金尾矿对高性能工程水泥基复合材料（HP-ECC）力学性能与微观结构的影响

《KSCE Journal of Civil Engineering》：Effect of Gold Tailings on the Mechanical Properties and Microstructure of High-Performance Engineered Cementitious Composites

　　

全球范围内产生并堆积了大量金尾矿，带来了显著的环境和土地利用挑战。然而，金尾矿粉（GTP）在高性能工程水泥基复合材料（HP-ECC）中的应用仍十分有限，其对力学性能、纤维-基体界面行为及微观结构演变的影响尚需进一步研究。本研究探讨了在HP-ECC中使用活化金尾矿粉（GTP）作为部分水泥替代材料（0–30%）的可行性。系统评价了GTP掺量对流动度、凝结时间、力学性能、孔结构及纤维-基体界面行为的影响。GTP降低了新拌混合料的流动度，但适当的替代水平改善了HP-ECC的整体性能。在替代水平为20%时获得最优性能，其抗压强度、抗折强度和极限抗拉强度分别达到97.4 MPa、19.4 MPa和8.16 MPa。拉伸应变能力介于3.93%至5.55%之间，所有混合料均表现出应变硬化行为和多缝开裂。单纤维拔出试验表明，GTP-20混合料的界面摩擦粘结应力达到1.79 MPa。微观结构分析表明，GTP的填充效应和潜在火山灰活性有助于孔结构细化、孔隙率降低以及纤维-基体界面性能增强。这些发现表明，活化GTP是HP-ECC可行的辅助胶凝材料，也是金尾矿增值利用的一个有前景的选择。

高性能工程水泥基复合材料（HP-ECC）是一类具有超高抗压强度（>80 MPa）、极限拉伸应变超过3%并呈现稳定多缝开裂的高延性水泥基材料，在桥梁连接、超高层建筑核心筒、抗震结构和防护工程中具有广阔应用前景。然而，传统HP-ECC高度依赖高纯度石英砂和高等级硅酸盐水泥，导致成本高昂并伴随显著碳排放；同时，全球金尾矿大量堆积引发土地占用和环境污染。现有研究多将金尾矿用于普通混凝土或砂浆，其在HP-ECC这一微细观力学要求极为严格的体系中的利用尚不充分，特别是活化金尾矿粉（GTP）对纤维-基体界面摩擦行为及孔结构的影响机制尚未阐明。为此，研究人员以机械活化GTP部分替代水泥（0%–30%）并固定使用金尾矿砂（GTS）为细骨料，开发全尾矿利用的HP-ECC体系，系统研究了GTP掺量对新拌性能、力学性能、纤维-基体界面行为及微观结构的影响。结果表明，20%替代水平的综合性能最优，抗压强度、抗折强度和极限抗拉强度分别达到97.4 MPa、19.4 MPa和8.16 MPa，且所有配比均表现出应变硬化与多缝开裂。该研究证实活化GTP可作为HP-ECC的可行辅助胶凝材料，为金尾矿高值化利用提供了新途径，并支撑HP-ECC体系的低碳化转型。相关论文发表于《KSCE Journal of Civil Engineering》。

主要技术方法包括：利用行星式球磨机对金尾矿粉进行机械活化，获得比表面积522 m²/kg的活化GTP；按不同替代比例制备HP-ECC试件，参照GB/T 2419-2021和JGJ/T 70-2009测试流动度与凝结时间；通过抗压、抗折和单轴直接拉伸试验评价宏观力学性能；采用单纤维拔出试验测定界面摩擦应力；利用压汞法（MIP）表征孔结构；采用热重分析（TG）测量Ca(OH)₂含量以评估潜在火山灰活性；使用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维表面损伤和基体微观形貌。试件在20±2°C、相对湿度90±5%条件下标准养护至设定龄期。

3.1 GTP对凝结时间的影响
凝结时间测试显示，随GTP替代率增加，初凝和终凝时间先微增后缩短：10%替代时初凝和终凝较对照组延长5.5%和9.1%，30%替代时缩短7.4%和9.8%。原因在于低掺量下水泥稀释和GTP可溶组分延缓水化，而高掺量下GTP的异相成核、潜在火山灰反应及有效水胶比降低加速了早期水化。

3.2 GTP对流动度的影响
流动度试验中，对照组流动度为135 mm，掺入10%、20%、30% GTP后分别降至128、119和106 mm，降幅为5.2%、11.9%和21.5%。这主要由于GTP细颗粒增大了比表面积和需水量，减弱了颗粒间润滑作用。

3.3 GTP对抗压和抗折强度的影响
抗压和抗折试验表明，各龄期强度随GTP掺量增加先升后降。90 d时，20%替代组抗压和抗折强度最高，分别为97.4 MPa和19.4 MPa，较对照组提高9.7%和24.4%；30%时回落至90.1 MPa和16.2 MPa。TG分析证实GTP在碱性环境中消耗Ca(OH)₂，生成额外C-S-H凝胶，体现其潜在火山灰活性。

3.4 GTP对拉伸性能的影响
单轴拉伸试验显示，所有配比的拉伸应变能力介于3.93%至5.55%之间，均呈现应变硬化与多缝开裂。GTP-20的初裂强度和极限抗拉强度最高，达5.46 MPa和8.16 MPa，但拉伸应变能力较GTP-0的5.55%降至3.93%，这源于基体断裂韧性与纤维桥接能力之间平衡点的移动。

3.5 GTP对纤维-基体界面性能的影响
单纤维拔出试验中，PE纤维的荷载-位移曲线呈光滑下降，表明界面以摩擦为主。界面峰值荷载和摩擦应力随GTP掺量先增后减，GTP-20最高，分别为0.81 N和1.79 MPa，较GTP-0提高约30.6%和30.7%。MIP和SEM结果共同确认，GTP细化和致密化了界面过渡区（ITZ），增强了机械互锁和摩擦阻力。

3.6 孔隙率演变
MIP结果表明，GTP-0总孔隙率为12.97%，GTP-10和GTP-20分别降至11.68%和10.89%，且20 nm以下细孔比例最高者达到6.65%；而GTP-30孔隙率回升至12.09%，大于100 nm的孔比例增加。说明适量GTP（10%–20%）通过微填充和火山灰作用细化孔结构，过量则导致孔结构劣化。

3.7 GTP对微观结构的影响
SEM观察显示，拉伸破坏后GTP-20中的纤维出现明显原纤化损伤并附着水化产物，而低掺量组仅见轻微刮擦；纤维拔出通道光滑，表面碎屑源于整体开裂残渣而非拔出过程。基体致密度的提高增加了界面摩擦应力，与力学性能及孔结构结果相吻合。

综合讨论表明，GTP的填充效应和潜在火山灰活性是改善HP-ECC微观结构和宏观性能的主要机制，但存在阈值效应。20%替代时，成核促进、微填充密实和界面优化达到最佳协同，实现强度与延性的平衡；超过20%后，稀释效应和工作性劣化导致孔隙率上升、界面及力学性能下降。因此，本实验条件下推荐约20%的GTP替代率。

研究结论可概括为：（1）随GTP替代率增加，凝结时间先延长后缩短，流动度持续下降；（2）20%替代时抗压和抗折强度最优，得益于成核和填充作用；（3）所有配比均保持应变硬化，GTP-20初裂强度和极限抗拉强度最高，但延性降低；（4）GTP-20界面摩擦应力最高，界面过渡区被致密化；（5）GTP掺量存在阈值，20%为性能与微观结构稳定性的最佳平衡点，30%则造成性能劣化。