鐵尾礦砂應用于混凝土的可行性研究*

朱志剛　李北星　周明凱　劉錦成

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室　武漢　430070)

鐵尾礦砂應用于混凝土的可行性研究*

朱志剛李北星周明凱劉錦成

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室武漢430070)

摘要：為研究鐵尾礦利用效率、價值及安全性，對比了石英砂、河砂、北京密云鐵尾礦砂、河北遷安鐵尾礦砂作為細骨料制備砂漿與UHPC的性能.實驗結果表明，2種尾礦砂物化性能均符合我國《建筑用砂》(GB/T14684-2011)標準；原始級配的兩種尾礦砂制備出的標準砂漿強度低于河砂砂漿，除去-0.15 mm部分的尾礦砂制備出的UHPC強度略低于石英砂UHPC，但遠高于河砂UHPC，證明尾礦砂可作為細骨料應用于混凝土中.

關鍵詞：尾礦砂；砂漿；UHPC；強度

0引言

尾礦砂是選礦后產生的廢棄物，2010年我國鐵尾礦的堆積量已接近50億t，占全國尾礦總量的1/2[1-2].尾礦占用大量土地并會造成周邊環境的重金屬污染[3-5]，已變成一種亟待解決的礦產資源.目前，鐵尾礦已被廣泛應用于建筑材料，如耐火材料、多孔保溫材料，水泥混凝土骨料、陶瓷及微晶玻璃等[6-7].

李曉光等[8]研究了鐵尾礦水泥砂漿的力學性能及孔結構特征，倪文等[9-12]做了大量鐵尾礦砂作為細骨或者粉磨至一定細度作礦物摻合料料制備混凝土的研究，但是均是直接從宏觀強度進行對比，并未詳細的研究尾礦砂的物化性能、其是符合建筑用砂標準等.

實驗物化性能方面系統研究了2種尾礦砂是否符合我國《建筑用砂》(GB/T14684-2011)標準，在此基礎上對比與河砂制備標準砂漿的強度，并進一步對比與河砂、石英砂制備超高強混凝土(UHPC)的性能，為尾礦砂作為骨料進行工程應用提供了較為全面的理論依據.

1實驗材料與方法

1.1實驗材料

1) 采用華新52.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1，其化學成分見表2.由水泥物理性能檢測結果來看，所用水泥的基本性能均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)的指標.

表1　水泥基本物理性能

表2　水泥化學成分　%

2) 礦物摻合料使用的是黃石某廠生產的一級粉煤灰，密度為2.36 g·cm-3，比表面積為7 200 cm2·g-1，需水量比為93%；微珠為深圳同成新材料科技有限公司的灰白色微珠，主要粒度分布為0.1～5 μm，自然狀態表觀密度為0.67 g·cm-3；硅灰為某廠提供的灰白色硅灰，比表面積為22.4 cm2·g-1，平均粒徑為0.2 μm，需水比為113%左右,化學成分見表3.

表3　粉煤灰的化學成分組成　%

3) 砂分別為標準石英砂(ISO)，北京密云鐵尾礦砂、河北遷安鐵尾礦砂與河砂.水為武漢自來水.聚羧酸系高效減水劑，減水率30%左右.

1.2成型方式與養護條件

1) 按照《水泥膠砂強度檢測方法》(GB17671-1999)測試方法，水膠質量比0.5，膠砂質量比1∶3，制備成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，成型室溫度應保持在(20±2) ℃，相對濕度應不低于50%，試件拆模后放入溫度為(20±2) ℃，相對濕度應不低于90%的養護箱內養護至一定齡期進行測試.UHPC配合比見表4.

表4　UHPC配合比

2) 將UHPC置于100 mm×100 mm×100 mm，100 mm×100 mm×400 mm模具中成型，成型室溫度應保持在(20±2) ℃，相對濕度應不低于50%，1 d后拆模然后置于常溫水中加熱至90 ℃養護48 h(升溫速度≤15 ℃/h)，然后將試塊放入溫度為(20±2) ℃，相對濕度應不低于90%的養護箱內養護至一定齡期進行測試.

2實驗結果與討論

2.1鐵尾礦砂的化學成分

對鐵尾礦砂的化學成分與礦物成分進行了分析，結果見表5與表6.由表5可見，2種尾礦砂的化學成分接近，SiO2的含量均在65%以上，屬于富硅鐵尾礦.由表6可見，鐵尾礦砂的主要礦物是石英巖或花崗巖類礦石.由表7可見，所選的2種尾礦的有害物質均低于國家標準，壓碎值與放射性也是合格，并且無堿集料反應.

