铁尾矿混凝土应用特性试验研究*

张建林，韩显松

(1.长安大学基建处，陕西西安710064;2.陕西宝汉高速公路建设管理有限公司，陕西宝鸡721013)

铁尾矿混凝土应用特性试验研究*

张建林1，韩显松2

(1.长安大学基建处，陕西西安710064;2.陕西宝汉高速公路建设管理有限公司，陕西宝鸡721013)

∶随着矿产资源的大量开发，选矿过程中不断产生尾矿，因其排放量大、利用率低的特点，造成了一系列环境和经济问题，如何提高尾矿利用率已成为世界范围内的课题。提出用铁尾矿代替常规细骨料配制混凝土，变废为宝。将原始铁尾矿进行筛分，按照粒径分布分级代替普通砂作为新细骨料配制混凝土，测试其和易性、抗压强度以及耐久性，并与普通混凝土作对比，实验结果表明，铁尾矿部分或全部代替普通砂作为细骨料配制的混凝土与普通混凝土相比，坍落度降低，抗压强度有所提高，耐久性基本保持不变。为此，铁尾矿完全代替普通砂作为细骨料配制混凝土技术上是可行的，工程性质有所增益，可以在建筑工程中推广使用。

∶铁尾矿∶混凝土∶抗压强度;耐久性

0 引言

铁尾矿是在铁精矿生产时产生的主要固体废弃物，也是选出铁矿石精矿后剩余的主要固体废料。为了适应钢铁工业的迅速发展，铁矿石的开采量在不断增加，选矿厂排出的尾矿量也日益增多。目前，我国累计一年生产尾矿达70多亿t，其中铁尾矿占全部尾矿的1/3左右，但是我国的尾矿综合利用率却只有20%左右。大量尾矿只能采用堆放或填埋的形式来处理，这不仅浪费大量的矿产资源，挤占大量土地，同时也造成了严重的环境污染［1-3］，严重制约了矿产业及钢铁工业的高速发展。面对堆积的大量尾矿给矿业环境及经济所带来的问题以及矿场和钢铁行业的可持续发展，必须提高尾矿资源的综合利用率，而进行尾矿的二次利用是解决尾矿问题的根本出路。

国外对铁尾矿的综合利用非常重视，许多发达国家在铁尾矿中回收有价金属与非金属元素，对尾矿进行再利用制作建筑材料，将尾矿磁化作为土壤的改良剂以及复垦尾矿库等［4-5］，尾矿的综合利用率达到60%以上。近年来，为了响应节能环保、倡导绿色建筑的号召，铁尾矿的综合利用在我国已被普遍关注，矿山企业与高校、研究所等单位展开紧密合作，广泛开发铁尾矿的综合利用技术，虽然相关研究起步晚，但在铁尾矿的综合利用方面发展迅速，取得了一些实用性成果。我国对于铁尾矿的处理和应用，虽然也涉及回收有价金属，但主要用作建材材料，目前已有多种利用方案，如制作轻质隔热保温建筑材料、水泥、陶瓷材料、微晶玻璃、制砖、水泥熟料等等［6-7］。考虑到铁尾矿通常作为固体废料直接排入河沟或抛置于金属矿山附近筑有堤坝的尾矿库中，河沟、山内以及矿区中注浆等工程较多［8-10］，而注浆工程多以混凝土为主要材料，拌制混凝土需要大量的粗细骨料，以铁尾矿代替普通砂作为新的细骨料配制混凝土，测试其和易性、强度以及耐久性，探究其制备混凝土的工程特性，为其在建筑工程中进一步应用提供理论基础。

1 试验材料

水泥∶陕西某厂家生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5R.

砂∶采用级配区为Ⅱ区的普通砂，细度模数为2.9，表观密度为2 660 kg/m3，颗粒分析结果见表1.

石子∶粒径为5～20 mm的碎石，表观密度为2 640 kg/m3，含泥量0.2%.

混合材∶选用陕西某电厂的Ⅱ级粉煤灰。

外加剂∶本试验选用萘系高效减水剂，固含量为30%.

铁尾矿∶陕西柞水县某铁矿的尾矿，化学成分分析见表2.

