浅析南疆铜锌矿微粉混凝土的应用前景

文/柯谱、贾豆考、赵晓文、何斌 土木工程学院 喀什大学 新疆喀什 844006



浅析南疆铜锌矿微粉混凝土的应用前景

文/柯谱、贾豆考、赵晓文、何斌 土木工程学院 喀什大学 新疆喀什 844006

【摘要】自“一带一路”的伟大战略决策开局以来，直接推动了南疆的建设发展，更加刺激了南疆资源的开发。新疆最大的有色金属矿（卡特里西铜锌矿）开机生产紧随于“一带一路”这一伟大战略构想的提出，在生产过程当中不可避免的会产生大量矿渣，又会对现有的新疆矿渣库产生极大的存储压力。在国家倡导循环经济和节能减排的大环境下，铜锌矿渣能否更加科学有效的处理也必将是一个亟待解决的问题。随着矿渣微粉在混凝土方面的研究日渐成熟，也给新疆带来有效处理铜锌矿渣的契机。

【关键词】南疆；减排；铜锌矿；矿渣；水泥混凝土

1、前言

目前，南疆地区发现的规模最大有色金属矿是位于东昆仑主峰以北高山地带的卡特里西铜锌矿。到2015年上半年该矿将近具备了60万吨铜锌矿采选能力，同时也能产出上百万吨的矿渣。这些矿渣都是具有一定活性的工业排弃物，这些废弃物的不合理处理必将对南疆局部环境造成严重的威胁。当前，有色金属矿产资源的综合利用产业在我国正迅猛发展。但由于我国尾矿综合利用率受限于技术水平不高、没有系统规范标准、副产业用户的接受度低下等等原因，使得其平均不到14%，且综合利用层次较低，综合利用产品粗放、单一。基本上是先进行有用矿物回收，再用废渣进行塌陷地和井下充填、铺路、生产低层次建材、加气混凝土砌块、混凝土空心砌块、高强度陶粒等。但这些途径有的因为能耗高、成本高，有的因为回收率低、附加值低，或因工艺太复杂、投资过大等因素，综合利用的规模普遍较小，产业化水平较低，不利于大量尾矿的整体综合利用。利用率低、利用量小成为尾矿综合利用必须解决的最根本问题。利用铜锌矿渣拌制水泥混凝土是一种有效地处理南疆铜锌矿渣的方法，这种方法首先为建设“新丝绸之路经济带”提供了足够的建材资源，其次起到了有效地处理矿渣的目的。

2、我国矿渣微粉水泥混凝土的应用现状

我国当前正广泛使用的矿渣拌制混凝土拌合料，基本采用以矿渣微粉的形式[1]。在现今的土木工程中，矿渣微粉已经被推广应用作为混凝土拌合物的高掺合料了。我国的某些高等教育学校校和科学研究机构已经在矿渣微粉混凝土上取得了一定的成果，比如矿渣粉等量取代30%～70%的水泥配制普通混凝土及高强混凝土。并且这些研究成果已经在我国某些商品混凝土搅拌站中得到采用，并且在某些重要工程中已投入使用。甚至形成了相关的地方标准或者是适用于各类混凝土制品（包括现场搅拌、预拌混凝土）和构件推荐标准比如:上海教育电视台综合楼工程 (强度等级相当于C40普通混凝土的强度)、上海明天广场工程(强度等级相当于C80的高强普通混凝土的强度)[5～6]。了地方标准《混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉》(DB31/T35-1998)和《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程》(DG/TTJ08-501-1999)分别被上海市技术监督局于1998年发布和上海市建设委员会于1999年实施推荐。但是矿渣微粉在混凝土制品生产上的应用还远远没有得到充分的开发。

3、铜锌矿渣拌制水泥混凝土的可行性

3.1铜锌矿渣的性质

3.1.1铜锌矿渣的形成

铜锌矿渣是由铜锌矿渣熔浆经过冷却固化后形成的细小颗粒。熔融矿渣的冷却条件直接影响到铜锌矿渣的矿物组成。工业生产中为了得到稳定的固体Ca-Al-Mg硅酸盐晶体，通常采用缓慢冷却的方法。这种稳定的矿物晶体中,也只有C2S具有一定的胶凝性,其他矿物基本没有胶凝性。快速冷却会就会得到一种具有很高潜在活性的玻璃体结构材料。

3.1.2南疆铜锌矿渣的化学组成

铜锌矿渣的化学组成与它的产地有很直接的关系。南疆铜锌矿渣除了少量的 MgO和一些硫化物等主要含有的氧化物有 SiO2、CaO、SiO2、Al2O3等，其总量通常高达 80 %,。矿渣化学元素分析结果如表1所示。

表1　铜锌矿渣化学元素分析结果 %

其中影响铜锌矿渣活性的氧化物成份和主要性能如下：

(1)CaO: 是铜锌矿渣的主要成分之一,属于碱性氧化物,大约占 43%,在铜锌矿渣中可化合成具有高活性的化合物,如C2S等。通常CaO的含量对矿渣的活性起决定性作用,铜锌矿渣潜在的活性随着CaO在铜锌矿渣中的含量增加而提高。

(2)Al2O3: 是铜锌矿渣中较好的活性成分,属于酸性氧化物,通常含量在 8.9%左右,在矿渣中形成铝硅酸钙或铝酸盐等矿物,由熔融状态经水淬后形成玻璃体。铜锌矿渣的活性随Al2O3含量的增加而提高。