表5　2種尾礦砂的化學成分　%

表6　2種砂的礦物成分

表7　尾礦骨料性質檢測結果　%

2.2鐵尾礦砂的物理性質

圖1為北京密云、河北遷安鐵尾礦砂與河砂級配曲線圖，它們的細度模數分別為2.08，2.34與2.96，說明密云鐵尾礦砂為細沙，河北遷安鐵尾礦砂與河砂均為中砂.

圖1　3種砂級配曲線圖

由圖1可見，尾礦砂的粒徑分布小于河砂，尾礦砂的粒徑主要集中分布在0.15～1.18 mm范圍內，而河砂的分布在各個區間雖然也有差異但相對而言較為平均，且在這個范圍區間內的顆粒質量分數僅為51%，而2種鐵尾礦由于破碎機破碎與再篩選的緣故導致其顆粒分布出現“中間大，兩頭小”的現象，在此范圍區間內顆粒的質量分布在75%左右，也許在制備標準膠砂時尾礦砂作為骨料的級配不是很好，但是其這種粒徑分布較小的特點為其作為細骨料制備UHPC卻會保證更大的利用效率.

表8為北京密云、河北遷安鐵尾礦砂與河砂的基本物理性質.從表觀密度與緊堆密度來看，河砂的表觀密度最小，2種尾礦砂接近，緊堆密度是河砂最大，其次是遷安尾礦砂，最松散的為密云尾礦砂，結合其細度模數來分析，可見在0～4.75 mm范圍內河砂的連續級配分布最為合理，這點從緊堆空隙率也得到證明；從其作為骨料的“骨架”作用來看，河砂的壓碎值與堅固性數值均最小，說明其顆粒平均強度更高且具有更好的穩定性質；吸水率方面，河砂最低，密云鐵尾礦砂最高，這是由它們自身的顆粒表面所致，河砂是受水泥長期沖刷而成，表面圓滑且棱角較少，而鐵尾礦砂是經過破碎機破碎所得，形貌變化多樣且棱角較多，從圖2對比可見，河砂表面干凈整潔，而尾礦砂則模糊不清且大多為帶棱角顆粒.

表8　3種砂的物理力學性質

圖2　鐵尾礦砂與河砂的外觀形貌

從實驗內容結果可得出，原始級配的尾礦砂在堆積密度、堅固性等多數指標不如河砂，但是其化學性質與物理性能均符合我國《建筑用砂》(GB/T14684-2011)標準，說明在理論上其是可以作為骨料制備混凝土.

2.3鐵尾礦砂制備標準膠砂

試驗使用兩種鐵尾礦砂與河砂做為骨料按照標準制備標準砂漿對比其影響.

按照《水泥膠砂強度檢測方法》(GB17671-1999)測試方法，水膠比0.5，膠砂比1∶3，制備成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，成型室溫度應保持在(20±2) ℃，相對濕度應不低于50%，試件拆模后放入溫度為(20±2) ℃，相對濕度應不低于90%的養護箱內養護至一定齡期進行測試.

圖3為利用北京密云鐵尾礦砂、河北遷安鐵尾礦砂及河砂作為骨料按照標準砂漿的制作方法制備出的砂漿強度對比圖.

圖3　3種砂制備標準砂漿的強度

由圖3a)可見，3 d養護齡期時，北京密云鐵尾礦砂制備出的砂漿抗壓強度最低為27.7 MPa，其次是遷安尾礦制備出的砂漿抗壓強度為30.1 MPa，比強度最高的河砂砂漿強度僅僅低了0.4 MPa.28 d養護齡期時三者強度對比結果與3d強度增長速度一致，密云尾礦、遷安尾礦與河砂三者制備出的砂漿抗壓強度分別為41.8，44.1與46.3 MPa，遷安尾礦砂漿的強度也僅僅比河砂砂漿強度低2.2 MPa.

由圖3b)可見，3 d養護齡期時，北京密云尾礦砂砂漿的抗折強度最低，但是遷安尾礦砂漿的抗折強度還略高于河砂砂漿，這是因為在振搗成型中難免會引起各材料在砂漿中的分布不均勻，而3 d時抗壓強度兩者本來就非要接近，導致尾礦砂的強度高于河砂砂漿.28 d養護齡期時，抗折強度的對比結果與抗壓結果一致.

從試驗前面3種砂性能對比可知，河砂作為細骨料的其自身的強度與穩定性高于尾礦砂，同時其緊堆密度也大于尾礦砂，河砂表面“圓滑”且干凈，眾所周知，骨料與膠凝材料之間的界面過渡區是混凝土中的強度最薄弱環節，尾礦砂棱角較多，表觀密度較大，含有更多0.15 mm以下的微小顆粒，在混凝土中會產生更大面積的界面過渡區，這些因素都會降低混凝土的致密性與強度.原始級配的密云尾礦砂在性能上明顯要差于另外兩種砂，但制備出的砂漿強度差別也不是特別大.遷安尾礦性能比較接近河砂并且從制備砂漿的結果來看，兩者基本上相同，所以利用尾礦砂作為骨料制備砂漿是完全可行的.

