尾礦砂在混凝土中的應(yīng)用試驗(yàn)研究

張萌

（河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

混凝土是由膠結(jié)材料、骨料和水按一定比例配制，經(jīng)攪拌振搗成型，在一定條件下養(yǎng)護(hù)而成的人造石材。混凝土具有原料豐富、價格低廉、生產(chǎn)工藝簡單的特點(diǎn)，因而使其用量越來越大；同時混凝土還具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、強(qiáng)度等級范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，使其使用范圍十分廣泛，混凝土已經(jīng)成為最大宗的建筑材料。

砂子作為細(xì)骨料在混凝土結(jié)構(gòu)中占有不可取代的作用，對混凝土的和易性、強(qiáng)度、耐久性等性能有重要的影響。隨著我國混凝土的快速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，消耗了大量的天然砂資源，全國每年建筑用砂石數(shù)十多億噸。加之對砂的技術(shù)要求越來越高，特別是能滿足高強(qiáng)高性能混凝土要求的天然砂越來越少，嚴(yán)重地制約了高性能混凝土的發(fā)展。天然砂是一種地方資源，短時間內(nèi)不可再生和長距離運(yùn)輸，我國不少地區(qū)已出現(xiàn)天然砂資源逐步減少、甚至無天然砂的情況。

在天然砂資源日益匱乏的同時，國內(nèi)礦產(chǎn)資源在開發(fā)過程中，丟棄了大量的尾礦。我國有大量的金屬礦和非金屬礦，在采礦和加工過程中伴隨產(chǎn)生約 20% 的尾礦，由于沒有合理利用，已有上百億噸的尾礦大量堆積，占用土地，造成環(huán)境污染。而如果經(jīng)過適當(dāng)分選與加工，不少尾礦就可以制成人工砂。

隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)和利用，礦石日益貧乏，廢棄物作為二次資源再利用正日益受到世界各國的重視，國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了以山砂（自然山砂）、石屑（采石場在加工碎石過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物）、機(jī)制砂（專門以巖石經(jīng)破碎、篩分生產(chǎn)）、尾砂（金屬礦和非金屬礦在采礦過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物）等人工砂替代天然砂的技術(shù)。尾礦作為一種較為理想和實(shí)際的替代材料，正越來越廣泛地被應(yīng)用于各種工程項(xiàng)目中，并在實(shí)際工程中大量應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

（1）水泥：淶水冀東 P·O42.5R 水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 26.4%，初凝時間 186min，終凝時間 223min，3d抗壓強(qiáng)度 29.4MPa，28d 抗壓強(qiáng)度 55.2MPa，比表面積385g/cm2。

（2）礦粉：勝芳前進(jìn)鋼廠 S95 級磨細(xì)礦渣粉，比表面積 450g/cm2，7d 活性指數(shù) 80%，28d 活性指數(shù)108%。

（3）粉煤灰：衡水衡冠產(chǎn)Ⅱ級粉煤灰，需水量比104%，燒失量 2.10%，細(xì)度（0.045mm 篩余）15.3%。

（4）石子：淶水產(chǎn) 5～25mm 碎石，含泥量0.3%，壓碎指標(biāo) 7%。

（5）外加劑：保定慕湖產(chǎn)泵送劑，固含量38.2%，密度 1.218g/mL，減水率 18.6%。

（6）天然砂：淶水產(chǎn)Ⅱ區(qū)中砂，含泥量 1.6%，泥塊含量 0.3%，細(xì)度模數(shù) 2.7。

（7）尾礦砂：尾礦是礦開采出的礦石磨細(xì)后，再經(jīng)選礦廠選出精礦后產(chǎn)生的廢渣。這部分廢渣主要是礦石在提純過程中留下的，組成和細(xì)度指標(biāo)相對穩(wěn)定。尾礦砂的主要化學(xué)成份為 SiO2，含量與天然砂的 SiO2含量基本相同。SiO2是以石英礦物形式存在，Na2O、K2O、CaO 和 Al2O3是以長石形式存在，F(xiàn)e2O3以磁鐵礦形式存在，這些礦物均具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，SO32-含量少，不足以構(gòu)成對混凝土的危害。本試驗(yàn)采用的尾礦砂，含泥量 1.7%，泥塊含量 0.2%，細(xì)度模數(shù) 3.2，屬于建筑粗砂，粒級等各項(xiàng)物理性能均達(dá)到建筑用砂國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)。

1.2 C30 混凝土配合比設(shè)計1.2.1 使用尾礦砂試驗(yàn)

因目前 C30 混凝土在工程中較為常用，所以本試驗(yàn)以 C30 混凝土為研究對象，使用尾礦砂替代河砂，研究尾礦砂替代量對混凝土性能的影響。混凝土配合比和性能試驗(yàn)結(jié)果見表 1。

由表 1 可見，隨著尾礦砂摻量的提高，坍落度明顯下降。調(diào)高砂率到 50% 后，混凝土的保水性較 47% 砂率下有所改善。由于尾礦砂的細(xì)度模數(shù)較大，低砂率下砂子對石子的包裹不夠充分，砂率提高可以提高砂子對石子的包裹，從而改善混凝土的和易性。但是隨著尾礦砂摻量的提高，和易性有所下降，主要原因是尾礦砂的外形多為棱角狀，不易流動，且其顆粒級配差，極大地影響了混凝土的和易性。

1.2.2 使用粉煤灰試驗(yàn)

此試驗(yàn)使用粗尾礦砂作為部分細(xì)骨料，固定摻量80%，通過調(diào)整粉煤灰的含量，得出礦物摻合料對混凝土性能的影響。混凝土配合比和性能試驗(yàn)結(jié)果見表 2。

由表 2 可以看到提高粉煤灰摻量可以改善混凝土的和易性。這主要得益于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)，即粉煤灰是由大小不等的球狀玻璃體組成，其表面光滑致密，在混凝土中起潤滑作用，同時粉煤灰的粒徑比水泥顆粒小，粉煤灰均勻分布再水泥顆粒之間，阻止水泥顆粒黏聚，使滯留于水泥顆粒間的水釋放出來，從而改善混凝土的和易性。

此外，可以看出，提高粉煤灰慘量后，混凝土的早期強(qiáng)度略有降低，但后期強(qiáng)度隨粉煤灰的增加而提高，說明礦物摻合料（此處即粉煤灰）在一定范圍內(nèi)可以提高混凝土的后期強(qiáng)度。

表 1 C30 混凝土配比及性能檢測結(jié)果 1

表 2 C30 混凝土配比及性能檢測結(jié)果 2

2 結(jié)論

（1）粗尾礦單摻時，由于尾礦砂的外形多為棱角狀，不易流動，且其顆粒級配差，使混凝土容易離析和泌水。提高粉煤灰摻量可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，生產(chǎn)成本較高，但是尾礦砂價格較天然砂便宜，總成本不會提高或略有降低。

（2）利用尾礦砂代替天然砂配制混凝土的方案是可行的。此方案的應(yīng)用不僅可以節(jié)約自然資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且還有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為混凝土生產(chǎn)節(jié)約大量成本。