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铁尾矿砂对混凝土工作性和强度的影响 作者简介: 蔡基伟(1963-), 男, 博士, 副教授. E-mail: tscjw-0315蔡基伟1, 张少波1, 侯桂香1, 王春梅1, 封孝信1(1.河北理工大学材料学院,河北省无机非金属材料重点实验室, 唐山 063009)摘要：尾矿的开发与利用是解决大量尾矿资源堆弃占地、减轻环境负荷、消除溃坝隐患的重要途径。在研究铁尾矿基本性质的基础上，利用铁尾矿砂完全取代天然砂，研究铁尾矿砂混凝土的工作性与强度特点，利用矿物掺合料等手段对铁矿尾砂混凝土配合比进行优化。结果表明，利用铁尾矿砂配制的混凝土能够满足工作性和强度方面的要求，用尾矿石和尾矿砂分别作粗细集料可以配制C70以下的泵送混凝土。关键词：混凝土;铁尾矿砂;工作性;强度中图分类号: TU 528. 2 文献标志码: A 文章编号:Effects of Ferrous Mill Tailings as Aggreagtes on Workability and Strength of ConcreteCAI Ji-wei1, ZHANG Shao-bo1, HOU Gui-xiang1, WANG Chun-mei1, FENG Xiao-xin1(1. Hebei Province Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials, College of Materials Science and Engineering, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009, China)Abstract: The utilization of mill tailings is the important way to solve the problems of land wastage, environmental pollution and dam bursting risk caused by discarding of mill tailings. On basis of investigation on properties of ferrous mill tailings, the workability and strength of concretes were studied by substituting ferrous mill tailings for natural sand and/or crashed stone, and the mix proportion was optimized by means of mineral admixtures. The result reveals that the satisfactory workability and strength of concretes prepared with ferrous mill tailings as aggregates can be obtained and the possible strength grade can be up to C70.Key words: concrete; ferrous mill tailings; workability; strength随着基本建设日益发展的需要，我国不少地区出现天然砂资源逐步减少，对天然砂的超量开采已对农田、河道造成严重破坏，国务院和各地政府不得不相继出台了禁采或限采天然砂的规定1。我国现有8000多个国营矿山和11 万多个乡镇集体矿山，堆存的尾矿量近50 亿吨，年排出的尾矿量高达5亿吨以上，其中铁矿山年排放量达1.5亿吨，占入选铁矿石量的60%左右2。铁尾矿的综合治理和开发利用是我们面临的重大课题，近年来尾矿作为二次资源已受到世界各国的重视，如日本、德国、瑞典的铁尾矿基本得到全部利用；前苏联、美国、加拿大等国都很重视铁尾矿的开发利用3。我国在铁尾矿开发利用方面也取得了一些进展和成果，但形成规模很小，利用率也很低，不能从根本上解决尾矿压占土地、破坏和影响环境的问题。而铁选厂排放的尾矿砂中，可筛选出约60%70%作为建筑用人工砂4，这无疑可消纳大量的铁尾矿。对于节约资源、改善环境，实现矿产资源的优化配置和矿业经济可持续发展，具有十分重要的意义。1 实 验1.1 原材料1)水泥为冀东普通硅酸盐水泥P·O42.5，两组试验所用水泥28d实测抗压强度分别为51.3 MPa和53.6 MPa，掺合料为唐电II级粉煤灰(FA)、鑫泉S95粒化高炉矿渣(GBFS)及硅灰(SF)，化学成分见表1。2)细集料采用迁安尾矿砂和天然砂，尾矿砂的化学成分见表1，主要矿物成分见图1，石粉含量3.3%，吸水率8.5%，细度模数2.5，级配曲线见图2(a)；天然砂为迁安河砂，吸水率6.4%，细度模数2.7，级配优于尾矿砂见图2(b)。