摘要
矿渣、粉煤灰等辅助胶凝材料已成为现代商品混凝土的重要组分，取得了良好的经济、环保效益。本课题将石灰石粉作为辅助胶凝材料替代部分水泥，并使用尾矿混合砂替代天然河砂，进一步提高固废综合利用率。通过对复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土的工作性能、基本力学性能、抗碳化性能、抗冻融性能、界面过渡区及水化产物这几个方面进行理论分析和试验研究，探索了尾矿混合砂、辅助胶凝材料中石灰石粉掺量、机制砂中石灰石粉含量对混凝土基本性能的影响规律，为复合石灰石粉辅助胶凝体系和尾矿混合砂在混凝土中的综合利用提供理论参考，主要结论与创新成果如下： （1）得到复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土工作性能影响因素。复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土拌合物和易性良好，坍落度与坍落度损失基本满足泵送混凝土的要求。使用尾矿混合砂替代天然河砂，混凝土拌合物有轻微泌水现象，加入辅助胶凝材料后，拌合物初始坍落度提高11.8％，保水性与粘聚性良好，坍落度损失显著降低。拌合物的初始坍落度随着胶凝材料中石灰石粉掺量的增加而增大，随着机制砂中石灰石粉含量的增加先增大后减小。 （2）揭示复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土力学性能发展规律。尾矿混合砂的掺入能够提升混凝土各龄期的抗压强度，提升幅度约为10％，辅助胶凝材料的加入会使得混凝土早期抗压强度大幅下降，但在后期强度迅速上升，随着辅助胶凝材料中石灰石粉掺量的增加，混凝土抗压强度先略微增加随后下降，而随着机制砂中石灰石粉含量的增大，混凝土的抗压强度逐渐增大。混凝土劈裂抗拉与抗折强度也表现出类似规律。建立了复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土强度随龄期及石灰石粉含（掺）量发展的二参数预测模型。 （3）得到复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土抗碳化与抗冻性能劣化规律。采用尾矿混合砂替代天然河砂后，混凝土抗碳化与抗冻性能得到明显改善，但混凝土各龄期碳化深度与冻融循环质量损失随着辅助胶凝材料的加入而增大。辅助胶凝材料中石灰石粉掺量为10％时，混凝土抗碳化与抗冻性能最好，继续增大石灰石粉掺量，抗碳化与抗冻性能下降。混凝土抗碳化与抗冻性能随着机制砂中石灰石粉含量的增大而增强，建立了复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土碳化深度随碳化龄期及石灰石粉含（掺）量发展的二参数预测模型。 （4）明确复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土界面过渡区形貌与水化产物组成。尾矿混合砂与水泥浆体的界面粘结强度更高，辅助胶凝材料的掺入能缓解界面过渡区水胶比偏高的问题。随着胶凝材料中石灰石粉掺量的增加，界面连接处更易出现裂隙与不密实孔洞，水化产物中钙矾石（AFt）的含量明显提高，Ca(OH)2生成量显著下降。随着机制砂中石灰石粉含量的增加，混凝土实际水胶比降低，钙矾石（AFt）的含量有所提高，胶凝体系的密实程度提高。 （5）得到复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土微观结构对宏观性能的影响机理。尾矿混合砂加强了混凝土的大中心质效应，提升了界面过渡区的匀质性，混凝土基本力学性能与抗碳化、抗冻性能得到了提升。辅助胶凝材料使得混凝土中的负中心质（孔隙）的数量增多，混凝土性能降低。石灰石粉掺量处于5％~10％时，良好的颗粒级配优化了混凝土的中心质网络框架，提升了混凝土的力学性能与耐久性能。随着石灰石粉掺量继续增大，界面过渡区成为薄弱环节，混凝土孔隙率提高，力学性能与耐久性能显著降低。增大机制砂石灰石粉含量，有利于加强次中心质效应及微中心质效应，提高了力学性能与耐久性能。 （6）验证复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土的可行性与经济效益。从原材获取、工作性能、力学性能以及耐久性能四个方面对复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土的可行性进行分析，复合石灰石粉—尾矿混合砂混凝土原材获取简单易行，工作性能满足泵送要求，机制砂中石灰石粉含量为5％，辅助胶凝材料中石灰石粉掺量为10％时，混凝土各项性能接近普通混凝土，每立方成本较普通混凝土降低了19.7％。辅助胶凝材料中石灰石粉掺量为5％、机制砂石灰石粉含量为20％时，混凝土各项性能优于普通混凝土，每立方成本较普通混凝土降低了17.9％。
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