不同分選工藝鉛鋅尾砂制備混凝土及性能研究

許毓海，王明遠＊，趙金三，蘇振華，羅忠濤

（1. 廣西中金嶺南礦業有限責任公司，廣西 來賓 546100；2. 中國建筑技術集團第一工程分公司，北京 100013）

0 引言

隨著鉛鋅礦開采量的逐年提高，對環境的污染也日益加重。開展鉛鋅礦山固體廢棄物綜合利用與處置，實現鉛鋅礦山固體廢棄物的“減量化、無害化、資源化”，化害為利、變廢為寶，走資源開發與環境保護相協調的礦業可持續發展道路，是當今重要的研究方向。針對礦山尾礦綜合利用的問題，國家發展改革委在《“十二五”資源綜合利用指導意見》和《大宗固體廢物利用方案》中明確提出要大力推進尾礦伴生有用組分高效分離提取和高附加值利用、低成本生產建材以及膠凝回填利用，開展生態環境治理，推進建設綠色礦山，提高礦產資源綜合利用率[1,2]。本文研究了不同分選工藝鉛鋅尾砂制備混凝土的力學性能、后期耐久性、安全性，以及重金屬浸出率等，探明分選工藝對鉛鋅尾砂制備混凝土性能的影響規律。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

試驗中所用水泥為中國天瑞集團鄭州水泥公司生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥（OPC）；粉煤灰為 F 類Ⅱ 級粉煤灰，鞏義市怡晟粉煤灰加工廠；S95 級礦渣微粉，焦作市丹陽水泥有限公司；鉛鋅尾砂來自盤龍鉛鋅礦，根據不同分選工藝取兩種，1 號尾砂為經分選后的細尾砂，2 號尾砂為不經分選的全尾砂，經 15min 球磨磨制后，1 號尾砂比表面積為 737m2/kg，2 號尾砂比表面積為 356m2/kg；砂為機制砂和細砂，細度模數分別為 2.8 和 1.0；石為 5～10mm、10～20mm 級配，壓碎指標為 6.8%；減水劑為科之杰新材料集團有限公司生產聚羧酸類高性能減水劑，減水率為 25%；水為自來水。主要原材料分析見表 1 和表 2。

圖1 和圖 2 分別為 1、2 號鉛鋅尾砂的 XRD 測試結果。由圖 1、2 可見，1 號鉛鋅尾砂主要含有的物質為CaMg(CO3)2，即白云石（白云石晶體屬三方晶系的碳酸鹽礦物。晶形為菱面體，晶面常彎曲成馬鞍狀，聚片雙晶常見，多呈塊狀、粒狀集合體。純白云石為白色，因含其他元素和雜質有時呈灰綠、灰黃、粉紅等色，玻璃光澤）；2 號鉛鋅尾砂中除 CaMg(CO3)2，還有部分SiO2。

表1 原料化學組成 %

表2 鉛鋅尾砂化學組成 %

表3 鉛鋅尾砂混凝土配合比 kg/m3

圖1 球磨 45min 1 號尾砂 XRD 圖譜

圖2 球磨 45min 2 號尾砂 XRD 圖譜

1.2 試驗方法

本次試驗以 C30、C40 混凝土配合比設計為主，具體配合比和流動性見表 3。

由表 3 可見，鉛鋅尾砂替代原有摻合料制備混凝土，1 號鉛鋅尾砂加入后 1C30-1、1C40-1，坍落度均有明顯降低，主要原因在于其細度較細，需水量增加明顯，影響混凝土流動性[3]。2 號鉛鋅尾砂加入后的2C30-1、2C30-2、2C40-1、2C40-2，其坍落度明顯改善，尤其采用尾砂替代礦粉的 2C30-2 和 2C40-2 配合比，其坍落度及流動性表現良好。

2 試驗結果及分析

2.1 混凝土力學性能

混凝土力學性能試驗結果見表 4 和圖 3。

表4 混凝土抗壓強度

圖3 各配合比試件不同齡期抗壓強度

圖3 為各齡期鉛鋅尾砂制備混凝土的抗壓強度，由數據可見，各齡期抗壓強度均能達到規定要求的配合比為 1C30-1、2C30-1 以及 1C40-1、2C40-1，結合坍落度及和易性表現來看，能夠符合實際生產的為 2C30-1 及1C40-1、2C40-1，其尾砂摻量為 20%，且宜等量替代粉煤灰，與礦粉復摻效果更好。

