不同巖性尾礦砂混凝土性能的研究

崔彥發CUI Yan-fa；劉東基LIU Dong-ji；高暢GAO Chang；段國偉DUAN Guo-wei

（①河北建研工程技術有限公司，石家莊 050227；②河北省固廢建材化利用科學與技術重點實驗室，石家莊 050227；③中國砂石協會，北京 100831）

0 引言

礦產資源是人類發展和生存極為重要的物質基礎之一，我國每年產生鐵尾礦1.1億t以上，尾礦全鐵品位平均在11%以上[1]。如果從鐵尾礦中回收的鐵精礦按品位60%、產率2%～3%計算，每年可回收鐵精礦300～400萬t，相當于一個大型鐵礦企業選礦廠的產量。因此對尾礦資源進行綜合利用研究，提取尾礦中的目的性礦物，在現有科技水平下，兼顧經濟合理性，最大限度地利用尾礦資源，變廢為寶，既保護生態環境，又有利于企業長遠發展。國內外對鐵尾礦的處理主要通過鐵尾礦再選、用于建筑材料的原料和公路基層填料、水泥生料、制作肥料、尾礦庫堆存及對尾礦復墾和建立生態區等方法，提高鐵尾礦綜合利用率和減少環境影響的目的。

本文針對不同巖性尾礦開展性能調查及在混凝土中的應用研究，不僅可以回收大量礦物資源，提高礦產資源利用率，并且有效地緩解尾礦堆存帶來的大量生態環境問題，而且對發展礦山循環經濟，實現節能減排目標，不同巖性尾礦采掘的可持續發展具有十分重要的意義。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料

承德地區超貧釩鈦磁鐵礦、鑫鑫礦業片麻巖、冀恒礦業矽卡巖三個不同巖性的鐵尾礦砂（圖1）開展其對砂漿性能的影響研究，編號分別為CD，XX，JH，并以標準砂作為基準進行對比，編號為TR。

圖1 不同巖性尾礦砂樣品照片

其樣品化學成分見表1；實驗室自來水；西卡公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率35%，含固量40%；石家莊曲寨水泥有限公司生產的P·O 42.5水泥；Ⅰ級粉煤灰細度（45μm篩余）為8.7%，礦粉，需水量比98%；金泰成公司生產的S95級礦渣粉比表面積429kg/m2活性指數101%。

表1 骨料化學成分分析 %

1.2 試驗儀器

壓力試驗機；凍融試驗機；電通量測定儀；型號為TYCNJ-2的加速碳化箱；烘干箱；游標卡尺。

2 試驗結果及其分析

2.1 抗壓性能

試驗方法依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2002）測試混凝土抗壓強度[2]，結果見表2。

表2 混凝土抗壓強度

通過測試發現不同地區的鐵尾礦砂混凝土其抗壓強度有較大差異，對比天然砂混凝土，增強效果最明顯的是承德地區超貧釩鈦磁鐵礦鐵尾礦砂（CD），增強效果最弱的是冀恒地區礦業矽卡巖鐵尾礦砂（JH），且經過測試的三種鐵尾礦砂混凝土都比天然砂強度更高，力學性能更為優良。

表2可清晰的看出不同地區巖性尾礦砂增強的程度。在低水膠比的C50混凝土中，7d的鐵尾礦砂混凝土強度較天然砂混凝土強度增強不明顯，但28d有顯著增強，隨著水泥水化的加深，鐵尾礦砂本身的石粉會參與其中[3]，并且鐵尾礦砂本身較為多棱角的形貌對混凝土體系起到增強效果，承德地區超貧釩鈦磁鐵礦尾礦砂混凝土強度最高，其本身級配優良，并且比粒度高，表明其比表面積大，與水泥漿體接觸的更充分，鑫鑫礦業片麻巖尾礦砂、冀恒礦業矽卡巖尾礦砂級配與理想級配存在差異，但其石粉含量較高，石粉在體系中可能充當膠結的作用，使砂漿包裹石子更加緊密，增強了抗壓強度。值得注意的是在膠砂試件中超貧釩鈦磁鐵礦砂強度最高，并且片麻巖鐵尾礦砂在低水膠比下強度較天然砂也顯著增強，推測這是由于片麻巖鐵尾礦砂石粉含量較大，使得漿體更多將石子包裹的更緊密，一定程度上相當于變相調高了漿骨比，石子與石子之間的空隙減少，彼此嚙合更密切，提高了混凝土的抗壓強度。

