铁尾矿在混凝土中的应用研究进展

白润山 闫彭亮 张会芳 蔡焕琴

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

铁尾矿在混凝土中的应用研究进展

白润山 闫彭亮 张会芳 蔡焕琴

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

论述了我国尾矿的堆积情况，我国铁尾矿堆积量平稳增长，基本保持在20%左右的增速；我国的尾矿年利用率整体上呈现增加趋势，2013年到达了18.9%的利用率，但是仍然没有达到国家关于利用率最低20%的标准；分析了铁尾矿在混凝土中的应用，铁尾矿砂的理化性能、粒径分布；铁尾矿粉作为矿物掺合料在高性能混凝土中的应用；铁尾矿石充当混凝土骨架；论述了铁尾矿混凝土应用中存在的问题，并且对其做出了展望.

铁尾矿混凝土；性能；应用现状

0 引 言

近些年，我国经济快速发展，资源需求量猛增，尤其是工业所需的矿产资源需求量大大增加，导致了矿山的超负荷开采，大量的尾矿堆积.尾矿作为一种矿山废弃物占用大量的耕地，排出的重金属、有毒有害物质对水、土造成了严重的污染.据不完全统计，到2013年为止，我国尾矿产生量16.49亿吨，金属矿采矿废石总产生量为49.47亿吨，其中仅铁尾矿产生量就超过8.39亿吨[1]，产生铁矿废石超过40亿吨.我国尾矿和废石的堆存总量超过610亿吨，相当于满载的重载列车绕地球200圈.铁尾矿每年年排放量高达1.5亿吨，占入选铁矿石量的60%左右.

国内外多位专家学者专门针对铁尾矿进行了系统性的理论研究，一些学者把铁尾矿作为混凝土的一组份应用到建筑工程领域，不仅拓展了混凝土的材料来源，还利用工业废弃物，保护了环境.近些年，铁尾矿在建筑工程中的实际工程应用已经相继展开，经过了大量工程(包括地铁工程、奥运工程等重点工程)的实践检验[2]，应用技术日趋成熟.2014年8月27号，住房和城乡建设部与国家质量监督检验检疫总局联合发布了铁尾矿砂混凝土应用技术规范，规范了铁尾矿混凝土在建设工程中的应用，为实际工程提供了技术支持.

1 我国尾矿的排放及综合利用情况

图1 我国12年的铁尾矿排放情况

我国12年的铁尾矿排放情况如图1所示，通过分析图1中数据以及曲线走势，可以发现，2010年以前，我国铁尾矿增量平稳，基本保持在20%左右的增速；2010年到2011年，增势最为迅猛，增速为35.6%；2011年至2013年，铁尾矿增长量明显放缓，增速基本保持在2%.

图2 我国近5年尾矿利用率

我国近5年的尾矿利用率如图2所示，由图2可以得出：我国的尾矿年利用率整体上上呈现增加趋势，2013年到达了18.9%的利用率，但是仍然没有到达国家关于尾矿利用率最低20%的标准.《中国资源综合利用年度报告》指出，尾矿利用总量的53%充填矿山采空区，尾矿利用总量的43%生产建筑材料，尾矿利用总量的3%用来回收有价组分，其他途径利用约占1%.

我国的尾矿利用率仍然很低，在可以预见的十年间，尾矿库的储量仍然呈现增加态势，尾矿对于环境潜在的危害性仍在增大.为了增大尾矿的利用率，把尾矿应用在混凝土中是减小尾矿库存的有效方法.一方面，尾矿制备混凝土处理量最大、资源化利用率最高.另一方面，混凝土对尾矿质量要求最低.这样不仅有效解决了尾矿的堆放问题，而且还减少了建筑行业对天然资源的索取，降低生产成本，加之现在天然资源的骤减的事实，尾矿在混凝土中的应用已然成为一种必然[3].

