張建林，韓顯松

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

鐵尾礦混凝土應(yīng)用特性試驗(yàn)研究*

張建林1，韓顯松2

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

∶隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)，選礦過程中不斷產(chǎn)生尾礦，因其排放量大、利用率低的特點(diǎn)，造成了一系列環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題，如何提高尾礦利用率已成為世界范圍內(nèi)的課題。提出用鐵尾礦代替常規(guī)細(xì)骨料配制混凝土，變廢為寶。將原始鐵尾礦進(jìn)行篩分，按照粒徑分布分級(jí)代替普通砂作為新細(xì)骨料配制混凝土，測(cè)試其和易性、抗壓強(qiáng)度以及耐久性，并與普通混凝土作對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鐵尾礦部分或全部代替普通砂作為細(xì)骨料配制的混凝土與普通混凝土相比，坍落度降低，抗壓強(qiáng)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(xì)骨料配制混凝土技術(shù)上是可行的，工程性質(zhì)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(qiáng)度;耐久性

0 引言

鐵尾礦是在鐵精礦生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)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(yīng)鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)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(guó)累計(jì)一年生產(chǎn)尾礦達(dá)70多億t，其中鐵尾礦占全部尾礦的1/3左右，但是我國(guó)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(fèi)大量的礦產(chǎn)資源，擠占大量土地，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染［1-3］，嚴(yán)重制約了礦產(chǎn)業(yè)及鋼鐵工業(yè)的高速發(fā)展。面對(duì)堆積的大量尾礦給礦業(yè)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)所帶來的問題以及礦場(chǎng)和鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須提高尾礦資源的綜合利用率，而進(jìn)行尾礦的二次利用是解決尾礦問題的根本出路。

國(guó)外對(duì)鐵尾礦的綜合利用非常重視，許多發(fā)達(dá)國(guó)家在鐵尾礦中回收有價(jià)金屬與非金屬元素，對(duì)尾礦進(jìn)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(fù)墾尾礦庫等［4-5］，尾礦的綜合利用率達(dá)到60%以上。近年來，為了響應(yīng)節(jié)能環(huán)保、倡導(dǎo)綠色建筑的號(hào)召，鐵尾礦的綜合利用在我國(guó)已被普遍關(guān)注，礦山企業(yè)與高校、研究所等單位展開緊密合作，廣泛開發(fā)鐵尾礦的綜合利用技術(shù)，雖然相關(guān)研究起步晚，但在鐵尾礦的綜合利用方面發(fā)展迅速，取得了一些實(shí)用性成果。我國(guó)對(duì)于鐵尾礦的處理和應(yīng)用，雖然也涉及回收有價(jià)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(zhì)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］?？紤]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(nèi)以及礦區(qū)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(xì)骨料，以鐵尾礦代替普通砂作為新的細(xì)骨料配制混凝土，測(cè)試其和易性、強(qiáng)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(jìn)一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料

水泥∶陜西某廠家生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5R.

砂∶采用級(jí)配區(qū)為Ⅱ區(qū)的普通砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，表觀密度為2 660 kg/m3，顆粒分析結(jié)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(jí)粉煤灰。

外加劑∶本試驗(yàn)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(xué)成分分析見表2.

拌合水∶本試驗(yàn)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(xué)成分分析Tab.2 Iron tailings chem ical com position analysis%

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案

混凝土配合比見表3，按此配合比，以普通砂作為細(xì)骨料，配制的混凝土作為對(duì)比組，稱為原狀混凝土，記做Y1;對(duì)鐵尾礦按照表1所示粒徑進(jìn)行篩分，然后按照不同粒徑為分界，分別取代普通砂作為細(xì)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(duì)配制的混凝土Y1，Q1，Q2和Q3，分別將其和易性、抗壓強(qiáng)度及耐久性進(jìn)行比較。

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

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 和易性測(cè)定

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080—2002)測(cè)定Y1，Q1，Q2和Q3混凝土的坍落度和表觀密度，結(jié)果見表4.

