模型孔隙率由X-CT结果确定。模型尺寸经6种边长（100、50、30、20、15、10 mm）的对比分析后选定15 mm模型（含约46,359个颗粒），以平衡计算效率和结构代表性。颗粒间接触采用线性平行键模型（LPBM），颗粒–墙接触采用线性模型。基于试验应力–应变曲线逐步标定了各接触类型的细观参数。所有试件均由四川农业大学土木工程学院制备和测试。

四、研究结果

4.1 工作性能分析

随着LZT替代率增加，SCM的扩展度和稠度持续下降，MT50较MT0分别降低14.2%和15.4%，主要归因于LZT砂的棱角形态和高比表面积增强了颗粒间互锁效应。SCC的坍落流动度在10%替代率下达到最大值779.5 mm（较CT0高4.4%），随后逐渐下降，T500流动时间从4.27 s持续增加至12.23 s。SCM对LZT替代率增加的工作性能敏感性高于SCC。

4.2 力学性能分析

SCM在40%替代率下取得各龄期最高抗压强度（3天51.91 MPa、7天63.29 MPa、28天79.51 MPa），较MT0分别提高12.1%、10.4%和21.6%。SCC在30%替代率下取得最高强度（3天56.19 MPa、7天69.79 MPa、28天82.84 MPa），较CT0分别提高18.6%、16.5%和8.9%。低于最优替代率时，LZT细颗粒的微填充和晶核效应改善了颗粒堆积并密实了ITZ；超过最优替代率后，过量LZT颗粒阻碍水泥水化、减少水化产物生成，导致ITZ相对多孔，强度下降。

4.3 孔结构分析

4.3.1 孔隙率

SCM和SCC的孔隙率随LZT替代率增加均呈先降后升趋势。MT40和CT30取得最低孔隙率0.60%和1.09%，较基准试件分别降低56.5%和45.0%；50%替代率下孔隙率分别增至2.14%和2.75%。CT切片分析表明，低中替代率下孔隙分布相对均匀，高替代率下出现连续性高孔隙率区域，空间非均匀性显著增强，且SCC的切片间孔隙率波动大于SCM。

4.3.2 孔隙形态

孔隙球形度在不同替代率下均保持在0.97–1.00范围内，表明孔隙形态高度规则。分形维数对LZT替代率更为敏感，呈先降后升趋势。MT40和CT30取得最低分形维数1.74，较基准试件降低8.9%，表明最优替代率下LZT细颗粒的填充效应和水化产物的均匀分布有效降低了孔隙边界的曲折度和粗糙度。

4.3.3 孔径与孔体积分布

SCM和SCC的孔径分布均以小尺度孔隙为主，多数孔径集中在250–500 μm范围。在20%–40%替代率下，SCM的微孔比例保持在66.9%–74.0%，大孔仅占0.6%–1.6%，表明适度LZT替代有效细化了孔结构。SCC方面，CT20取得最高微孔比例62.9%（较CT0高约15%），大孔比例在30%替代率下达到最低（较CT0低6.7%）；50%替代率下大孔比例升至10.8%，孔结构明显劣化。

4.4 XRD分析

XRD分析表明，所有配合比中均检出长石、方解石、氢氧化钙和石英，LZT替代未改变主要晶相类型。石英主峰（2θ ≈ 26.6°）在0%–30%替代率范围内逐渐增强，在40%–50%时显著减弱，这与LZT中无定形SiO2比例增加及细石英颗粒衍射能力受限有关。高替代率下氢氧化钙峰减弱，表明过量尾矿掺入消耗了Ca(OH)2并抑制了进一步的水化反应。

五、离散元模拟

5.1 三维DEM建模

建立了包含六种接触类型（FA–C、CA–C、FA–CA、C–C、FA–FA、CA–CA）的三维DEM模型，其中CA–C和FA–C接触赋予中等偏低的刚度和键合强度以表征ITZ的力学弱化，C–C接触赋予最高刚度和键合强度以表征水泥浆体的主导承载作用。参数标定采用分步方法：先调整平行键模量（pb_emod）匹配初始弹性刚度，再调整抗拉强度（pb_ten）和内聚力（pb_coh）以复现峰值强度和破坏行为。

