鐵尾礦混凝土應用特性試驗研究*

張建林，韓顯松

(1.長安大學基建處，陜西西安710064;2.陜西寶漢高速公路建設管理有限公司，陜西寶雞721013)

鐵尾礦混凝土應用特性試驗研究*

張建林1，韓顯松2

(1.長安大學基建處，陜西西安710064;2.陜西寶漢高速公路建設管理有限公司，陜西寶雞721013)

∶隨著礦產資源的大量開發，選礦過程中不斷產生尾礦，因其排放量大、利用率低的特點，造成了一系列環境和經濟問題，如何提高尾礦利用率已成為世界范圍內的課題。提出用鐵尾礦代替常規細骨料配制混凝土，變廢為寶。將原始鐵尾礦進行篩分，按照粒徑分布分級代替普通砂作為新細骨料配制混凝土，測試其和易性、抗壓強度以及耐久性，并與普通混凝土作對比，實驗結果表明，鐵尾礦部分或全部代替普通砂作為細骨料配制的混凝土與普通混凝土相比，坍落度降低，抗壓強度有所提高，耐久性基本保持不變。為此，鐵尾礦完全代替普通砂作為細骨料配制混凝土技術上是可行的，工程性質有所增益，可以在建筑工程中推廣使用。

∶鐵尾礦∶混凝土∶抗壓強度;耐久性

0 引言

鐵尾礦是在鐵精礦生產時產生的主要固體廢棄物，也是選出鐵礦石精礦后剩余的主要固體廢料。為了適應鋼鐵工業的迅速發展，鐵礦石的開采量在不斷增加，選礦廠排出的尾礦量也日益增多。目前，我國累計一年生產尾礦達70多億t，其中鐵尾礦占全部尾礦的1/3左右，但是我國的尾礦綜合利用率卻只有20%左右。大量尾礦只能采用堆放或填埋的形式來處理，這不僅浪費大量的礦產資源，擠占大量土地，同時也造成了嚴重的環境污染［1-3］，嚴重制約了礦產業及鋼鐵工業的高速發展。面對堆積的大量尾礦給礦業環境及經濟所帶來的問題以及礦場和鋼鐵行業的可持續發展，必須提高尾礦資源的綜合利用率，而進行尾礦的二次利用是解決尾礦問題的根本出路。

國外對鐵尾礦的綜合利用非常重視，許多發達國家在鐵尾礦中回收有價金屬與非金屬元素，對尾礦進行再利用制作建筑材料，將尾礦磁化作為土壤的改良劑以及復墾尾礦庫等［4-5］，尾礦的綜合利用率達到60%以上。近年來，為了響應節能環保、倡導綠色建筑的號召，鐵尾礦的綜合利用在我國已被普遍關注，礦山企業與高校、研究所等單位展開緊密合作，廣泛開發鐵尾礦的綜合利用技術，雖然相關研究起步晚，但在鐵尾礦的綜合利用方面發展迅速，取得了一些實用性成果。我國對于鐵尾礦的處理和應用，雖然也涉及回收有價金屬，但主要用作建材材料，目前已有多種利用方案，如制作輕質隔熱保溫建筑材料、水泥、陶瓷材料、微晶玻璃、制磚、水泥熟料等等［6-7］。考慮到鐵尾礦通常作為固體廢料直接排入河溝或拋置于金屬礦山附近筑有堤壩的尾礦庫中，河溝、山內以及礦區中注漿等工程較多［8-10］，而注漿工程多以混凝土為主要材料，拌制混凝土需要大量的粗細骨料，以鐵尾礦代替普通砂作為新的細骨料配制混凝土，測試其和易性、強度以及耐久性，探究其制備混凝土的工程特性，為其在建筑工程中進一步應用提供理論基礎。

1 試驗材料

水泥∶陜西某廠家生產的普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R.

砂∶采用級配區為Ⅱ區的普通砂，細度模數為2.9，表觀密度為2 660 kg/m3，顆粒分析結果見表1.

石子∶粒徑為5～20 mm的碎石，表觀密度為2 640 kg/m3，含泥量0.2%.

混合材∶選用陜西某電廠的Ⅱ級粉煤灰。

外加劑∶本試驗選用萘系高效減水劑，固含量為30%.

鐵尾礦∶陜西柞水縣某鐵礦的尾礦，化學成分分析見表2.

