淺析南疆銅鋅礦微粉混凝土的應用前景

文/柯譜、賈豆考、趙曉文、何斌 土木工程學院 喀什大學 新疆喀什 844006

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淺析南疆銅鋅礦微粉混凝土的應用前景

文/柯譜、賈豆考、趙曉文、何斌 土木工程學院 喀什大學 新疆喀什 844006

【摘要】自“一帶一路”的偉大戰略決策開局以來，直接推動了南疆的建設發展，更加刺激了南疆資源的開發。新疆最大的有色金屬礦（卡特里西銅鋅礦）開機生產緊隨于“一帶一路”這一偉大戰略構想的提出，在生產過程當中不可避免的會產生大量礦渣，又會對現有的新疆礦渣庫產生極大的存儲壓力。在國家倡導循環經濟和節能減排的大環境下，銅鋅礦渣能否更加科學有效的處理也必將是一個亟待解決的問題。隨著礦渣微粉在混凝土方面的研究日漸成熟，也給新疆帶來有效處理銅鋅礦渣的契機。

【關鍵詞】南疆；減排；銅鋅礦；礦渣；水泥混凝土

1、前言

目前，南疆地區發現的規模最大有色金屬礦是位于東昆侖主峰以北高山地帶的卡特里西銅鋅礦。到2015年上半年該礦將近具備了60萬噸銅鋅礦采選能力，同時也能產出上百萬噸的礦渣。這些礦渣都是具有一定活性的工業排棄物，這些廢棄物的不合理處理必將對南疆局部環境造成嚴重的威脅。當前，有色金屬礦產資源的綜合利用產業在我國正迅猛發展。但由于我國尾礦綜合利用率受限于技術水平不高、沒有系統規范標準、副產業用戶的接受度低下等等原因，使得其平均不到14%，且綜合利用層次較低，綜合利用產品粗放、單一。基本上是先進行有用礦物回收，再用廢渣進行塌陷地和井下充填、鋪路、生產低層次建材、加氣混凝土砌塊、混凝土空心砌塊、高強度陶粒等。但這些途徑有的因為能耗高、成本高，有的因為回收率低、附加值低，或因工藝太復雜、投資過大等因素，綜合利用的規模普遍較小，產業化水平較低，不利于大量尾礦的整體綜合利用。利用率低、利用量小成為尾礦綜合利用必須解決的最根本問題。利用銅鋅礦渣拌制水泥混凝土是一種有效地處理南疆銅鋅礦渣的方法，這種方法首先為建設“新絲綢之路經濟帶”提供了足夠的建材資源，其次起到了有效地處理礦渣的目的。

2、我國礦渣微粉水泥混凝土的應用現狀

我國當前正廣泛使用的礦渣拌制混凝土拌合料，基本采用以礦渣微粉的形式[1]。在現今的土木工程中，礦渣微粉已經被推廣應用作為混凝土拌合物的高摻合料了。我國的某些高等教育學校校和科學研究機構已經在礦渣微粉混凝土上取得了一定的成果，比如礦渣粉等量取代30%～70%的水泥配制普通混凝土及高強混凝土。并且這些研究成果已經在我國某些商品混凝土攪拌站中得到采用，并且在某些重要工程中已投入使用。甚至形成了相關的地方標準或者是適用于各類混凝土制品（包括現場攪拌、預拌混凝土）和構件推薦標準比如:上海教育電視臺綜合樓工程 (強度等級相當于C40普通混凝土的強度)、上海明天廣場工程(強度等級相當于C80的高強普通混凝土的強度)[5～6]。了地方標準《混凝土和砂漿用粒化高爐礦渣微粉》(DB31/T35-1998)和《粒化高爐礦渣微粉在水泥混凝土中應用技術規程》(DG/TTJ08-501-1999)分別被上海市技術監督局于1998年發布和上海市建設委員會于1999年實施推薦。但是礦渣微粉在混凝土制品生產上的應用還遠遠沒有得到充分的開發。