2 铁尾矿在混凝土中的应用

2.1 铁尾矿砂

表1 铁尾矿砂与天然砂的粒径分布

表2 天然砂与尾矿砂化学成份

现以北京密云地区分布的铁尾矿与河北省唐山地区的天然砂为例说明，铁尾矿砂与天然砂的粒径分布与化学成份如表1、表2所示，分析表1、2可知，铁尾矿砂与天然砂的粒径分布与化学成份较为接近，大量的文献研究表明，铁尾矿砂可以全部或者部分代替天然砂应用于混凝土，制备的这种铁尾矿砂混凝土在流动度上略逊色于普通混凝土；养护制度上，养护制度对于铁尾矿砂混凝土影响效果更加地明显；力学性能上，铁尾矿砂混凝土的强度等于或者大于相同条件下的普通混凝土，且铁尾矿砂混凝土表现出后期强度增加明显地特征.通过上述可以得出结论，通过合理的配合比，铁尾矿砂混凝土可以达到甚至超过普通混凝土的整体性能.

铁选厂排放的尾矿砂中，可筛选出60%～70%作为建筑用人工砂[4].如果排放的铁尾矿砂代替天然河砂用作混凝土骨料，不仅可以有效地缓解天然河砂短缺与需求量增加的矛盾，还可有效地避免违规采砂对环境的破坏，同时解决铁尾矿带来的污染问题.铁尾矿砂比天然河砂的价格要低廉很多，使用铁尾矿砂替代天然河砂在国内已成为混凝土行业可持续发展的趋势.

2.2 铁尾矿粉

我国铁矿山资源杂、贫、细特征日益凸显，许多矿物企业为选出更多的铁精矿[5]，加强了对铁矿石的粉磨程度，致使铁尾矿粒径越来越细，这些过细的尾矿已不能合用于生产建筑用砂.这些铁尾矿粉不但增加了铁矿厂的处理成本，还给环境带来了很大的安全隐患.然而，相关研究表明，这些铁尾矿粉可以应用到高性能混凝土中，作为混凝土的矿物掺合料.试验研究表明，在混凝土中掺入一定量的铁尾矿粉，可使其获得良好的工作性能，并对混凝土的抗渗性能和抗冻性能均有不同程度的改善.

2.3 铁尾矿石

表3 迁安地区尾矿石与丰润地区普通碎石物理特征

铁尾矿石是选矿厂排放的主要固体废弃物,其资源化利用一直是全社会极为关注的问题.铁尾矿石代替级配碎石应用于混凝土，既可节约资源，又能保护环境，同时还能创造较好的经济效益和社会效益.相关文献研究结果显示，用尾矿石部分代替或者全部代替普通碎石制备的混凝土性能稳定，干燥收缩率小于普通混凝土.迁安地区尾矿石与丰润地区普通碎石物理特征如表3所示，分析表3的可以发现，尾矿石(迁安地区)与普通碎石的物理特征非常接近，而且尾矿石(迁安地区)比普通碎石质地更加坚硬，能起到更好的骨架作用[6].

3 铁尾矿在混凝土应用中存在的问题

1)铁尾矿砂石的棱角性大于普通砂石，坚固性也大于普通砂石，但是铁尾矿砂石级配不如普通砂石[7]，颗粒裂缝多，缺陷多，经常在其颗粒内部发生破坏，这就造成铁尾矿混凝土的力学性能比普通混凝土掺合料复杂，而且铁尾矿会改变混凝土的某些性能，比如混凝土的流动性、强度、耐久性.铁尾矿还具有地域的区别，不同地区的铁尾矿的化学成分差异很大，不同的生产工艺的铁尾矿的物理性能不相同，这是造成铁尾矿在混凝土中应用困难的根本原因.

2)铁尾矿在混凝土上应用需要做一些前期的处理，矿厂缺乏大规模利用的重大技术与装备，引进先进技术装备需要耗费大量的财力，造成矿厂前期投资风险很大，制约铁尾矿工程应用.

