改性鐵尾礦微粉混凝土的性能研究

劉娟紅 吳瑞東 李生丁

（1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.福建金磚資源再生有限公司，三明 365104）

隨著冶金工業(yè)的迅速發(fā)展，尾礦的產(chǎn)生量不斷增加。尾礦是在開采、分選礦石之后排放的暫時(shí)不能被利用的固體或粉狀廢料，包括礦山尾礦和選礦廠尾礦。當(dāng)前，世界各國(guó)每年排出的尾礦量約為50億噸，而我國(guó)在2000年尾礦排放量就高達(dá)6億噸。在我國(guó)，現(xiàn)有大中型的鐵尾礦庫(kù)400多個(gè)，堆存的鐵尾礦在80億噸以上。隨著尾礦量的增多，尾礦壩越來越高，堆壩和管理工作越來越困難，特別是細(xì)粒尾礦及浮選廠排出的尾礦，對(duì)農(nóng)田、水源產(chǎn)生污染，嚴(yán)重影響著環(huán)境[1-4]。我國(guó)尾礦綜合利用率僅為7%左右，遠(yuǎn)低于國(guó)外60%的利用率，和發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距很大，大量的尾礦只能堆放在尾礦庫(kù)。因此，將尾礦加以利用，變廢為寶，是廣大科技工作者十分關(guān)心的問題[5-7]。我國(guó)在從尾礦中回收有價(jià)金屬與非金屬元素，利用尾礦制作建筑材料，將磁化尾礦作為土壤改良劑和尾礦整體利用等方面已經(jīng)取得了實(shí)用性成果[8]。另一方面，隨著綠色高性能混凝土的飛速發(fā)展，礦物摻合料已逐漸成為混凝土中除砂、石、水泥、水、高效減水劑以外不可缺少的第六組分[9]。我國(guó)目前用量最大的礦物摻合料是粉煤灰，這導(dǎo)致我國(guó)粉煤灰的數(shù)量迅速減少，尤其北京地區(qū)粉煤灰資源緊缺，主要靠來自山東、內(nèi)蒙古等地區(qū)的Ⅱ、Ⅲ級(jí)粉煤灰作為礦物摻合料配制混凝土[10]。因此，利用鐵尾礦微粉代替粉煤灰制備混凝土，不僅對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少環(huán)境污染、除危及人民生命及財(cái)產(chǎn)的安全隱患等具有重要意義，還解決北京地區(qū)粉煤灰資源緊缺的燃眉之急。

本文利用兩種不同細(xì)度的改性鐵尾礦微粉和粉煤灰，分別配制出C20-C60的大流態(tài)混凝土，研究不同比例的鐵尾礦微粉摻合料對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響，并研究鐵尾礦微粉礦物摻和料對(duì)不同等級(jí)下混凝土和易性、強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及耐久性（碳化試驗(yàn)、抗?jié)B試驗(yàn)）的影響。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料包括：P·O42.5水泥（水泥的主要性能指標(biāo)見表1）；Ⅱ級(jí)粉煤灰（細(xì)度為10.2、需水量96%）；S95磨細(xì)礦渣粉；兩種不同細(xì)度改性鐵尾礦微粉（其主要性能見表2）；細(xì)骨料為2區(qū)人工砂；粗骨料為5mm~10mm的細(xì)石子與10mm～20mm的粗石子以1:2的比例混合使用；拌合用水為生活用水；減水劑為萘系減水劑（C20-C50混凝土）和西卡聚羧酸減水劑（C55、C60混凝土）。