表1 实验用主要原材料的化学成分CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOK2ONa2OSO3I.Loss水泥59.7923.166.323.571.140.890.172.242.05FA3.0852.4730.675.711.311.240.220.522.50GBFS35.6232.0415.871.7011.840.410.32-1.21尾矿砂2.7668.636.7211.993.821.981.61.91尾矿石4.4357.5610.7713.734.102.582.110.48(a)尾矿砂 (b)天然砂图2 细集料级配曲线图1 尾矿砂的主要矿物组成3)粗集料采用普通碎石和尾矿石，普通碎石系丰润石灰石质碎石,为525mm连续级配见图4(a)；尾矿石为迁安铁选厂磁鼓干选工艺废弃岩石，主要化学成分见表1，主要矿物组成见图3，其级配属于1020mm单粒级见图4(b)。图3 尾矿石的主要矿物组成 (a)普通碎石 (b)尾矿石图4 粗集料级配曲线4)外加剂：高效减水剂为UF-5水剂(固体含量30%)，再加1.1缓凝剂。1.2 试验方法分别用普通碎石和铁尾矿石作粗集料、以铁尾矿砂作细集料，按系列水灰比配制混凝土，分析以铁尾矿作集料对鲍罗米公式中回归系数的影响，试验配合比见表2和表3。在掺用活性掺合料、对配合比进行优化之后，再分别用铁尾矿石和铁尾矿砂作粗细集料配制不同强度等级的混凝土，与普通混凝土(指以普通碎石和天然砂作粗细集料配制的混凝土,下同)进行对比，研究铁尾矿集料对混凝土工作性和强度的影响，试验配合比见表2。依照普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T 500802002)规定的试验方法测试混凝土的工作性；按普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 500812002)规定的试验方法，测试混凝土的强度。抗压强度试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组6块分别测试7 d和28 d强度，尺寸换算系数按0.95计。2 结果与讨论2.1 铁尾矿作集料对配合比设计回归系数的影响用尾矿砂完全代替天然砂作细集料，分别用尾矿石(T组)和普通碎石(G组)作粗集料，按系列水灰比配制混凝土(见表2和表3)。根据鲍罗米公式=, 为各c/w时试件的28 d强度, fce为试验用水泥28d实测强度，进行混凝土28d 强度与c/w的回归分析, T组(集料=尾矿砂+尾矿石): a=0.420, b=0.134,相关系数r=0.927; G组(集料=尾矿砂+普通碎石): a=0.427, b=0.177, 相关系数r=0.970. 表2 用尾矿砂和尾矿石配制混凝土对配合比设计回归系数的影响编号w/cc/w砂率/%水/kg·m-3水泥/kg·m-3尾矿砂/kg·m-3尾矿石/kg·m-3外加剂/%坍落度/mm粘聚性离析情况泌水情况强度/MPa7d28dT10.5971.6754020033578211730.8220适中轻微无35.545.7T20.551.81839.5203.537075711600.5190稍差无轻微27.836.1T30.502.00039.5202.540574411390.5200适中严重无31.348.3T40.452.2223919844072211300.6220适中轻微轻微38.345.4T50.402.50038.519047570711290.6230适中无轻微45.457.7T60.352.85738.5178.551069711140.7220偏粘无轻微52.762.8T70.3253.07738178.555067310981.6230适中无无60.772.2注: 外加剂掺量近按固体含量与水泥质量的百分比计；水泥28d实测抗压强度为53.6MPa.表3 用尾矿砂和普通碎石配制混凝土对配合比设计回归系数的影响编号w/cc/w砂率/%水/kg·m-3水泥/kg·m-3尾矿砂/kg·m-3碎石/kg·m-3外加剂/%坍落度/mm粘聚性离析情况泌水情况强度/MPa7d28dG10.611.64345.0200.833082910130.5200稍差离析严重27.836.4G20.571.76244.5195.834581710180.8205稍差轻微轻微32.640.2G30.521.91044.0188.536081010301.15190适中无无37.848.5G40.472.11343.5184.639078910251.2190适中无无44.854.6G50.422.36743.0181.743079210061.3220适中无无47.155.3G60.372.69942.5183.449574910131.4220过粘无无53.664.2G70.323.12342.5176.155074610301.5150过粘无无65.269.8注: 外加剂掺量按固体含量与水泥质量的百分比计；水泥28d实测抗压强度为51.3MPa.