采選廢石與尾砂制取混凝土可行性研究

薛忠言

（重鋼西昌礦業(yè)有限公司）

長期以來，西昌礦業(yè)一直把綜合利用固體廢棄物作為企業(yè)生存發(fā)展的重要措施。從2008年開始，通過借鑒兄弟單位的經(jīng)驗以及與科研部門合作，探索開發(fā)建筑砂石料、混凝土免燒磚、混凝土路面磚、彩色地磚、墻體板等多種產(chǎn)品，目前，建筑砂石料加工已產(chǎn)業(yè)化。

受用戶觀念的限制，用釩鈦磁鐵礦廢渣開發(fā)的砂石料產(chǎn)品雖然在技術(shù)質(zhì)量上可行，但產(chǎn)品銷售不暢，廢渣利用率僅在15%左右，影響了綜合利用開發(fā)的進程，礦山廢石和尾礦廢渣開發(fā)利用已成為當(dāng)前公司研究的重要課題［1-13］。

1 采選廢渣集料的來源及性能

1.1 采選廢渣集料的來源

西昌礦業(yè)公司太和礦區(qū)采用露天開采，開采過程中需要剝離大量的巖石和低品位表外礦，這些低品位表外礦經(jīng)破碎、干式磁選、高壓輥磨機超細碎、濕式粗粒磁選獲得干選碎石和中砂，濕式粗粒磁選精礦進入磨礦分級系統(tǒng)。礦石經(jīng)破碎、磨礦、選別作業(yè)獲得細尾砂。選礦廠年產(chǎn)碎石和尾砂近200萬t。碎石和尾砂的主要成分是輝長巖，密度一般在2.8～3.1 g/cm3，孔隙度很小，壓縮強度一般達200～280 MPa，耐久性高。

1.2 采選廢渣集料的性能

按《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）、《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）和《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）標(biāo)準(zhǔn)檢測，尾砂和碎石、廢渣的性能檢驗結(jié)果見表1~表3。

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由表1～表3可知，碎石和尾砂的質(zhì)量滿足《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）和《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的要求；碎石和尾砂有害物質(zhì)含量和放射性低，廢渣吸水率、強度與普通集料相當(dāng)，無鐵分解和集料生銹現(xiàn)象，表觀密度和堆積密度較常規(guī)混凝土集料大；碎石和尾砂表觀密度比常規(guī)混凝土集料高10%左右；廢渣集料堆積密度比常規(guī)混凝土集料高3%～7%。

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2 混凝土配合比設(shè)計

設(shè)計不同水膠比的混凝土，通過試配測試混凝土性能，確定廢渣集料能夠配制的混凝土最高強度等級。按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55—2011）規(guī)定計算、試配和調(diào)整，坍落度控制值為180±30 mm的廢渣集料混凝土配合比見表4。

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集料中細尾砂密度越大，混凝土拌合物的和易性越差。集料密度大，說明材料的結(jié)構(gòu)致密，吸附水的性能差；同時集料密度越大，其與混凝土拌合物中粉料的顆粒質(zhì)量差異增大，混凝土拌合物更容易分層、泌水。研究發(fā)現(xiàn)，單獨采用廢渣機制砂，并摻入細尾砂，細尾砂與中砂按不同比例搭配使用，即使在高水膠比時，廢渣集料混凝土拌合物的保水性仍然較差，易離析，不能滿足混凝土的和易性要求。試驗發(fā)現(xiàn)，采用廢渣機制砂與天然河砂混合，或采用高增粘減水劑（即提高減水劑的增粘組分含量），廢渣機制砂混凝土拌合物的分層、泌水得到改善，和易性能夠滿足要求。

廢渣集料混凝土密度較普通集料混凝土大。全廢渣集料泵送混凝土的密度在2 610 kg/m3，比普通集料混凝土高10%左右，按普通混凝土干表觀密度的要求（2 000～2 800 kg/m3），全廢渣集料混凝土屬于普通混凝土。