2.4鐵尾礦砂制備無纖維UHPC

試驗前期已得出尾礦砂作為骨料制備砂漿是可行的，為進一步證明尾礦作為骨料的品質與普遍的適應性，充分利用其顆粒粒度較細的特點，預將鐵尾礦砂作為骨料替代石英砂或者河砂制備UHPC，由于前期工作結果已得出原級配的尾礦砂0.15 mm以下顆粒較多，并且顆粒表面附著大量的粉塵顆粒，尾礦砂可視為一種機制砂其級配容易人工控制，作者在制備UHPC之前對尾礦砂進行了清洗選取0.15 mm以上顆粒，石英砂的級配按照洗后密云尾礦的級配人工復配.

圖4是利用石英砂、密云尾礦砂、遷安尾礦砂與河砂制備UHPC的強度結果.不論是抗壓強度還是抗折強度，它們都呈現相同的對比結果：石英砂制備出的UHPC強度最高，其次是遷安尾礦砂、再其次是密云尾礦砂，強度最低的反而是河砂制備出的UHPC.這主要是UHPC作為一種超高強混凝土，其內部結構已經很密實，并且其普遍選用+0.3 mm的石英砂作為骨料，一是可以削弱因為骨料與膠凝材料之間的界面過渡區帶來的負面影響；另一方面就是可以避免泥粉引起混凝土的結構破壞.

圖4　4種砂制備UHPC

對比3 d與28 d抗壓強度，可以看出不論是何種骨料制備UHPC，其28 d強度比3 d強度出現了倒縮現象.這是因為采用90 ℃熱水養護，高溫養護會加速膠凝材料的水化，促使其早期強度明顯的升高，但同時熱水養護會導致水化產物分布不均或是水化產物集中，水化產物分布低的部位成為混凝土的薄弱環節，水化產物高的區域包裹在水泥粒子的周圍，妨礙水化產物的進行，從而減少水化產物的摻量.同時混凝土內外部溫度差異產生的溫度梯度引起內部應力，促使混凝土內部的氣體通過連通孔往溫度低的外部流出，孔結構的破壞從而導致后期強度的倒縮.

從4種砂制備UHPC的結果來看，除去石粉與泥粉的尾礦砂作為骨料制備UHPC的強度均高于河砂，雖然低于石英砂但是差距較小.結果證明尾礦砂是可以作為骨料制備UHPC.尾礦砂也可視為一種機制砂，在篩選過后容易經過人工控制來調整其粒徑分布，其經濟性遠超河砂與石英砂，這為其作為細骨料制備超高強混凝土提供了更好的選擇性與可行性.

3結論

1) 選用的原始級配北京密云鐵尾礦砂與河北遷安鐵尾礦砂的化學成分、物理性質均符合我國《建筑用砂》GB/T14684-2011標準，它們的細度模數分別為2.08、2.34，屬于中砂.

2) 利用兩種尾礦砂與河砂制備標準砂漿，由于尾礦砂顆粒棱角多、-0.15 mm顆粒多等原因，導致尾礦砂漿3 d、28 d強度均低于河砂砂漿，但自身強度較高的遷安尾礦砂漿28 d抗壓強度僅比河砂低2.2 MPa.

3) 選取+0.15 mm尾礦砂對比用石英砂及河砂制備UHPC，石英砂制備出的UHPC強度最高，其次是遷安尾礦砂、再其次是密云尾礦砂，強度最低的反而是河砂制備出的UHPC.可見控制尾礦的石粉與含泥量是保證其應用于混凝土的有效手段.

參 考 文 獻

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The Feasibility Study of Concrete with Iron Ore Tailings

ZHU ZhigangLI BeixingZHOU MingkaiLIU Jincheng

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract：To investigate the utilization efficiency, value and safety of iron ore tailings, the performances of mortar and UHPC with two different kinds of iron ore tailings, river sand and quartz sand as fine aggregate are compared. The experimental results show that the properties of the two kinds of iron ore tailings both conform to the building sand GB/T14684-2011 standard of China. The strength of mortar prepared by the two kinds of iron ore tailings based on the original grading is lower than that prepared by river sand. However, when the -0.15 mm part of iron ore tailings is removed, the strength of UHPC with iron ore tailings is slightly lower than that of UHPC with quartz sand, but far higher than that of river sand, proving that the iron ore tailings can be used as fine aggregate in concrete.

Key words：iron ore tailings; mortars; UHPC; strength

收稿日期：2016-04-10

中圖法分類號：X753

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.007

朱志剛(1987- )：男，博士生，主要研究領域為混凝土

*國家自然科學基金項目資助(51372185)