2.2 混凝抗滲透性

采用美國 ASTM C1202 規定的氯離子滲透快速測定方法，按照表 3 混凝土配合比配制圓柱體（Ф100mm×50mm），每組 3 個試件，標準養護至 28d 齡期，在混凝土試件的軸向施加 60V 的直流電壓，試件的正、負極兩側分別放置濃度為 0.3% NaOH 和 3% NaCl 溶液，記錄 6h 內通過試件的電量 Q值。利用通過混凝土的電量計算出擴散系數 Deff。

對普通混凝土：Deff=0.0103× 10-8Q0.84。計算結果見表 5。

表5 氯離子滲透快速測定結果

隨著混凝土強度等級的增加，其通過電量明顯降低，由 C30 的 985C 降低到 C40 的 876C，主要在于混凝土膠凝材料增加引起其硬化結構密實度的提高，從而提高了其整體的抗滲透性。并且發現采用多組分復合膠凝組分的試樣其抗 Cl-離子滲透性能略有下降，但仍滿足工程中鋼筋混凝土的應用范圍，仍具有較高的耐久性。其抗滲性能略有降低的主要原因在于鉛鋅尾砂活性較低，形成的混凝土結構致密性不足[4]。

2.3 混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

將養護齡期為 28d 的混凝土試塊浸泡于硫酸鈉溶液中，硫酸鈉的濃度為 5wt%，每 7d 更換一次溶液，模擬自然狀態下混凝土的侵蝕環境，通過觀察其外觀形貌變化，并測定其質量損失來判斷混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2.3.1 外觀變化

見圖 2。經過 28d 的硫酸鈉溶液浸泡，各試件外觀無明顯變化，邊角清楚，無表皮脫落現象，說明其 28d齡期抗硫酸鹽侵蝕性能良好。

圖2 不同配合比混凝土硫酸鹽侵蝕 28d 后外觀

2.3.2 抗壓強度變化

結果詳見表 6，可見各混凝土試件養護 28d 后再被硫酸鹽侵蝕，侵蝕早期 14d 之前，隨著浸泡時間延長，各試件抗壓強度有所增長，主要在于早期硫酸鹽與混凝土試件水化釋放的氫氧化鈣反應形成硫酸鈣附著于孔隙及毛細管道中，從而形成致密結構。而在 28d 時，形成的硫酸鈣體積膨脹造成孔隙越來越大，新的硫酸鹽溶液進一步侵入，從而導致其抗壓強度明顯下降，但下降幅度與空白樣基本一致，其中 1C40-1 和 2C40-1 表現較好。

表6 硫酸鹽侵蝕環境下試件各齡期強度變化

2.4 混凝土重金屬浸出毒性

混凝土重金屬含量結果見表 7。

表7 混凝土試件鉛鋅重金屬浸出毒性

由表 7 可見，混凝土鉛鋅重金屬浸出濃度遠低于國家標準 GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》，說明當鉛鋅尾礦作為摻合料成型混凝土時，混凝土結構對鉛鋅尾礦中的鉛鋅重金屬具有很好的固化作用，能起到固廢資源化和降低環境危害的雙重效果。

3 結論

分選工藝對鉛鋅尾砂特性較大，經分選的鉛鋅尾砂同等磨細時間下其比表面積遠遠大于全尾砂，鉛鋅尾砂粉的細度是影響其制備混凝土的力學性能及新拌混凝土流動性的主要因素。并且隨鉛鋅尾砂摻量的增加，水泥砂漿及混凝土的抗壓強度均逐漸降低。綜合考量各試件抗壓強度，氯離子滲透及抗硫酸鹽侵蝕等后期耐久性等，推薦 1 號鉛鋅尾砂摻量應控制在 15% 以內，因其拌和性能較差所以建議制備對流動性要求不高的預制構件混凝土。2 號鉛鋅尾砂摻量應控制在 20% 以內，可用于制備普通混凝土。