拌合水∶本試驗所用水均為自來水。

表1 普通砂的顆粒分析Tab.1 Ordinary sand particle analysis

表2 鐵尾礦化學成分分析Tab.2 Iron tailings chem ical com position analysis%

2 試驗方案及結果

2.1 試驗方案

混凝土配合比見表3，按此配合比，以普通砂作為細骨料，配制的混凝土作為對比組，稱為原狀混凝土，記做Y1;對鐵尾礦按照表1所示粒徑進行篩分，然后按照不同粒徑為分界，分別取代普通砂作為細骨料配制混凝土，粒徑分別為≥2.36 mm，≥0.60mm及≥0.15mm，所配制的混凝土分別記做Q1，Q2，和Q3.對配制的混凝土Y1，Q1，Q2和Q3，分別將其和易性、抗壓強度及耐久性進行比較。

表3 混凝土配合比Tab.3 M ix proportion of concrete

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 和易性測定

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080—2002)測定Y1，Q1，Q2和Q3混凝土的坍落度和表觀密度，結果見表4.

表4 和易性測定結果Tab.4 W orkability determ ination results

圖1 混凝土坍落度和表觀密度變化情況Fig.1 Concrete slump and the apparent density changes

從圖1可以看出，隨著取代量的增加，塌落度減小，且減小的幅度不同。Q1，Q2的減小幅度較Y1大，而Q3的減小幅度較小，即隨著取代量的增加，混凝土坍落度是減小的，且減小幅度逐漸降低。結果表明∶①鐵尾礦對混凝土的流動性有阻礙作用;②鐵尾礦顆粒越細，對混凝土流動性阻礙作用越小。

坍落度減小的原因∶在水灰比一定的情況下，鐵尾礦較普通砂更易吸水，隨著鐵尾礦取代量的增加，鐵尾礦吸水更多，而水灰比為定值，因此，隨著取代量的增大，塌落度會減小。坍落度降幅減小的原因∶隨著取代量的增加，取代砂的鐵尾礦顆粒越來越細，細顆粒與水泥漿結合粘聚力增大，流動性有偏小趨勢，故坍落度降幅減小［11-12］。

從圖1還可以看出，隨著取代量的增加，混凝土的表觀密度逐漸增加，并且在大粒徑取代的情況下，增幅較大。從鐵尾礦化學分析可以看出，鐵尾礦和普通砂的化學成分主要是鐵含量的不同，鐵尾礦的鐵含量為普通砂的幾十倍。因此，隨著取代量的增加，取代后形成的混凝土的表觀密度是逐漸增加的。

試驗過程中，通過觀察試樣，混凝土的粘聚性、保水性等基本無變化。

2.2.2 抗壓強度測定

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)，分別配制Y1，Q1，Q2和Q3混凝土，并制取混凝土試塊，每組兩塊，按照規范分別測定7，28，90 d的抗壓強度，試驗結果取平均，結果見表5.

表5 抗壓強度Tab.5 Com pressive strength MPa

圖2 混凝土抗壓強度變化情況Fig.2 Changes of concrete compressive strength

利用表5繪制圖2，從圖2可以看出，被鐵尾礦取代后的混凝土較普通砂混凝土的強度都有提高，其中，完全被鐵尾礦取代后的混凝土強度最高;隨著取代量的增加，強度的增幅是逐漸減小的。結果表明∶①鐵尾礦相比普通砂作為細骨料對混凝土的抗壓強度有增強作用;②細骨料中，大粒徑顆粒對混凝土抗壓強度的改善作用較小顆粒明顯。

強度增加的原因主要有2個方面。

1)鐵尾礦的化學成分中，MgO，Al2O3和Fe2O3的含量都較普通砂高，尤其是Fe2O3含量較普通砂高十幾倍，這些化學成分在混凝土發生水化反應時起著積極作用，類似活性氧化劑，對于混凝土強度的增加都是有利的;

2)鐵尾礦的表面形狀比普通砂要粗糙，棱角更多，更利于和水泥膠結，有利于提高混凝土強度。

2.2.3 耐久性測試

按照規范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082—2009)要求，分別對混凝土抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性進行測試。

1)抗滲性。抗滲性是指混凝土抵抗水、油等液體在壓力作用下滲透的性能。它直接影響混凝土的抗凍性和抗侵蝕性。本次測試采用逐級加壓法，結果見表6.