2.2 抗滲性能

鐵尾礦砂混凝土的抗滲性能按照ASTM102標準和CECS207：2006《高性能混凝土應用技術》附錄B混凝土抗氯離子滲透性能試驗方法[4]，通過測定混凝土試件6小時內通過的電量評價混凝土抵抗氯離子滲透能力。測量6小時通過的電量，以庫侖計算評價混凝土抗氯離子滲透性能，如表3。

表3 鐵尾礦砂混凝土抗氯離子滲透性能

表3是采用超貧釩鈦磁鐵礦、片麻巖、矽卡巖三種鐵尾礦砂及天然砂配制的不同強度等級混凝土28d抗氯離子滲透性結果以及等級評價。由表可得超貧釩鈦磁鐵礦砂混凝土的抗氯離子滲透性能最優，其它兩種尾礦砂配制的混凝土抗滲性與天然砂混凝土相當。對于C30和C50兩個強度等級混凝土的抗滲等級分別是中和低，均滿足指標要求。

2.3 抗凍性能

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》標準[5]，對超貧釩鈦磁鐵礦、片麻巖、矽卡巖三種尾礦砂及天然砂配制的不同強度等級非引氣混凝土進行快速凍融試驗，結果見圖2。

由圖2中可得，對于不同細集料配制的同水灰比混凝土，各組試件之間的抗凍性差別不大，總體看超貧釩鈦磁鐵礦砂配制的混凝土抗凍性略優于其它組試件，對于片麻巖和矽卡巖兩種尾礦砂配制的混凝土抗凍性與天然砂相當。

圖2 尾礦砂混凝土快速凍融試驗結果

C30強度等級的各組混凝土可滿足F150抗凍等級的要求，而C50強度等級的各組混凝土當經過300次凍融循環后，相對動彈性模量仍高于60%，抗凍等級可達到F300的要求。

2.4 碳化性能

參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》碳化試驗方法在型號為TYCNJ-2的加速碳化箱中進行。碳化之前將試塊放入烘干箱在（60±2）℃的溫度下烘干48小時，之后將試件放入碳化箱內的鐵架上，各試件經受碳化的表面之間的間距應不少于50mm，并設定箱內二氧化碳的濃度為（20±3）%，溫度為（20±5）℃，相對濕度為（70±5）%。

圖3是各組尾礦砂混凝土試件的碳化深度數據，可以看出碳化深度的大小主要受混凝土強度等級的影響，C30強度等級混凝土的碳化深度明顯大于C50強度等級，主要是微孔結構密實程度的影響。摻用尾礦砂的混凝土和摻用天然砂的混凝土的碳化深度性能接近，超貧釩鈦磁鐵礦砂配制的混凝土碳化深度略小于其它組試件。細集料在混凝土中主要是填充骨架作用，只要配制的混凝土級配合理、密實度良好，一般細集料對混凝土碳化性能沒有影響。

圖3 鐵尾礦砂混凝土碳化試驗結果

3 結論

承德地區超貧釩鈦磁鐵礦尾礦砂、鑫鑫礦業片麻巖尾礦砂、冀恒礦業矽卡巖尾礦砂三種巖性尾礦砂混凝土表現出優異的力學、抗滲、碳化性能，對傳統砂石具有很好的替代作用，緩解尾礦堆存帶來的大量生態環境問題。

①三種巖性尾礦砂中石粉在混凝土體系內可能充當膠結的作用，使砂漿包裹石子更加緊密，提高了抗壓強度。

②三種巖性尾礦砂混凝土中，超貧釩鈦磁鐵礦砂混凝土的抗氯離子滲透性能最優，片麻巖、矽卡巖尾礦砂配制的混凝土抗滲性與天然砂混凝土相當；C30和C50兩個強度等級混凝土的抗滲等級分別是中和低，滿足指標要求。

③C30強度等級的各組混凝土可滿足F150抗凍等級的要求，而C50強度等級的各組混凝土當經過300次凍融循環后，相對動彈性模量仍高于60%，抗凍等級可達F300。

④摻用尾礦砂的混凝土和摻用天然砂的混凝土的碳化深度性能接近，集料在混凝土中主要是填充骨架作用，只要配制的混凝土級配合理、密實度良好，一般細集料對混凝土碳化性能沒有影響。