3)国家的有关法律法规尚未健全，铁尾矿在混凝土中的应用没有政策的支持，废物循环利用没有形成体系制约铁尾矿在混凝土的应用.

4 展 望

铁尾矿应用在建筑工程中对于混凝土处理量大、对铁尾矿质量要求低、资源化利用率高，是铁尾矿的综合利用的有效途径，并且随着人们对铁尾矿各种性能的深入研究，加之天然砂资源的骤减的事实，铁尾矿在混凝土中的应用将成为一种必然.铁尾矿混凝土的研究开发需要从以下方面入手：

1)铁尾矿混凝土施工性能、力学模型的建立是研究的基础性工作，是研究成果转化的关键因素.

2)铁尾矿混凝土的本构关系、构件的研究应该得到足够的重视.通过对铁尾矿混凝土本构关系的研究，人们可以更加深入地了解这种材料的力学性能.通过对铁尾矿混凝土构件的研究，人们可以了解这种材料的实际工作性能.

3)适量的纤维材料添加在铁尾矿混凝土可以在一定程度上弥补铁尾矿混凝土的内部缺陷，降低这种材料的脆性，拓展铁尾矿混凝土的应用范围.

[1]中国资源综合利用年度报告(2014)[J].再生资源与循环经济,2014,10:3～8

[2]何兆芳，尹万云,等编著.铁尾矿砂混凝土应用技术规范[J].中国计划出版社，2014

[3]薛建华.铁尾矿砂在土木工程建造领域中的再生利用分析研究[D].西安建筑科技大学,2014

[4]蔡基伟，封孝信，赵丽，王春梅，杨立荣.铁尾矿砂混凝土的泌水特性[J].武汉理工大学学报，2009，07:88～91

[5]陈梦义，李北星，王威，朱志刚.铁尾矿粉的活性及在混凝土中的增强效应[J].金属矿山，2013，05:164～168

[6]封孝信，蔡基伟，柴红俊，宋裕增.尾矿砂石混凝土的干缩性能研究[J].商品混凝土，2009，08:29～31

[7]尹飞龙，欧阳东，温喜廉，黄华县.海砂与河砂、尾砂作为建筑用砂的比较研究[J].混凝土，2011，12:73～75+78

[8]张肖艳，宋强，李辉，樊晓丹.铁尾矿粉对C40混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报，2013，12:2559～2563

[9]王宏霞，叶家元，张文生，史迪.铁尾矿粉作为掺合料制备高强混凝土的研究[J].混凝土，2015，07:89～91

[10]张建民，王建臣，王艳辉，盛龙.铁尾矿石对混凝土工作性能和力学性能的影响[J].商品混凝土，2015，06:53+70

[11]尹飞龙，欧阳东，温喜廉，黄华县.海砂与河砂、尾砂作为建筑用砂的比较研究[J].混凝土，2011，12:73～75+78

Present Status of Applied Studies on Iron Tailings in Concrete

BAIRun-shan，YANPeng-liang，ZHANGHui-fang

(Heibei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou 075000，China)

This paper discusses the accumulation of tailings in China.The accumulation of tailings increases steadily,maintaining the growth rate of about 20%.The annual utilization rate of tailings presents the increasing trend from the whole aspect,and the utilization rate reaches 18.9% in 2013.However,it hasn’t reached the national standard on the lowest utilization rate of 20%.This paper analyzes the application of iron tailings in concrete,physical and chemical properties of iron ore tailings and the size distribution.Iron tailings powder is as mineral admixtures applied to high performance concrete;iron tail ore acts as concrete skeleton.This paper discusses the problems in the application of iron tailings,and makes a prospect for it.

iron tailing concrete；performance；present application

2015-07-25

河北省建设科学技术研究计划(指令性项目)—资助;铁尾矿混凝土制备及综合利用关键技术(2015-116)

白润山(1965-)，男，教授，主要从事建筑结构、建筑材料研究.

TU 5

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