3 混凝土的性能

3.1 混凝土的收縮

廢渣集料混凝土與常規(guī)集料混凝土相比，28 d收縮率僅為后者的72%。2種混凝土含有等同的膠材，其收縮驅(qū)動力相同，阻礙收縮的集料體積分?jǐn)?shù)相同，因此，其差異在于集料本身抵抗變形的能力，即集料的彈性模量不同，廢渣集料具有更高的彈性模量，而其混凝土彈性模量比普通集料混凝土高出許多；在C30、C50配合比的2種集料混凝土收縮試驗中，廢渣集料混凝土收縮值均明顯偏小，保守估計，廢渣集料混凝土的收縮值比普通集料混凝土低20%左右。因此，廢渣集料混凝土的體積穩(wěn)定性更好，開裂概率更低，具備更好的耐久性。

3.2 混凝土的彈性模量

廢渣集料混凝土抗壓強度為48.3 MPa、彈性模量為3.62×104MPa，對比用常規(guī)集料混凝土抗壓強度為48.1 MPa、彈性模量為3.22×104MPa，此抗壓強度介于C35和C40之間，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB/T50010—2010）中，C35、C40、C60混凝土的彈性模量值分別為3.15×104，3.25×104，3.60×104MPa，對比用普通集料混凝土的試驗結(jié)果與國家規(guī)范相符，廢渣集料混凝土的試驗結(jié)果達到國家規(guī)范C60混凝土的要求。混凝土作為非勻質(zhì)復(fù)合材料，其彈性模量取決于主要成分的體積分?jǐn)?shù)、密度和彈性模量以及界面過渡區(qū)的特性，廢渣集料混凝土和常規(guī)集料混凝土的水膠比分別為0.42、0.40，2種混凝土的抗壓強度差異小，成分體積分?jǐn)?shù)相同，對比用常規(guī)集料混凝土因水膠比更小而獲得更密實的漿體，因此廢渣集料混凝土彈性模量更高。究其原因，廢渣集料具有更高的表觀密度、更低的吸水率，這與其具有更高的密度和彈性模量相匹配，廢渣集料混凝土收縮率更小，也顯示其集料的彈性模量更高；廢渣集料的高密度和高彈性模量使其混凝土具有高靜力受壓彈性模量，而這樣的混凝土結(jié)構(gòu)會有更大的剛度，更小的變形，對混凝土結(jié)構(gòu)有利，同時，在預(yù)應(yīng)力混凝土中會降低預(yù)應(yīng)力損失。

3.3 混凝土的抗氯離子滲透性能

廢渣集料混凝土與膠材漿體和集料體積分?jǐn)?shù)相同的普通集料混凝土比較，二者抗氯離子滲透性能差異為3%左右。考慮到試驗本身的誤差，可以看出2種集料對氯離子電流的阻礙效果相近，集料本身的電導(dǎo)作用很低，為正常骨料。廢渣集料混凝土C30、C35、C50的電通量與普通集料混凝土C30、C50的電通量都在相應(yīng)強度等級的常規(guī)混凝土電通量范圍內(nèi)，且達到《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T193—2009）中的Q-Ⅲ級別，屬較好。試驗表明，使用高質(zhì)量的粉煤灰，按常規(guī)配合比，廢渣集料混凝土在常用的強度等級（C30～C50）能達到較好的抗氯離子滲透性能。

3.4 混凝土中鋼筋的銹蝕、碳化深度

碳化是鋼筋銹蝕的重要原因，因此將混凝土中鋼筋的銹蝕、碳化深度2個試驗結(jié)果進行統(tǒng)一分析和評價。廢渣集料混凝土與對比用普通集料混凝土的28 d碳化深度分別為6.9，7.2 mm，差異極小，達到《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 193—2009）中的T-Ⅳ級別，其抗碳化性能好，且遠未達到鋼筋銹蝕試驗中鋼筋保護層厚度（20 mm），鋼筋銹蝕試驗結(jié)果中失重率為0.06%，應(yīng)屬于試驗誤差。與用普通集料混凝土比較，廢渣集料混凝土并未顯示出不同的碳化或鋼筋銹蝕情況。