5.2 应力–应变行为分析

模拟应力–应变曲线与试验结果吻合良好，峰值应力相对误差为0.02%–0.9%，峰值应变相对误差为0.2%–10.0%。基于σ=0.8fc阈值将破坏过程划分为弹性阶段（I）、应变强化阶段（II）和峰后软化阶段（III）。弹性模量的相对误差为0.15%–11.57%，且随替代率增加而减小。峰值强度预测的MAE、RMSE和MAPE分别为0.31 MPa、0.37 MPa和0.37%，残余强度预测的相应误差为0.45 MPa、0.48 MPa和0.70%。30%替代率改善了峰后延性和残余强度，40%–50%替代率下脆性失稳倾向增强。

5.3 裂纹演化分析

引入无量纲损伤指标D=F/N×100%（F为裂纹数，N为初始接触数）量化损伤演化。裂纹发展经历三个阶段：界面微裂纹萌生、界面–基体协同扩展、最终贯通裂纹形成。在阶段I，CA–C和FA–C界面裂纹合计占总裂纹的76.44%，表明微裂纹优先在骨料–基体界面萌生。阶段II中，CA–C、FA–C和C–C接触的损伤指标分别增至8.80%、5.44%和2.29%，基体开始积极参与裂纹扩展。阶段III中，各接触损伤指标大幅增加，CA–C和C–C接触共同主导最终贯通裂纹路径。整体接触损伤指标在30%替代率下取得最大值14.29%，表明该替代率下界面–基体协同破坏最为充分。

5.4 裂纹取向分析

裂纹取向定义为裂纹面法向量在加载平面（XY平面）上的投影与X轴的夹角。阶段I裂纹取向分散且高度随机；阶段II集中于90°–120°范围，近似垂直于加载方向；阶段III在90°附近保持主导取向的同时，在30°–60°和120°–150°范围内出现次集中，表明裂纹沿剪切主导方向扩展并最终形成连续破坏带。

六、讨论总结与结论翻译

讨论部分指出，CA–C接触作为最薄弱界面始终具有最高的损伤指标和裂纹占比，凸显了粗骨料–基体界面（即ITZ）作为裂纹萌生和应力集中关键区域的作用。C–C接触损伤在后期显著增加，表明随界面破坏发展，裂纹逐渐穿透基体，C–C接触逐步成为最终破坏路径的主要组成部分。整体接触损伤指标与宏观力学性能密切相关——较高的损伤指标对应破坏前更大的承载能力和更好的延性。裂纹取向从随机分布向方向性集中的演化，从细观尺度揭示了宏观破坏带形成的机制。

研究结论如下：（1）随着LZT替代率增加，SCM的流动性持续下降，而SCC在10%替代率下流动性最高；SCM和SCC的抗压强度均随替代率增加呈先增后减趋势，分别在40%和30%替代率下取得最大值。（2）CT分析表明，LZT的微填充效应有效细化了SCM和SCC的孔结构，在SCM 40%和SCC 30%替代率下孔隙率分别降至0.60%和1.09%，孔隙分布更均匀，孔径集中在250–500 μm，大孔得到有效抑制；50%替代率下孔隙率和大孔比例显著增加，孔结构空间非均匀性增强。（3）所建立的DEM模型具有较高的预测精度，峰值应力和峰值应变误差分别控制在0.9%和10%以内，有效再现了裂纹扩展过程；弹性响应主要由pb_emod控制，峰值强度和转折点由pb_ten和pb_coh共同控制；30%替代率改善了峰后延性和残余强度，40%–50%替代率下界面脆化加剧。（4）SCC的裂纹演化经历界面萌生、基体扩展和最终贯通三个阶段，CA–C和C–C接触对裂纹路径和破坏模式起关键作用；整体接触损伤指标随替代率增加先升后降，CT30取得最大值14.29%，表明该替代率下界面–基体协同破坏最为充分。（5）裂纹取向分析表明，SCC的裂纹分布从初始阶段的随机取向演化为破坏阶段的方向性集中分布，最终阶段裂纹主要集中在90°附近，并在30°–60°和120°–150°范围内出现次集中，表明SCC最终形成剪切主导的贯通裂纹破坏路径。