1.2 試驗(yàn)方法

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE30-2005）中水泥凈漿的制備方法，制成水泥試件，測(cè)量其凈漿流動(dòng)度；按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程測(cè)量混凝土的坍落度；混凝土的強(qiáng)度是利用YAW-YAW 2000A型200t微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定的（抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的加荷速度控制在2400N/s±200N/s速率范圍內(nèi)）。混凝土試件尺寸為100mm×100mm×100mm，1d拆模并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)（室溫20℃+3，相對(duì)濕度：90%以下）養(yǎng)護(hù)至28d完畢后，60℃干燥48h，移入碳化箱中碳化，經(jīng)14d持續(xù)碳化后再取出試件測(cè)定其碳化深度。

1.3 試驗(yàn)配合比和試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)制備了C20-C60強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，設(shè)計(jì)了兩種鐵尾礦微粉與Ⅱ級(jí)粉煤灰的對(duì)比，以了解鐵尾礦微粉對(duì)混凝土的性能影響。表3中，分別用等量的兩種鐵尾礦微粉、粉煤灰和礦粉，制備混凝土試塊，每組試驗(yàn)保證鐵尾礦微粉和粉煤灰等量，其他原材料量不變。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同摻合料對(duì)凈漿流動(dòng)度的影響

將鐵尾礦微粉分別取代0%、10%、20%、30%和40%的水泥用量，制成水泥試件，測(cè)定凈漿流動(dòng)度，結(jié)果曲線圖見圖1。

從試驗(yàn)曲線可以看出，兩種鐵尾礦微粉形成的水泥圓餅的直徑基本隨著鐵尾礦微粉替代水泥的比例的增加而增大。由于鐵尾礦微粉的水化速度不如水泥水化速度快，需水量小于95%，摻入鐵尾礦微粉（取代等量水泥）的水泥泥漿，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均可延長(zhǎng)。適當(dāng)延長(zhǎng)水泥凝結(jié)時(shí)間，對(duì)大體積混凝土非常有利，可防止水化熱集中釋放。凈漿擴(kuò)展度隨著鐵尾礦微粉摻量的增加而增大，能使施工時(shí)混凝土拌合物的流動(dòng)性增大、和易性改善、泵送能力增強(qiáng)。總之，以鐵尾礦微粉作為摻合料制備的混凝土，與Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土相比，流動(dòng)性和保水性更好。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

表2 鐵尾礦微粉主要性能

表3 鐵尾礦微粉（或粉煤灰）和礦粉配制各等級(jí)混凝土的配合比（Kg/m 3）

表4 粉煤灰和鐵尾礦微粉對(duì)混凝土工作性能的影響

圖1 鐵尾礦微粉摻和的凈漿流動(dòng)度

2.2 不同摻合料對(duì)混凝土工作性的影響研究

根據(jù)表4中的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，用鐵尾礦微粉作為摻合料制備混凝土，混凝土坍落度都很好，均大于200mm；在用水量和水膠比相同、外加劑用量基本相同的情況下，鐵尾礦微粉一、二混凝土的坍落度大于粉煤灰混凝土；在每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)下，坍落度達(dá)到最大值的試塊基本都摻入了鐵尾礦微粉。綜合考慮，鐵尾礦微粉一、二混凝土試樣的流動(dòng)性、和易性大于粉煤灰混凝土試樣，在坍落度、擴(kuò)展度、和易性、流動(dòng)性上都有較好的工作性能，滿足混凝土要求的工作性能。

2.3 不同摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響研究

根據(jù)圖2可知，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)呈增加的趨勢(shì)，且鐵尾礦微粉的摻入和粉煤灰一樣，都對(duì)混凝土強(qiáng)度提高有很大影響，對(duì)一些強(qiáng)度等級(jí)的混凝土提高比例甚至大于Ⅱ級(jí)粉煤灰。結(jié)合表4中部分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出，摻入了鐵尾礦微粉的混凝土試樣，其強(qiáng)度比之Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土強(qiáng)度基本相當(dāng)，鐵尾礦微粉一比Ⅱ級(jí)粉煤灰的強(qiáng)度還有所提高。因此，用鐵尾礦微粉代替粉煤灰對(duì)混凝土的強(qiáng)度基本沒有影響。