拌合水∶本试验所用水均为自来水。

表1 普通砂的颗粒分析Tab.1 Ordinary sand particle analysis

表2 铁尾矿化学成分分析Tab.2 Iron tailings chem ical com position analysis%

2 试验方案及结果

2.1 试验方案

混凝土配合比见表3，按此配合比，以普通砂作为细骨料，配制的混凝土作为对比组，称为原状混凝土，记做Y1;对铁尾矿按照表1所示粒径进行筛分，然后按照不同粒径为分界，分别取代普通砂作为细骨料配制混凝土，粒径分别为≥2.36 mm，≥0.60mm及≥0.15mm，所配制的混凝土分别记做Q1，Q2，和Q3.对配制的混凝土Y1，Q1，Q2和Q3，分别将其和易性、抗压强度及耐久性进行比较。

表3 混凝土配合比Tab.3 M ix proportion of concrete

2.2 试验结果及分析

2.2.1 和易性测定

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080—2002)测定Y1，Q1，Q2和Q3混凝土的坍落度和表观密度，结果见表4.

表4 和易性测定结果Tab.4 W orkability determ ination results

图1 混凝土坍落度和表观密度变化情况Fig.1 Concrete slump and the apparent density changes

从图1可以看出，随着取代量的增加，塌落度减小，且减小的幅度不同。Q1，Q2的减小幅度较Y1大，而Q3的减小幅度较小，即随着取代量的增加，混凝土坍落度是减小的，且减小幅度逐渐降低。结果表明∶①铁尾矿对混凝土的流动性有阻碍作用;②铁尾矿颗粒越细，对混凝土流动性阻碍作用越小。

坍落度减小的原因∶在水灰比一定的情况下，铁尾矿较普通砂更易吸水，随着铁尾矿取代量的增加，铁尾矿吸水更多，而水灰比为定值，因此，随着取代量的增大，塌落度会减小。坍落度降幅减小的原因∶随着取代量的增加，取代砂的铁尾矿颗粒越来越细，细颗粒与水泥浆结合粘聚力增大，流动性有偏小趋势，故坍落度降幅减小［11-12］。

从图1还可以看出，随着取代量的增加，混凝土的表观密度逐渐增加，并且在大粒径取代的情况下，增幅较大。从铁尾矿化学分析可以看出，铁尾矿和普通砂的化学成分主要是铁含量的不同，铁尾矿的铁含量为普通砂的几十倍。因此，随着取代量的增加，取代后形成的混凝土的表观密度是逐渐增加的。

试验过程中，通过观察试样，混凝土的粘聚性、保水性等基本无变化。

2.2.2 抗压强度测定

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)，分别配制Y1，Q1，Q2和Q3混凝土，并制取混凝土试块，每组两块，按照规范分别测定7，28，90 d的抗压强度，试验结果取平均，结果见表5.

表5 抗压强度Tab.5 Com pressive strength MPa

图2 混凝土抗压强度变化情况Fig.2 Changes of concrete compressive strength

利用表5绘制图2，从图2可以看出，被铁尾矿取代后的混凝土较普通砂混凝土的强度都有提高，其中，完全被铁尾矿取代后的混凝土强度最高;随着取代量的增加，强度的增幅是逐渐减小的。结果表明∶①铁尾矿相比普通砂作为细骨料对混凝土的抗压强度有增强作用;②细骨料中，大粒径颗粒对混凝土抗压强度的改善作用较小颗粒明显。

强度增加的原因主要有2个方面。

1)铁尾矿的化学成分中，MgO，Al2O3和Fe2O3的含量都较普通砂高，尤其是Fe2O3含量较普通砂高十几倍，这些化学成分在混凝土发生水化反应时起着积极作用，类似活性氧化剂，对于混凝土强度的增加都是有利的;

2)铁尾矿的表面形状比普通砂要粗糙，棱角更多，更利于和水泥胶结，有利于提高混凝土强度。

2.2.3 耐久性测试

按照规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)要求，分别对混凝土抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性进行测试。

1)抗渗性。抗渗性是指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。本次测试采用逐级加压法，结果见表6.