图5 铁尾矿作集料对配合比设计回归系数的影响根据行业标准普通混凝土配合比设计规程(JGJ 552000)提出的天然砂和普通碎石配制混凝土的配合比设计回归系数a=0.46, b=0.075，依相应水泥强度和w/c绘制的普通混凝土回归直线分别为图5中的Tsp和Gsp。从图5可以看出，与普通混凝土相比，用尾矿砂混凝土回归直线的斜率较缓，而截距上移，说明用尾矿砂配制混凝土时，混凝土抗压强度对c/w的敏感性不如普通混凝土。在试验范围(w/c=0.320.61即c/w=3.1231.643)内，直线T位于Tsp之下，可以说在同样w/c条件下，用尾矿砂作细集料且以尾矿石作粗集料时，混凝土强度略低于普通混凝土；直线G位于Gsp之上，说明用尾矿砂作细集料且以普通碎石作粗集料时，混凝土强度略高于普通混凝土，也说明在粗集料级配和最大粒径对混凝土强度作用方面，尾矿石不如普通碎石。2.2 配合比优化后尾矿砂石混凝土的工作性和强度在掺用活性掺合料条件下，对配合比进行优化，分别以尾矿石和尾矿砂作粗细集料配制尾矿砂石混凝土，同时以普通碎石和天然砂作粗细集料配制普通混凝土，配合比及测试结果见表4。从表4和图6(a)可以看出，在用水量相同、水胶比相同、外加剂用量基本相同的情况下，尾矿砂石混凝土的坍落度小于普通混凝土，如C30和C70试样。从图6(b)来看，尾矿砂石混凝土的坍落度和普通混凝土相同或相近时，尾矿砂石混凝土的坍落扩展度明显小于天然砂石混凝土，如C40、C70试样。因为尾矿砂颗粒粗糙、多棱角，颗粒间相互咬合，使得尾矿砂石混凝土内摩擦力较大，同时也由于尾矿砂吸水率较大，所以与同样坍落度的天然砂石混凝土相比，尾矿砂石混凝土的流动性要小一些。表4 尾矿砂石混凝土同普通混凝土的工作性和强度对比编号强度等级水胶比砂率/%水/kg·m-3水泥/kg·m-3FA(SF)/kg·m-3GBFS/kg·m-3细集料/kg·m-3粗集料/kg·m-3外加剂/kg·m-3坍落度/mm粘聚性离析情况泌水情况强度/MPa7d28d3NC300.484319022070110799N1060G12.1230适中无无24.040.43T4519022070110860t1040T11.9220稍差轻微轻微24.842.14NC400.354017333070100688N1050G19.0250适中无无42.156.04T4017333070100688t1050T19.0250适中无无46.359.26NC600.324117935020180725N1050G23.0230偏粘无无52.166.96T4117835020180734t1040T22.0240偏粘无无48.665.17NC700.2245131350(50)200676N1058G30.0240偏粘无无63.773.67T39131350(50)200784t950T30.0230偏粘无无67.871.8注:N为天然砂、t为尾矿砂、G为普通碎石、T为尾矿石，(SF)为硅灰用量，外加剂掺量按溶液用量计。 (a)坍落度对比 (b)坍扩度对比图6 尾矿砂石混凝土同普通混凝土的坍落度和坍扩度对比相同配合比时，铁尾矿砂石混凝土的粘聚性略差于普通混凝土，出现轻微的离析、泌水，中低强度混凝土较明显，如C30试样。由于尾矿砂多棱角、集料颗粒间机械啮合力大，使得拌和物流变学性能较差，容易出现浆体与集料分离，配合比调整不当影响粘聚性而产生离析，成型后试件表面泌水量比天然砂石混凝土略多。尾矿砂石混凝土的抗压强度与普通混凝土大致相近，水胶比较大时，尾矿砂石混凝土的强度略高于普通混凝土，如C30、C40试样；水胶比较小时，其强度略低于普通混凝土，但能够达到相应强度等级，如C60、C70试样。3 结 论a. 磁铁矿选厂排放的尾矿砂经筛选后2.36mm以下颗粒偏多，可作中砂配制混凝土，尾矿石经筛选后属于1020mm单粒级级配。b. 由于铁尾矿砂颗粒粗糙、多棱角，内摩擦力较大，用尾矿砂配制的混凝土流动性比普通混凝土差，也易于离析、泌水。c. 在使用活性掺合料并对配合比进行优化条件下，水胶比较大时，尾矿砂石混凝土的强度略高于普通混凝土，水胶比较小时，其强度略低于普通混凝土。d. 用尾矿石和尾矿砂分别作粗细集料可以配制C70以下的泵送混凝土。参考文献1 蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究D.武汉理工大学博士学位论文,20062 张锦瑞,王伟之,李富平,王爱东.金属矿山尾矿综合利用与资源化M.北京:冶金工业出版社,20023 程琳琳,朱申红.国内外尾矿综合利用浅析J.中国资源综合利用, 2005,(11):30-324 宋裕增.关于做好尾矿资源二次利用的建议R.献技献策活动专报2007,1,4(70)5 普通混凝土配合比设计规程(JGJ 552000)S.中华人民共和国行业标准,中华人民共和国建设部,2000