2.4 不同摻合料對(duì)混凝土碳化深度的影響研究

試驗(yàn)針對(duì)摻有等量尾礦微粉和粉煤灰的不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，分別測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，其在標(biāo)準(zhǔn)碳化條件下的碳化深度。碳化試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由試驗(yàn)可得出，隨著混凝土強(qiáng)度的增大，混凝土碳化深度的變化總趨勢(shì)為減小。在較低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，鐵尾礦微粉混凝土的碳化深度比Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土的碳化深度略有增加；在較高強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，鐵尾礦微粉混凝土的碳化深度比Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土的碳化深度反而更小。綜合以上分析，鐵尾礦微粉在抗碳化性能上與Ⅱ級(jí)粉煤灰基本相當(dāng)，對(duì)于耐久性影響不大。

結(jié)論

（1）凈漿擴(kuò)展度隨著鐵尾礦微粉摻量的增加而增大，能使施工時(shí)混凝土拌合物的流動(dòng)性增大、和易性改善、泵送能力增強(qiáng)，摻入鐵尾礦微粉的水泥泥漿，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均延長(zhǎng)地更為明顯，對(duì)大體積混凝土非常有利；

圖2 不同種類摻合料配制的混凝土強(qiáng)度

表5 鐵尾礦微粉和粉煤灰制備各級(jí)混凝土的碳化深度

（2）摻入鐵尾礦微粉的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失減小，坍落度保留值增加，鐵尾礦微粉的摻入可以有效地改善水泥攪拌時(shí)的流動(dòng)性，延長(zhǎng)水泥凝結(jié)時(shí)間，并且隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)；

（3）混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)呈增加的趨勢(shì)，且鐵尾礦微粉的摻入和粉煤灰一樣，都對(duì)混凝土強(qiáng)度提高有很大影響，甚至提高比例大于粉煤灰；

（4）鐵尾礦微粉一、二抗碳化能力基本與Ⅱ級(jí)粉煤灰相當(dāng)，對(duì)耐久性影響不大。

由上述結(jié)論可知，鐵尾礦微粉的摻入使混凝土的流動(dòng)性增大、和易性改善、泵送能力增強(qiáng)；在保證混凝土工作性、強(qiáng)度、耐久性方面，鐵尾礦微粉可以代替粉煤灰作為摻合料。

[1] 楊國(guó)華，郭建文，王建華.尾礦綜合利用現(xiàn)狀調(diào)查及其意義[J].礦業(yè)工程，2010，（1）:55-57.

[2] 唐寶彬，張麗霞.礦山尾礦等二次資源的綜合利用與問題探討[J].濕法冶金，2005，（2）:69-72.

[3] 袁劍雄，劉煒平.國(guó)內(nèi)尾礦在建筑材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2005，（1）:13-16.

[4] Das S K,Kum ae San jay,Ram achand raro P.Exp loitation of iron ore for the developmen t of ceram ic tiles[J].Waste Management,2002,20:725-729.

[5] Zhang S,Xue S,Liu X,et al.Current situation and comprehension utilization of iron Ore tailing resources[J].Journal of Mining Science,2006,42（4）;403-408.

[6] Kangal O,Guney A.Pilot scale tests for evaluation of feldspar tailings for ceram ic industry[J].Key Engineering Materials,2004,264（2）:1415-1418.

[7] 徐鳳平，周興龍，胡天喜.國(guó)內(nèi)尾礦資源綜合利用的現(xiàn)狀及建議[J].礦業(yè)快報(bào)，2007，（3）.

[8] 吳德禮，朱申紅，王錚.國(guó)內(nèi)外礦山尾礦綜合利用現(xiàn)狀與思考[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（2）.

[9] 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

[10] 程琳琳，朱申紅.國(guó)內(nèi)外尾礦綜合利用淺析[J].中國(guó)資源綜合利用.2005,（11）.