3、銅鋅礦渣拌制水泥混凝土的可行性

3.1銅鋅礦渣的性質

3.1.1銅鋅礦渣的形成

銅鋅礦渣是由銅鋅礦渣熔漿經過冷卻固化后形成的細小顆粒。熔融礦渣的冷卻條件直接影響到銅鋅礦渣的礦物組成。工業生產中為了得到穩定的固體Ca-Al-Mg硅酸鹽晶體，通常采用緩慢冷卻的方法。這種穩定的礦物晶體中,也只有C2S具有一定的膠凝性,其他礦物基本沒有膠凝性。快速冷卻會就會得到一種具有很高潛在活性的玻璃體結構材料。

3.1.2南疆銅鋅礦渣的化學組成

銅鋅礦渣的化學組成與它的產地有很直接的關系。南疆銅鋅礦渣除了少量的 MgO和一些硫化物等主要含有的氧化物有 SiO2、CaO、SiO2、Al2O3等，其總量通常高達 80 %,。礦渣化學元素分析結果如表1所示。

表1　銅鋅礦渣化學元素分析結果 %

其中影響銅鋅礦渣活性的氧化物成份和主要性能如下：

(1)CaO: 是銅鋅礦渣的主要成分之一,屬于堿性氧化物,大約占 43%,在銅鋅礦渣中可化合成具有高活性的化合物,如C2S等。通常CaO的含量對礦渣的活性起決定性作用,銅鋅礦渣潛在的活性隨著CaO在銅鋅礦渣中的含量增加而提高。

(2)Al2O3: 是銅鋅礦渣中較好的活性成分,屬于酸性氧化物,通常含量在 8.9%左右,在礦渣中形成鋁硅酸鈣或鋁酸鹽等礦物,由熔融狀態經水淬后形成玻璃體。銅鋅礦渣的活性隨Al2O3含量的增加而提高。

(3)SiO2:它是銅鋅礦渣中含量比較高的偏酸性的氧化物, 含量一般約在38.4%。相比較而言, SiO2的含量較 CaO和Al2O3的含量明顯較多,極容易形成較低活性水平的產物（低鈣礦物）,甚至可能是游離的SiO2,嚴重地影響銅鋅礦渣的活性。

(4)MgO:也屬于堿性氧化物，但是相對于高活性的CaO而言，MgO的活性要明顯低于CaO,其含量通常在1.12%左右,在銅鋅礦渣中以穩定的化合物或玻璃體的形式存在居多,有利于增強熔融礦物的流動性，對促進銅鋅礦渣活性的提高有明顯的效果。

(5)S: 銅鋅礦渣中硫的含量相對較多,會嚴重損失銅鋅礦渣制品的強度；但硫化鈣與水的反應產物 Ca(OH)2，有堿性激發的作用。銅鋅礦渣中其他物質,比如氟化物、P2O5、FeO、V2O5、K2O、Na2O、Fe2O3等。一般情況下,對銅鋅礦渣的質量沒有太大的影響。

3.1.3技術分析

混凝土技術進步主要體現在相對于普通混凝土。無論是新拌狀態還是硬化后的狀態的各項性都能夠有較顯著的改善和提高。正如上文礦渣拌水泥混凝土的研究現狀顯示，礦渣的使用主要是以礦渣微粉的形式。由于銅鋅礦渣微粉的粒度細、活性高, 所以從技術角度分析，基本都是分析銅鋅礦渣微粉對水泥混凝土的積極作用。礦渣微粉作為水泥混凝土的活性礦物摻合料，通過大量的試驗研究表明,能顯著改進和提高混凝土的性能。因此,礦渣微粉被作為在國際上被認為是高性能混凝土的主要組分之一。根據國內的試驗研究資料[2 ,3 ,5 ,6]顯示，現將有關礦渣微粉水泥混凝土的性能特征簡介如下:

（1）現拌礦渣微粉水泥混凝土

a、礦渣微粉混凝土的凝結硬化時間稍微較普通水泥混凝土長,但是時間延長量不大。

b、在相同配合比和摻用等量等樣的化學添加劑的條件下, 礦渣微粉混凝土的坍落度明顯的高于普通混凝土的, 并且顯著有效地緩解了混凝土材料和易性的經時損失。

c、因為礦渣微粉水泥混凝土具有良好的粘聚性,因而在水泥混凝土泌水性的抑制上有顯著的效果。

（2）凝結硬化礦渣微粉水泥混凝土性能

a、凝結硬化規律。在相同的強度等級要求、配合比組成以及養護環境的前提條件下, 礦渣微粉水泥混凝土具有略低于普通水泥混凝土的早期強度, 但28d、90d以及180d 的強度增長速度較普通水泥混凝土有顯著地優勢。

b、抗滲性、耐久性方面。在漿體結構方面，由于礦渣微粉水泥混凝土具有較好密實性,并且礦渣微粉對水泥水化作用生成的某些活性晶體具有良好的吸收能力，能夠很好的彌補普通混凝土界面結構上的缺陷。因此,礦渣微粉水泥混凝土顯著優越的抗滲性會給水泥混凝土耐久性帶來一系列有利的影響。

由于礦渣微粉還具有很強的吸附Cl—的能力, 再加上水泥混凝土的高抗滲性，對Cl—向混凝土內部滲透或擴散有很強的保護作用。因此礦渣微粉提高水泥混凝土抗Cl—滲透能力, 使礦渣微粉水泥混凝土在保護內部鋼筋銹蝕上有明顯的優越性。同樣的，礦渣微粉在抗硫酸鹽侵蝕過程中也有顯著的作用。礦渣微粉水泥混凝土的無機膠凝材料中相對含有量極少的C3A 礦物及堿度和抗滲透性使礦渣微粉水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能較普通水泥混凝土更加顯著。有試驗表明,礦渣微粉水泥混凝土在10%的硫酸鹽溶液中持續浸泡30d后, 該種混凝土試件的強度沒有絲毫的下降。

基于礦渣微粉水泥混凝土的高密實性。因此,在相同配合比與強度等級的條件下, 礦渣微粉水泥混凝土的抗凍性能較普通水泥混凝土有顯著提高。

由于礦渣微粉水泥混凝土中堿含量明顯低于普通水泥混凝土中的。因此，礦渣微粉水泥混凝土在預防和抑制堿集料反應方面也是十分有利的。

（3）礦渣微粉水泥混凝土凝結硬化反應過程中的熱學性能

混凝土在進行水化反應過程中都會釋放出熱量，在工程施工過程中常常會碰到大體積混凝土的現澆,這就要求混凝土的水化熱越低越好,并希望水化熱極值的出現時間越晚越好,這樣就可以防止由于溫差作用而導致初始裂縫的產生，可以更加有效地控制初始溫度應力與混凝土的初始結構強度。基于礦渣微粉水泥混凝土中較低的水泥用量，因此，礦渣微粉水泥混凝土在凝結硬化過程的熱學性能得到了顯著的改善。

結語：

南疆屬于多渣少砂地區，可用銅鋅礦渣拌制水泥混凝土，這樣在不顯著影響水泥混凝土強度的同時，不僅僅能夠優化細骨料的級配組成，節省水泥漿的使用量，并且還可以提高混凝土質量。這樣就可以在節省水泥混凝土成本的基礎上，還實現了變廢為寶地充分利用銅鋅礦渣的愿望，有利于對環境的保護和國家對可持續發展的要求。提出加大對銅鋅尾礦在建材領域的應用方面的研究。

參考文獻：

[1]朱曉麗,周美茹.水淬高爐礦渣綜合利用途徑[J].中國資源綜合利用,2005,(7):8-10.

[2]王秀娟,陸文雄,邵霞,等.高爐礦渣用作高性能混凝土摻合料的研究進展[J].上海大學學報,2004, 2(10):170-175.

[3]黃士元,蔣家奮,楊南如,等.近代混凝土技術.陜西科學技術出版社,1998.

[4]同濟大學材料學院材料工程研究所.525#早強低熱高摻量礦渣水泥(鑒定資料).1998.

[5]朱稚石.高爐礦渣微粉混凝土的研究、生產與應用.2001年礦渣微粉應用技術交流會論文集,2001年10月.

[6]張蔭濟,朱稚石,等.寶鋼高爐礦渣微粉混凝土的生產應用研究.2001年礦渣微粉應用技術交流會論文集,2001 年10月.