表4 和易性測(cè)定結(jié)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(jié)果表明∶①鐵尾礦對(duì)混凝土的流動(dòng)性有阻礙作用;②鐵尾礦顆粒越細(xì)，對(duì)混凝土流動(dòng)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(huì)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(xì)，細(xì)顆粒與水泥漿結(jié)合粘聚力增大，流動(dòng)性有偏小趨勢(shì)，故坍落度降幅減?。?1-12］。

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(xué)分析可以看出，鐵尾礦和普通砂的化學(xué)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(yàn)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(qiáng)度測(cè)定

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(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(guī)范分別測(cè)定7，28，90 d的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果取平均，結(jié)果見表5.

表5 抗壓強(qiáng)度Tab.5 Com pressive strength MPa

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度都有提高，其中，完全被鐵尾礦取代后的混凝土強(qiáng)度最高;隨著取代量的增加，強(qiáng)度的增幅是逐漸減小的。結(jié)果表明∶①鐵尾礦相比普通砂作為細(xì)骨料對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用;②細(xì)骨料中，大粒徑顆粒對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的改善作用較小顆粒明顯。

強(qiáng)度增加的原因主要有2個(gè)方面。

1)鐵尾礦的化學(xué)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(xué)成分在混凝土發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)起著積極作用，類似活性氧化劑，對(duì)于混凝土強(qiáng)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(jié)，有利于提高混凝土強(qiáng)度。

2.2.3 耐久性測(cè)試

按照規(guī)范《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082—2009)要求，分別對(duì)混凝土抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性進(jìn)行測(cè)試。

1)抗?jié)B性。抗?jié)B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(cè)試采用逐級(jí)加壓法，結(jié)果見表6.

表6 抗?jié)B等級(jí)Tab.6 Permeability grade

從表6可以看出，隨著鐵尾礦對(duì)普通砂的取代率越大，混凝土的抗?jié)B等級(jí)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?jié)B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(shì)，即起抗?jié)B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(xì)，更易填充混凝土并與混凝土膠凝材料結(jié)合，對(duì)抗?jié)B性的提高起關(guān)鍵作用。

2)抗凍性。試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);凍融循環(huán)50次;試件3組∶鑒定28 d強(qiáng)度一組，凍融試件1組，對(duì)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(cè)定結(jié)果見表7.

表7 凍融循環(huán)結(jié)果Tab.7 Results of the freeze-thaw cycle%

從表7可以看出，質(zhì)量損失率最大的為Q3組，損失率為0.45%，小于5.00%，同時(shí)抗壓強(qiáng)度損失率小于25.00%;抗壓強(qiáng)度損失率最大的為Q1組，損失率為2.89%，小于25.00%，同時(shí)質(zhì)量損失率小于5.00%.與普通砂混凝土相比，鐵尾礦混凝土質(zhì)量損失率偏大，但是都在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)，而鐵尾礦混凝土抗壓強(qiáng)度損失率偏小。試驗(yàn)結(jié)果表明∶鐵尾礦取代普通砂對(duì)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(yǎng)護(hù)，另外兩組分別置于0.1 mol/L的H2SO4和1 mol/L的NaOH溶液中，養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)定其質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度耐蝕性，以此評(píng)判其抗侵蝕性。結(jié)果見表8.

表8 抗侵蝕性結(jié)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(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率小，但相差不大。結(jié)果表明∶鐵尾礦取代普通砂對(duì)混凝土的耐腐蝕性基本無影響。

3 結(jié)論

1)用鐵尾礦全部或部分代替普通砂作為細(xì)骨料配制的混凝土，其和易性、抗壓強(qiáng)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(xì)骨料配制混凝土是可行的;

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

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

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

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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(zé)任編輯∶楊忠民

∶陜西省自然科學(xué)基金(2013JM5004);陜西省攻關(guān)計(jì)劃(2013k06-27)

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