表6 抗滲等級Tab.6 Permeability grade

從表6可以看出，隨著鐵尾礦對普通砂的取代率越大，混凝土的抗滲等級不變，但是最大滲水高度越來越小，說明鐵尾礦在混凝土中有一定的抗滲作用;而且隨著取代率的增大，混凝土滲水高度降幅有增大趨勢，即起抗滲作用的主要是鐵尾礦中的小粒徑顆粒。鐵尾礦顆粒較普通砂稍細，更易填充混凝土并與混凝土膠凝材料結合，對抗滲性的提高起關鍵作用。

2)抗凍性。試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，標準養護;凍融循環50次;試件3組∶鑒定28 d強度一組，凍融試件1組，對比試件1組;凍融試件為4 h;試件中心最低和最高溫度分別控制在-20和35℃［13-15］。測定結果見表7.

表7 凍融循環結果Tab.7 Results of the freeze-thaw cycle%

從表7可以看出，質量損失率最大的為Q3組，損失率為0.45%，小于5.00%，同時抗壓強度損失率小于25.00%;抗壓強度損失率最大的為Q1組，損失率為2.89%，小于25.00%，同時質量損失率小于5.00%.與普通砂混凝土相比，鐵尾礦混凝土質量損失率偏大，但是都在規范規定范圍之內，而鐵尾礦混凝土抗壓強度損失率偏小。試驗結果表明∶鐵尾礦取代普通砂對混凝土的抗凍性基本無影響。

3)抗侵蝕性。采用尺寸為100 mm×100 mm ×100 mm的立方體試件，其中一組置于自來水中養護，另外兩組分別置于0.1 mol/L的H2SO4和1 mol/L的NaOH溶液中，養護28 d后測定其質量損失率和抗壓強度耐蝕性，以此評判其抗侵蝕性。結果見表8.

表8 抗侵蝕性結果Tab.8 Erosion resistance results%

從表8可以看出，在酸、堿侵蝕條件下，Q1，Q2，Q3混凝土都較Y1的質量損失率和抗壓強度損失率小，但相差不大。結果表明∶鐵尾礦取代普通砂對混凝土的耐腐蝕性基本無影響。

3 結論

1)用鐵尾礦全部或部分代替普通砂作為細骨料配制的混凝土，其和易性、抗壓強度及耐久性均不弱于普通砂混凝土，用鐵尾礦代替普通砂作為細骨料配制混凝土是可行的;

2)鐵尾礦對混凝土的流動性有阻礙作用，顆粒越細，阻礙越小。鐵尾礦作為細骨料降低了混凝土的坍落度，但對其和易性影響較小;

3)鐵尾礦對混凝土的抗壓強度有增強作用，其中大粒徑的鐵尾礦對混凝土強度起主要作用。隨著鐵尾礦的替代率增大，混凝土抗壓強度呈增大趨勢，但增幅變小;

4)鐵尾礦取代普通砂對混凝土的耐久性基本沒有影響。小粒徑的鐵尾礦對混凝土抗滲性起主要作用，隨著鐵尾礦替代率增大，混凝土抗滲性呈增大趨勢。

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Experimental study on the iron tailings concrete application characteristics

ZHANG Jian-lin1，HAN Xian-song2

(1.Infrastructure Department，Chang’an University，Xi’an 710064，China; 2.Shaanxi Baohan Expressway Construction Management Co.，Ltd.，Baoji721013，China)

∶With the high-speed development ofmineral resources，tailings of ore dressing process caused a series of environmental and economic problems，because of its greatamountof emission and low utilization rate，how to improve the utilization rate of tailings has become aworldwide topic.The paper proposes to use iron tailings instead of conventional fine aggregatemixed concrete.In order to further explore the application of iron tailings concrete，the original iron tailings is screened，and used as new aggregate concrete to replace common sand，testing itsworkability，compressive strength and durability，and comparing with ordinary concrete.Analysis of the experimental data shows∶compared with ordinary concrete，iron tailings replace some or all ordinary sand as fine aggregate concrete preparation，the slump is reduced，compressive strength is increased，and the durability remain unchanged.The results show that∶the iron tailings can replace the common sand as fine aggregate concrete，which can be widely used in civil engineering.

∶iron tailings;concrete;compressive strength;durability

∶TU 528.59

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0318

∶1672-9315(2015)03-0381-05

∶2015-01-20責任編輯∶楊忠民

∶陜西省自然科學基金(2013JM5004);陜西省攻關計劃(2013k06-27)

∶張建林(1976-)，男，山西永濟人，工程師，E-mail∶zjianlin@chd.edu.cn