崔彥發(fā)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(shù)有限公司，石家莊 050227；②河北省固廢建材化利用科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050227；③中國砂石協(xié)會(huì)，北京 100831）

0 引言

礦產(chǎn)資源是人類發(fā)展和生存極為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，我國每年產(chǎn)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(chǎn)率2%～3%計(jì)算，每年可回收鐵精礦300～400萬t，相當(dāng)于一個(gè)大型鐵礦企業(yè)選礦廠的產(chǎn)量。因此對尾礦資源進(jìn)行綜合利用研究，提取尾礦中的目的性礦物，在現(xiàn)有科技水平下，兼顧經(jīng)濟(jì)合理性，最大限度地利用尾礦資源，變廢為寶，既保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又有利于企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展。國內(nèi)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(fù)墾和建立生態(tài)區(qū)等方法，提高鐵尾礦綜合利用率和減少環(huán)境影響的目的。

本文針對不同巖性尾礦開展性能調(diào)查及在混凝土中的應(yīng)用研究，不僅可以回收大量礦物資源，提高礦產(chǎn)資源利用率，并且有效地緩解尾礦堆存帶來的大量生態(tài)環(huán)境問題，而且對發(fā)展礦山循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，不同巖性尾礦采掘的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

承德地區(qū)超貧釩鈦磁鐵礦、鑫鑫礦業(yè)片麻巖、冀恒礦業(yè)矽卡巖三個(gè)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(biāo)準(zhǔn)砂作為基準(zhǔn)進(jìn)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(xué)成分見表1；實(shí)驗(yàn)室自來水；西卡公司生產(chǎn)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(chǎn)的P·O 42.5水泥；Ⅰ級粉煤灰細(xì)度（45μm篩余）為8.7%，礦粉，需水量比98%；金泰成公司生產(chǎn)的S95級礦渣粉比表面積429kg/m2活性指數(shù)101%。

表1 骨料化學(xué)成分分析 %

1.2 試驗(yàn)儀器

壓力試驗(yàn)機(jī)；凍融試驗(yàn)機(jī)；電通量測定儀；型號為TYCNJ-2的加速碳化箱；烘干箱；游標(biāo)卡尺。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 抗壓性能

試驗(yàn)方法依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081—2002）測試混凝土抗壓強(qiáng)度[2]，結(jié)果見表2。

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度

通過測試發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的鐵尾礦砂混凝土其抗壓強(qiáng)度有較大差異，對比天然砂混凝土，增強(qiáng)效果最明顯的是承德地區(qū)超貧釩鈦磁鐵礦鐵尾礦砂（CD），增強(qiáng)效果最弱的是冀恒地區(qū)礦業(yè)矽卡巖鐵尾礦砂（JH），且經(jīng)過測試的三種鐵尾礦砂混凝土都比天然砂強(qiáng)度更高，力學(xué)性能更為優(yōu)良。

表2可清晰的看出不同地區(qū)巖性尾礦砂增強(qiáng)的程度。在低水膠比的C50混凝土中，7d的鐵尾礦砂混凝土強(qiáng)度較天然砂混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)不明顯，但28d有顯著增強(qiáng)，隨著水泥水化的加深，鐵尾礦砂本身的石粉會(huì)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(qiáng)效果，承德地區(qū)超貧釩鈦磁鐵礦尾礦砂混凝土強(qiáng)度最高，其本身級配優(yōu)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(yè)片麻巖尾礦砂、冀恒礦業(yè)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(dāng)膠結(jié)的作用，使砂漿包裹石子更加緊密，增強(qiáng)了抗壓強(qiáng)度。值得注意的是在膠砂試件中超貧釩鈦磁鐵礦砂強(qiáng)度最高，并且片麻巖鐵尾礦砂在低水膠比下強(qiáng)度較天然砂也顯著增強(qiáng)，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(dāng)于變相調(diào)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(qiáng)度。

2.2 抗?jié)B性能

鐵尾礦砂混凝土的抗?jié)B性能按照ASTM102標(biāo)準(zhǔn)和CECS207：2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)》附錄B混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)方法[4]，通過測定混凝土試件6小時(shí)內(nèi)通過的電量評價(jià)混凝土抵抗氯離子滲透能力。測量6小時(shí)通過的電量，以庫侖計(jì)算評價(jià)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(qiáng)度等級混凝土28d抗氯離子滲透性結(jié)果以及等級評價(jià)。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(yōu)，其它兩種尾礦砂配制的混凝土抗?jié)B性與天然砂混凝土相當(dāng)。對于C30和C50兩個(gè)強(qiáng)度等級混凝土的抗?jié)B等級分別是中和低，均滿足指標(biāo)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)[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(qiáng)度等級非引氣混凝土進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

由圖2中可得，對于不同細(xì)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(yōu)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(dāng)。

圖2 尾礦砂混凝土快速凍融試驗(yàn)結(jié)果

C30強(qiáng)度等級的各組混凝土可滿足F150抗凍等級的要求，而C50強(qiáng)度等級的各組混凝土當(dāng)經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，相對動(dòng)彈性模量仍高于60%，抗凍等級可達(dá)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》碳化試驗(yàn)方法在型號為TYCNJ-2的加速碳化箱中進(jìn)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(shí)，之后將試件放入碳化箱內(nèi)的鐵架上，各試件經(jīng)受碳化的表面之間的間距應(yīng)不少于50mm，并設(shè)定箱內(nèi)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(shù)據(jù)，可以看出碳化深度的大小主要受混凝土強(qiáng)度等級的影響，C30強(qiáng)度等級混凝土的碳化深度明顯大于C50強(qiáng)度等級，主要是微孔結(jié)構(gòu)密實(shí)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(xì)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(shí)度良好，一般細(xì)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(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

承德地區(qū)超貧釩鈦磁鐵礦尾礦砂、鑫鑫礦業(yè)片麻巖尾礦砂、冀恒礦業(yè)矽卡巖尾礦砂三種巖性尾礦砂混凝土表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、抗?jié)B、碳化性能，對傳統(tǒng)砂石具有很好的替代作用，緩解尾礦堆存帶來的大量生態(tài)環(huán)境問題。

①三種巖性尾礦砂中石粉在混凝土體系內(nèi)可能充當(dāng)膠結(jié)的作用，使砂漿包裹石子更加緊密，提高了抗壓強(qiáng)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(yōu)，片麻巖、矽卡巖尾礦砂配制的混凝土抗?jié)B性與天然砂混凝土相當(dāng)；C30和C50兩個(gè)強(qiáng)度等級混凝土的抗?jié)B等級分別是中和低，滿足指標(biāo)要求。

③C30強(qiáng)度等級的各組混凝土可滿足F150抗凍等級的要求，而C50強(qiáng)度等級的各組混凝土當(dāng)經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，相對動(dòng)彈性模量仍高于60%，抗凍等級可達(dá)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(shí)度良好，一般細(xì)集料對混凝土碳化性能沒有影響。