铁尾矿砂应用于混凝土的可行性研究*

朱志刚　李北星　周明凯　刘锦成

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室　武汉　430070)

铁尾矿砂应用于混凝土的可行性研究*

朱志刚李北星周明凯刘锦成

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070)

摘要：为研究铁尾矿利用效率、价值及安全性，对比了石英砂、河砂、北京密云铁尾矿砂、河北迁安铁尾矿砂作为细骨料制备砂浆与UHPC的性能.实验结果表明，2种尾矿砂物化性能均符合我国《建筑用砂》(GB/T14684-2011)标准；原始级配的两种尾矿砂制备出的标准砂浆强度低于河砂砂浆，除去-0.15 mm部分的尾矿砂制备出的UHPC强度略低于石英砂UHPC，但远高于河砂UHPC，证明尾矿砂可作为细骨料应用于混凝土中.

关键词：尾矿砂；砂浆；UHPC；强度

0引言

尾矿砂是选矿后产生的废弃物，2010年我国铁尾矿的堆积量已接近50亿t，占全国尾矿总量的1/2[1-2].尾矿占用大量土地并会造成周边环境的重金属污染[3-5]，已变成一种亟待解决的矿产资源.目前，铁尾矿已被广泛应用于建筑材料，如耐火材料、多孔保温材料，水泥混凝土骨料、陶瓷及微晶玻璃等[6-7].

李晓光等[8]研究了铁尾矿水泥砂浆的力学性能及孔结构特征，倪文等[9-12]做了大量铁尾矿砂作为细骨或者粉磨至一定细度作矿物掺合料料制备混凝土的研究，但是均是直接从宏观强度进行对比，并未详细的研究尾矿砂的物化性能、其是符合建筑用砂标准等.

实验物化性能方面系统研究了2种尾矿砂是否符合我国《建筑用砂》(GB/T14684-2011)标准，在此基础上对比与河砂制备标准砂浆的强度，并进一步对比与河砂、石英砂制备超高强混凝土(UHPC)的性能，为尾矿砂作为骨料进行工程应用提供了较为全面的理论依据.

1实验材料与方法

1.1实验材料

1) 采用华新52.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1，其化学成分见表2.由水泥物理性能检测结果来看，所用水泥的基本性能均符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)的指标.

表1　水泥基本物理性能

表2　水泥化学成分　%

2) 矿物掺合料使用的是黄石某厂生产的一级粉煤灰，密度为2.36 g·cm-3，比表面积为7 200 cm2·g-1，需水量比为93%；微珠为深圳同成新材料科技有限公司的灰白色微珠，主要粒度分布为0.1～5 μm，自然状态表观密度为0.67 g·cm-3；硅灰为某厂提供的灰白色硅灰，比表面积为22.4 cm2·g-1，平均粒径为0.2 μm，需水比为113%左右,化学成分见表3.

表3　粉煤灰的化学成分组成　%

3) 砂分别为标准石英砂(ISO)，北京密云铁尾矿砂、河北迁安铁尾矿砂与河砂.水为武汉自来水.聚羧酸系高效减水剂，减水率30%左右.

1.2成型方式与养护条件

1) 按照《水泥胶砂强度检测方法》(GB17671-1999)测试方法，水胶质量比0.5，胶砂质量比1∶3，制备成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件，成型室温度应保持在(20±2) ℃，相对湿度应不低于50%，试件拆模后放入温度为(20±2) ℃，相对湿度应不低于90%的养护箱内养护至一定龄期进行测试.UHPC配合比见表4.

表4　UHPC配合比

2) 将UHPC置于100 mm×100 mm×100 mm，100 mm×100 mm×400 mm模具中成型，成型室温度应保持在(20±2) ℃，相对湿度应不低于50%，1 d后拆模然后置于常温水中加热至90 ℃养护48 h(升温速度≤15 ℃/h)，然后将试块放入温度为(20±2) ℃，相对湿度应不低于90%的养护箱内养护至一定龄期进行测试.

2实验结果与讨论

2.1铁尾矿砂的化学成分

对铁尾矿砂的化学成分与矿物成分进行了分析，结果见表5与表6.由表5可见，2种尾矿砂的化学成分接近，SiO2的含量均在65%以上，属于富硅铁尾矿.由表6可见，铁尾矿砂的主要矿物是石英岩或花岗岩类矿石.由表7可见，所选的2种尾矿的有害物质均低于国家标准，压碎值与放射性也是合格，并且无碱集料反应.

