石墨尾矿(Graphite Tailing,简称GT)是石墨进行选矿时产生的一种工业尾渣。我国是石墨的使用大国,在石墨开采的过程中产生了大量的尾矿,我国石墨尾矿的总体存储量在1亿吨以上(唐诗洋等,2022; 刘磊等,2019)。经过多年的开采,石墨尾矿固体废物的积累已经造成了许多环境问题,不仅占用土地资源,而且会对大气环境、地下水和土壤造成污染,严重影响生态环境(Torres et al,2017)。宁方文等(2008)和韩雪冰等(2011)对石墨尾矿废弃地周围土壤进行了污染特性研究,指出石墨尾矿周围土壤中含有大量污染元素,会对其附近的土壤有机质和生态环境产生严重危害。为解决这一问题,何保罗和薛东才(2001)提出了一种高效率的尾矿回收工艺,在一定程度上缓解了石墨尾矿对环境的破坏。也有些学者提出了各种经济环保的选矿流程,这些方法虽然对缓解石墨尾矿的污染起到了一定的作用,但是相比于我国巨大的石墨尾矿堆存量,这些方法的作用还是远远不够的。笔者认为应当从石墨尾矿本身的特性出发,尝试对其二次利用来解决尾矿的污染问题。石墨尾矿主要包含石英、云母族、长石、方解石、绿泥石和铁钙闪石等矿物(海韵等,2015),早期我国针对石墨尾矿的二次利用方法主要是将其中的矿物进行回收,近年来,越来越多的学者尝试将石墨尾矿处理后作为一种新型建材应用于土木领域。王丽娜和申保磊(2012)用石墨尾矿取代天然砂生产水泥砂浆并应用于道路砖面层,试验得到的砖经检测符合国家标准。潘春娟(2013)以试验验证了用石墨尾矿掺入水泥作为公路底基层这一做法的可行性,并通过试验对比得出了65%石墨尾矿砂+35%风化粒料的最佳混合料配比。
随着建筑行业的蓬勃发展,人们对混凝土的需求日益增加,混凝土生产过程中大量原材料的使用,特别是作为细骨料的天然河砂的过度开采,已经造成了河岸滑坡和河床降低等一系列生态问题,对河流及其周边的生态系统产生了极大的不利影响(Xu et al,2018; Zheng et al,2018)。由于石墨尾矿与砂子在成分上相似(刘洪波,2019),所以用石墨尾矿部分替代砂子作为细骨料来制备石墨尾矿混凝土(Graphite Tailing Concrete,简称GTC)的做法便应运而生。这样既解决了石墨尾矿的污染问题,又可以规避天然砂的过度开采带来的生态破坏,促进了石墨工业和建筑行业的双向可持续发展。国内很多学者在这方面展开了研究,张大双(2015)在分析石墨尾矿混凝土强度时,发现影响抗压强度的主要因素是石墨尾矿掺量和水灰比,并且其抗压强度随石墨尾矿掺入量的增大而减小,通过研究分析得到石墨尾矿最佳含量是10%左右。孙伟轩(2019)对3种配比的石墨尾矿混凝土进行耐久性能研究,发现石墨尾矿取代率10%较为适宜,此时混凝土收缩变形可降低12.6%~21.1%。张琛等(2021)利用石墨尾矿、水泥、天然河砂、花岗岩石子、建筑废弃物粗骨料制备混凝土,研究了力学性能的变化,根据试验结果发现混凝土抗压强度先随石墨尾矿掺量增加而增大,然后随石墨尾矿掺量的增加而减小,当石墨尾矿掺入量为20%时,混凝土强度最大。
目前国内外关于GTC的研究主要集中于混凝土本身的力学和材料性能等,但其在墙、柱和梁等混凝土结构构件中的应用研究却鲜有开展。因此,本文旨在通过不同砂子替代率下GTC的抗压强度、劈裂抗拉强度和静力受压弹性模量试验结果等力学性能指标来评价其最佳替代比例,并以最佳替代率的GTC制作柱试件,通过拟静力试验分析其抗震性能。