3.5 混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能

在混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能試驗中，水泥水化產(chǎn)物在硫酸鹽環(huán)境下會生成膨脹性產(chǎn)物，當(dāng)膨脹應(yīng)力達到一定程度時就會造成混凝土開裂、剝落。配合比試驗中，均摻入防腐劑來提高混凝土整體的抗硫酸鹽侵蝕性能，作為抗硫酸鹽侵蝕的防腐劑只改善漿體的抗硫酸鹽侵蝕性能，并不會改善集料的性能；2種混凝土的強度損失差異很小，耐蝕系數(shù)接近，表明2種集料在此條件下的性能無差異，防腐配合比的C30廢渣集料混凝土可經(jīng)受KS90規(guī)定的循環(huán)要求，如果摻入防腐效果更好的礦粉，應(yīng)可配制出更高等級的抗硫酸鹽混凝土。

3.6 混凝土的抗凍性能

混凝土的抗凍性能對比試驗表明，廢渣集料混凝土的強度損失率明顯高于對比用普通集料混凝土，證明混凝土中的廢渣集料遭受到更大程度的凍害，其混凝土強度損失率為14.6%，遠低于25%的臨界值，可配制D200混凝土，屬于耐凍融的集料；與河砂相比，廢渣細集料在配制同等級混凝土?xí)r，引氣劑的摻量更大。

3.7 混凝土的抗?jié)B性能

在混凝土的抗?jié)B性能試驗中，廢渣集料混凝土C30、C50的28 d抗水滲透等級分別達到P8、P12，表明在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，泵送配合比的廢渣集料混凝土無需特殊措施即可達到常用的抗?jié)B等級，與大多數(shù)普通集料混凝土一樣。結(jié)合與滲透性相關(guān)耐久性試驗——抗氯離子滲透、碳化和抗硫酸鹽侵蝕，2種集料混凝土的結(jié)果差異均很小，表明廢渣集料在混凝土中的過渡區(qū)與普通集料相比沒有明顯的缺陷或優(yōu)勢，廢渣集料本身在常見的侵蝕環(huán)境下與普通集料一樣顯示出惰性，其耐凍性也能滿足較高的要求，考慮到其收縮表現(xiàn)，廢渣集料混凝土耐久性不會低于普通集料混凝土。

3.8 混凝土中集料的銹蝕

在混凝土中集料的銹蝕試驗中，經(jīng)60 d的觀察，集料未出現(xiàn)銹蝕情況，說明廢渣集料中鐵的形態(tài)在堿性、空氣和水環(huán)境下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

（1）重鋼西昌礦業(yè)公司太和礦區(qū)釩鈦磁鐵礦采選廢石、尾砂可以用作建設(shè)工程普通混凝土的粗細集料。采選廢石、尾砂的性能達到Ⅰ類建設(shè)用砂石的質(zhì)量要求；廢石、尾砂表觀密度比普通集料高10%左右；廢石集料堆積密度比普通集料高3%～7%。

（2）采選廢石集料混凝土配合比可按《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55—2011）規(guī)定進行。

（3）采選廢石集料混凝土具有良好的力學(xué)性能和耐久性，無需特殊技術(shù)措施，該廢石集料可以配制出強度等級為C60的混凝土；廢石集料混凝土具有良好的抗氯離子滲透性、抗凍性、抗腐蝕性，廢石集料混凝土耐久性不低于普通集料混凝土；廢石集料混凝土收縮率比普通集料混凝土低30%左右；全廢石集料泵送混凝土的密度比普通集料混凝土高10%左右，同時滿足普通混凝土表觀密度的要求。