尾矿砂在混凝土中的应用试验研究

张萌

（河北建设集团股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

混凝土是由胶结材料、骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。混凝土具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高、耐久性好、强度等级范围宽的优点，使其使用范围十分广泛，混凝土已经成为最大宗的建筑材料。

砂子作为细骨料在混凝土结构中占有不可取代的作用，对混凝土的和易性、强度、耐久性等性能有重要的影响。随着我国混凝土的快速发展，混凝土结构的大量应用，消耗了大量的天然砂资源，全国每年建筑用砂石数十多亿吨。加之对砂的技术要求越来越高，特别是能满足高强高性能混凝土要求的天然砂越来越少，严重地制约了高性能混凝土的发展。天然砂是一种地方资源，短时间内不可再生和长距离运输，我国不少地区已出现天然砂资源逐步减少、甚至无天然砂的情况。

在天然砂资源日益匮乏的同时，国内矿产资源在开发过程中，丢弃了大量的尾矿。我国有大量的金属矿和非金属矿，在采矿和加工过程中伴随产生约 20% 的尾矿，由于没有合理利用，已有上百亿吨的尾矿大量堆积，占用土地，造成环境污染。而如果经过适当分选与加工，不少尾矿就可以制成人工砂。

随着矿产资源的大量开发和利用，矿石日益贫乏，废弃物作为二次资源再利用正日益受到世界各国的重视，国内也相继出现了以山砂（自然山砂）、石屑（采石场在加工碎石过程中产生的副产物）、机制砂（专门以岩石经破碎、筛分生产）、尾砂（金属矿和非金属矿在采矿过程中产生的副产物）等人工砂替代天然砂的技术。尾矿作为一种较为理想和实际的替代材料，正越来越广泛地被应用于各种工程项目中，并在实际工程中大量应用，取得了较好的经济效益和社会效益。

1 试验

1.1 试验原料

（1）水泥：涞水冀东 P·O42.5R 水泥，标准稠度用水量 26.4%，初凝时间 186min，终凝时间 223min，3d抗压强度 29.4MPa，28d 抗压强度 55.2MPa，比表面积385g/cm2。

（2）矿粉：胜芳前进钢厂 S95 级磨细矿渣粉，比表面积 450g/cm2，7d 活性指数 80%，28d 活性指数108%。

（3）粉煤灰：衡水衡冠产Ⅱ级粉煤灰，需水量比104%，烧失量 2.10%，细度（0.045mm 筛余）15.3%。

（4）石子：涞水产 5～25mm 碎石，含泥量0.3%，压碎指标 7%。

（5）外加剂：保定慕湖产泵送剂，固含量38.2%，密度 1.218g/mL，减水率 18.6%。

（6）天然砂：涞水产Ⅱ区中砂，含泥量 1.6%，泥块含量 0.3%，细度模数 2.7。

（7）尾矿砂：尾矿是矿开采出的矿石磨细后，再经选矿厂选出精矿后产生的废渣。这部分废渣主要是矿石在提纯过程中留下的，组成和细度指标相对稳定。尾矿砂的主要化学成份为 SiO2，含量与天然砂的 SiO2含量基本相同。SiO2是以石英矿物形式存在，Na2O、K2O、CaO 和 Al2O3是以长石形式存在，Fe2O3以磁铁矿形式存在，这些矿物均具有稳定的物理化学性能，SO32-含量少，不足以构成对混凝土的危害。本试验采用的尾矿砂，含泥量 1.7%，泥块含量 0.2%，细度模数 3.2，属于建筑粗砂，粒级等各项物理性能均达到建筑用砂国家标准规定指标。

1.2 C30 混凝土配合比设计1.2.1 使用尾矿砂试验

因目前 C30 混凝土在工程中较为常用，所以本试验以 C30 混凝土为研究对象，使用尾矿砂替代河砂，研究尾矿砂替代量对混凝土性能的影响。混凝土配合比和性能试验结果见表 1。

由表 1 可见，随着尾矿砂掺量的提高，坍落度明显下降。调高砂率到 50% 后，混凝土的保水性较 47% 砂率下有所改善。由于尾矿砂的细度模数较大，低砂率下砂子对石子的包裹不够充分，砂率提高可以提高砂子对石子的包裹，从而改善混凝土的和易性。但是随着尾矿砂掺量的提高，和易性有所下降，主要原因是尾矿砂的外形多为棱角状，不易流动，且其颗粒级配差，极大地影响了混凝土的和易性。

1.2.2 使用粉煤灰试验

此试验使用粗尾矿砂作为部分细骨料，固定掺量80%，通过调整粉煤灰的含量，得出矿物掺合料对混凝土性能的影响。混凝土配合比和性能试验结果见表 2。

由表 2 可以看到提高粉煤灰掺量可以改善混凝土的和易性。这主要得益于粉煤灰的形态效应，即粉煤灰是由大小不等的球状玻璃体组成，其表面光滑致密，在混凝土中起润滑作用，同时粉煤灰的粒径比水泥颗粒小，粉煤灰均匀分布再水泥颗粒之间，阻止水泥颗粒黏聚，使滞留于水泥颗粒间的水释放出来，从而改善混凝土的和易性。

此外，可以看出，提高粉煤灰惨量后，混凝土的早期强度略有降低，但后期强度随粉煤灰的增加而提高，说明矿物掺合料（此处即粉煤灰）在一定范围内可以提高混凝土的后期强度。

表 1 C30 混凝土配比及性能检测结果 1

表 2 C30 混凝土配比及性能检测结果 2

2 结论

（1）粗尾矿单掺时，由于尾矿砂的外形多为棱角状，不易流动，且其颗粒级配差，使混凝土容易离析和泌水。提高粉煤灰掺量可以弥补这一缺点，生产成本较高，但是尾矿砂价格较天然砂便宜，总成本不会提高或略有降低。

（2）利用尾矿砂代替天然砂配制混凝土的方案是可行的。此方案的应用不仅可以节约自然资源和保护生态环境，而且还有显著的经济效益，为混凝土生产节约大量成本。