表5　2种尾矿砂的化学成分　%

表6　2种砂的矿物成分

表7　尾矿骨料性质检测结果　%

2.2铁尾矿砂的物理性质

图1为北京密云、河北迁安铁尾矿砂与河砂级配曲线图，它们的细度模数分别为2.08，2.34与2.96，说明密云铁尾矿砂为细沙，河北迁安铁尾矿砂与河砂均为中砂.

图1　3种砂级配曲线图

由图1可见，尾矿砂的粒径分布小于河砂，尾矿砂的粒径主要集中分布在0.15～1.18 mm范围内，而河砂的分布在各个区间虽然也有差异但相对而言较为平均，且在这个范围区间内的颗粒质量分数仅为51%，而2种铁尾矿由于破碎机破碎与再筛选的缘故导致其颗粒分布出现“中间大，两头小”的现象，在此范围区间内颗粒的质量分布在75%左右，也许在制备标准胶砂时尾矿砂作为骨料的级配不是很好，但是其这种粒径分布较小的特点为其作为细骨料制备UHPC却会保证更大的利用效率.

表8为北京密云、河北迁安铁尾矿砂与河砂的基本物理性质.从表观密度与紧堆密度来看，河砂的表观密度最小，2种尾矿砂接近，紧堆密度是河砂最大，其次是迁安尾矿砂，最松散的为密云尾矿砂，结合其细度模数来分析，可见在0～4.75 mm范围内河砂的连续级配分布最为合理，这点从紧堆空隙率也得到证明；从其作为骨料的“骨架”作用来看，河砂的压碎值与坚固性数值均最小，说明其颗粒平均强度更高且具有更好的稳定性质；吸水率方面，河砂最低，密云铁尾矿砂最高，这是由它们自身的颗粒表面所致，河砂是受水泥长期冲刷而成，表面圆滑且棱角较少，而铁尾矿砂是经过破碎机破碎所得，形貌变化多样且棱角较多，从图2对比可见，河砂表面干净整洁，而尾矿砂则模糊不清且大多为带棱角颗粒.

表8　3种砂的物理力学性质

图2　铁尾矿砂与河砂的外观形貌

从实验内容结果可得出，原始级配的尾矿砂在堆积密度、坚固性等多数指标不如河砂，但是其化学性质与物理性能均符合我国《建筑用砂》(GB/T14684-2011)标准，说明在理论上其是可以作为骨料制备混凝土.

2.3铁尾矿砂制备标准胶砂

试验使用两种铁尾矿砂与河砂做为骨料按照标准制备标准砂浆对比其影响.

按照《水泥胶砂强度检测方法》(GB17671-1999)测试方法，水胶比0.5，胶砂比1∶3，制备成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件，成型室温度应保持在(20±2) ℃，相对湿度应不低于50%，试件拆模后放入温度为(20±2) ℃，相对湿度应不低于90%的养护箱内养护至一定龄期进行测试.

图3为利用北京密云铁尾矿砂、河北迁安铁尾矿砂及河砂作为骨料按照标准砂浆的制作方法制备出的砂浆强度对比图.

图3　3种砂制备标准砂浆的强度

由图3a)可见，3 d养护龄期时，北京密云铁尾矿砂制备出的砂浆抗压强度最低为27.7 MPa，其次是迁安尾矿制备出的砂浆抗压强度为30.1 MPa，比强度最高的河砂砂浆强度仅仅低了0.4 MPa.28 d养护龄期时三者强度对比结果与3d强度增长速度一致，密云尾矿、迁安尾矿与河砂三者制备出的砂浆抗压强度分别为41.8，44.1与46.3 MPa，迁安尾矿砂浆的强度也仅仅比河砂砂浆强度低2.2 MPa.

由图3b)可见，3 d养护龄期时，北京密云尾矿砂砂浆的抗折强度最低，但是迁安尾矿砂浆的抗折强度还略高于河砂砂浆，这是因为在振捣成型中难免会引起各材料在砂浆中的分布不均匀，而3 d时抗压强度两者本来就非要接近，导致尾矿砂的强度高于河砂砂浆.28 d养护龄期时，抗折强度的对比结果与抗压结果一致.

从试验前面3种砂性能对比可知，河砂作为细骨料的其自身的强度与稳定性高于尾矿砂，同时其紧堆密度也大于尾矿砂，河砂表面“圆滑”且干净，众所周知，骨料与胶凝材料之间的界面过渡区是混凝土中的强度最薄弱环节，尾矿砂棱角较多，表观密度较大，含有更多0.15 mm以下的微小颗粒，在混凝土中会产生更大面积的界面过渡区，这些因素都会降低混凝土的致密性与强度.原始级配的密云尾矿砂在性能上明显要差于另外两种砂，但制备出的砂浆强度差别也不是特别大.迁安尾矿性能比较接近河砂并且从制备砂浆的结果来看，两者基本上相同，所以利用尾矿砂作为骨料制备砂浆是完全可行的.