表6 抗渗等级Tab.6 Permeability grade

从表6可以看出，随着铁尾矿对普通砂的取代率越大，混凝土的抗渗等级不变，但是最大渗水高度越来越小，说明铁尾矿在混凝土中有一定的抗渗作用;而且随着取代率的增大，混凝土渗水高度降幅有增大趋势，即起抗渗作用的主要是铁尾矿中的小粒径颗粒。铁尾矿颗粒较普通砂稍细，更易填充混凝土并与混凝土胶凝材料结合，对抗渗性的提高起关键作用。

2)抗冻性。试验采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，标准养护;冻融循环50次;试件3组∶鉴定28 d强度一组，冻融试件1组，对比试件1组;冻融试件为4 h;试件中心最低和最高温度分别控制在-20和35℃［13-15］。测定结果见表7.

表7 冻融循环结果Tab.7 Results of the freeze-thaw cycle%

从表7可以看出，质量损失率最大的为Q3组，损失率为0.45%，小于5.00%，同时抗压强度损失率小于25.00%;抗压强度损失率最大的为Q1组，损失率为2.89%，小于25.00%，同时质量损失率小于5.00%.与普通砂混凝土相比，铁尾矿混凝土质量损失率偏大，但是都在规范规定范围之内，而铁尾矿混凝土抗压强度损失率偏小。试验结果表明∶铁尾矿取代普通砂对混凝土的抗冻性基本无影响。

3)抗侵蚀性。采用尺寸为100 mm×100 mm ×100 mm的立方体试件，其中一组置于自来水中养护，另外两组分别置于0.1 mol/L的H2SO4和1 mol/L的NaOH溶液中，养护28 d后测定其质量损失率和抗压强度耐蚀性，以此评判其抗侵蚀性。结果见表8.

表8 抗侵蚀性结果Tab.8 Erosion resistance results%

从表8可以看出，在酸、碱侵蚀条件下，Q1，Q2，Q3混凝土都较Y1的质量损失率和抗压强度损失率小，但相差不大。结果表明∶铁尾矿取代普通砂对混凝土的耐腐蚀性基本无影响。

3 结论

1)用铁尾矿全部或部分代替普通砂作为细骨料配制的混凝土，其和易性、抗压强度及耐久性均不弱于普通砂混凝土，用铁尾矿代替普通砂作为细骨料配制混凝土是可行的;

2)铁尾矿对混凝土的流动性有阻碍作用，颗粒越细，阻碍越小。铁尾矿作为细骨料降低了混凝土的坍落度，但对其和易性影响较小;

3)铁尾矿对混凝土的抗压强度有增强作用，其中大粒径的铁尾矿对混凝土强度起主要作用。随着铁尾矿的替代率增大，混凝土抗压强度呈增大趋势，但增幅变小;

4)铁尾矿取代普通砂对混凝土的耐久性基本没有影响。小粒径的铁尾矿对混凝土抗渗性起主要作用，随着铁尾矿替代率增大，混凝土抗渗性呈增大趋势。

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Experimental study on the iron tailings concrete application characteristics

ZHANG Jian-lin1，HAN Xian-song2

(1.Infrastructure Department，Chang’an University，Xi’an 710064，China; 2.Shaanxi Baohan Expressway Construction Management Co.，Ltd.，Baoji721013，China)

∶With the high-speed development ofmineral resources，tailings of ore dressing process caused a series of environmental and economic problems，because of its greatamountof emission and low utilization rate，how to improve the utilization rate of tailings has become aworldwide topic.The paper proposes to use iron tailings instead of conventional fine aggregatemixed concrete.In order to further explore the application of iron tailings concrete，the original iron tailings is screened，and used as new aggregate concrete to replace common sand，testing itsworkability，compressive strength and durability，and comparing with ordinary concrete.Analysis of the experimental data shows∶compared with ordinary concrete，iron tailings replace some or all ordinary sand as fine aggregate concrete preparation，the slump is reduced，compressive strength is increased，and the durability remain unchanged.The results show that∶the iron tailings can replace the common sand as fine aggregate concrete，which can be widely used in civil engineering.

∶iron tailings;concrete;compressive strength;durability

∶TU 528.59

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0318

∶1672-9315(2015)03-0381-05

∶2015-01-20责任编辑∶杨忠民

∶陕西省自然科学基金(2013JM5004);陕西省攻关计划(2013k06-27)

∶张建林(1976-)，男，山西永济人，工程师，E-mail∶zjianlin@chd.edu.cn