2.4铁尾矿砂制备无纤维UHPC

试验前期已得出尾矿砂作为骨料制备砂浆是可行的，为进一步证明尾矿作为骨料的品质与普遍的适应性，充分利用其颗粒粒度较细的特点，预将铁尾矿砂作为骨料替代石英砂或者河砂制备UHPC，由于前期工作结果已得出原级配的尾矿砂0.15 mm以下颗粒较多，并且颗粒表面附着大量的粉尘颗粒，尾矿砂可视为一种机制砂其级配容易人工控制，作者在制备UHPC之前对尾矿砂进行了清洗选取0.15 mm以上颗粒，石英砂的级配按照洗后密云尾矿的级配人工复配.

图4是利用石英砂、密云尾矿砂、迁安尾矿砂与河砂制备UHPC的强度结果.不论是抗压强度还是抗折强度，它们都呈现相同的对比结果：石英砂制备出的UHPC强度最高，其次是迁安尾矿砂、再其次是密云尾矿砂，强度最低的反而是河砂制备出的UHPC.这主要是UHPC作为一种超高强混凝土，其内部结构已经很密实，并且其普遍选用+0.3 mm的石英砂作为骨料，一是可以削弱因为骨料与胶凝材料之间的界面过渡区带来的负面影响；另一方面就是可以避免泥粉引起混凝土的结构破坏.

图4　4种砂制备UHPC

对比3 d与28 d抗压强度，可以看出不论是何种骨料制备UHPC，其28 d强度比3 d强度出现了倒缩现象.这是因为采用90 ℃热水养护，高温养护会加速胶凝材料的水化，促使其早期强度明显的升高，但同时热水养护会导致水化产物分布不均或是水化产物集中，水化产物分布低的部位成为混凝土的薄弱环节，水化产物高的区域包裹在水泥粒子的周围，妨碍水化产物的进行，从而减少水化产物的掺量.同时混凝土内外部温度差异产生的温度梯度引起内部应力，促使混凝土内部的气体通过连通孔往温度低的外部流出，孔结构的破坏从而导致后期强度的倒缩.

从4种砂制备UHPC的结果来看，除去石粉与泥粉的尾矿砂作为骨料制备UHPC的强度均高于河砂，虽然低于石英砂但是差距较小.结果证明尾矿砂是可以作为骨料制备UHPC.尾矿砂也可视为一种机制砂，在筛选过后容易经过人工控制来调整其粒径分布，其经济性远超河砂与石英砂，这为其作为细骨料制备超高强混凝土提供了更好的选择性与可行性.

3结论

1) 选用的原始级配北京密云铁尾矿砂与河北迁安铁尾矿砂的化学成分、物理性质均符合我国《建筑用砂》GB/T14684-2011标准，它们的细度模数分别为2.08、2.34，属于中砂.

2) 利用两种尾矿砂与河砂制备标准砂浆，由于尾矿砂颗粒棱角多、-0.15 mm颗粒多等原因，导致尾矿砂浆3 d、28 d强度均低于河砂砂浆，但自身强度较高的迁安尾矿砂浆28 d抗压强度仅比河砂低2.2 MPa.

3) 选取+0.15 mm尾矿砂对比用石英砂及河砂制备UHPC，石英砂制备出的UHPC强度最高，其次是迁安尾矿砂、再其次是密云尾矿砂，强度最低的反而是河砂制备出的UHPC.可见控制尾矿的石粉与含泥量是保证其应用于混凝土的有效手段.

参 考 文 献

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The Feasibility Study of Concrete with Iron Ore Tailings

ZHU ZhigangLI BeixingZHOU MingkaiLIU Jincheng

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract：To investigate the utilization efficiency, value and safety of iron ore tailings, the performances of mortar and UHPC with two different kinds of iron ore tailings, river sand and quartz sand as fine aggregate are compared. The experimental results show that the properties of the two kinds of iron ore tailings both conform to the building sand GB/T14684-2011 standard of China. The strength of mortar prepared by the two kinds of iron ore tailings based on the original grading is lower than that prepared by river sand. However, when the -0.15 mm part of iron ore tailings is removed, the strength of UHPC with iron ore tailings is slightly lower than that of UHPC with quartz sand, but far higher than that of river sand, proving that the iron ore tailings can be used as fine aggregate in concrete.

Key words：iron ore tailings; mortars; UHPC; strength

收稿日期：2016-04-10

中图法分类号：X753

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.007

朱志刚(1987- )：男，博士生，主要研究领域为混凝土

*国家自然科学基金项目资助(51372185)