(3)SiO2:它是铜锌矿渣中含量比较高的偏酸性的氧化物, 含量一般约在38.4%。相比较而言, SiO2的含量较 CaO和Al2O3的含量明显较多,极容易形成较低活性水平的产物（低钙矿物）,甚至可能是游离的SiO2,严重地影响铜锌矿渣的活性。

(4)MgO:也属于碱性氧化物，但是相对于高活性的CaO而言，MgO的活性要明显低于CaO,其含量通常在1.12%左右,在铜锌矿渣中以稳定的化合物或玻璃体的形式存在居多,有利于增强熔融矿物的流动性，对促进铜锌矿渣活性的提高有明显的效果。

(5)S: 铜锌矿渣中硫的含量相对较多,会严重损失铜锌矿渣制品的强度；但硫化钙与水的反应产物 Ca(OH)2，有碱性激发的作用。铜锌矿渣中其他物质,比如氟化物、P2O5、FeO、V2O5、K2O、Na2O、Fe2O3等。一般情况下,对铜锌矿渣的质量没有太大的影响。

3.1.3技术分析

混凝土技术进步主要体现在相对于普通混凝土。无论是新拌状态还是硬化后的状态的各项性都能够有较显著的改善和提高。正如上文矿渣拌水泥混凝土的研究现状显示，矿渣的使用主要是以矿渣微粉的形式。由于铜锌矿渣微粉的粒度细、活性高, 所以从技术角度分析，基本都是分析铜锌矿渣微粉对水泥混凝土的积极作用。矿渣微粉作为水泥混凝土的活性矿物掺合料，通过大量的试验研究表明,能显著改进和提高混凝土的性能。因此,矿渣微粉被作为在国际上被认为是高性能混凝土的主要组分之一。根据国内的试验研究资料[2 ,3 ,5 ,6]显示，现将有关矿渣微粉水泥混凝土的性能特征简介如下:

（1）现拌矿渣微粉水泥混凝土

a、矿渣微粉混凝土的凝结硬化时间稍微较普通水泥混凝土长,但是时间延长量不大。

b、在相同配合比和掺用等量等样的化学添加剂的条件下, 矿渣微粉混凝土的坍落度明显的高于普通混凝土的, 并且显著有效地缓解了混凝土材料和易性的经时损失。

c、因为矿渣微粉水泥混凝土具有良好的粘聚性,因而在水泥混凝土泌水性的抑制上有显著的效果。

（2）凝结硬化矿渣微粉水泥混凝土性能

a、凝结硬化规律。在相同的强度等级要求、配合比组成以及养护环境的前提条件下, 矿渣微粉水泥混凝土具有略低于普通水泥混凝土的早期强度, 但28d、90d以及180d 的强度增长速度较普通水泥混凝土有显著地优势。

b、抗渗性、耐久性方面。在浆体结构方面，由于矿渣微粉水泥混凝土具有较好密实性,并且矿渣微粉对水泥水化作用生成的某些活性晶体具有良好的吸收能力，能够很好的弥补普通混凝土界面结构上的缺陷。因此,矿渣微粉水泥混凝土显著优越的抗渗性会给水泥混凝土耐久性带来一系列有利的影响。

由于矿渣微粉还具有很强的吸附Cl—的能力, 再加上水泥混凝土的高抗渗性，对Cl—向混凝土内部渗透或扩散有很强的保护作用。因此矿渣微粉提高水泥混凝土抗Cl—渗透能力, 使矿渣微粉水泥混凝土在保护内部钢筋锈蚀上有明显的优越性。同样的，矿渣微粉在抗硫酸盐侵蚀过程中也有显著的作用。矿渣微粉水泥混凝土的无机胶凝材料中相对含有量极少的C3A 矿物及碱度和抗渗透性使矿渣微粉水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能较普通水泥混凝土更加显著。有试验表明,矿渣微粉水泥混凝土在10%的硫酸盐溶液中持续浸泡30d后, 该种混凝土试件的强度没有丝毫的下降。

基于矿渣微粉水泥混凝土的高密实性。因此,在相同配合比与强度等级的条件下, 矿渣微粉水泥混凝土的抗冻性能较普通水泥混凝土有显著提高。

由于矿渣微粉水泥混凝土中碱含量明显低于普通水泥混凝土中的。因此，矿渣微粉水泥混凝土在预防和抑制碱集料反应方面也是十分有利的。

（3）矿渣微粉水泥混凝土凝结硬化反应过程中的热学性能

混凝土在进行水化反应过程中都会释放出热量，在工程施工过程中常常会碰到大体积混凝土的现浇,这就要求混凝土的水化热越低越好,并希望水化热极值的出现时间越晚越好,这样就可以防止由于温差作用而导致初始裂缝的产生，可以更加有效地控制初始温度应力与混凝土的初始结构强度。基于矿渣微粉水泥混凝土中较低的水泥用量，因此，矿渣微粉水泥混凝土在凝结硬化过程的热学性能得到了显著的改善。

结语：

南疆属于多渣少砂地区，可用铜锌矿渣拌制水泥混凝土，这样在不显著影响水泥混凝土强度的同时，不仅仅能够优化细骨料的级配组成，节省水泥浆的使用量，并且还可以提高混凝土质量。这样就可以在节省水泥混凝土成本的基础上，还实现了变废为宝地充分利用铜锌矿渣的愿望，有利于对环境的保护和国家对可持续发展的要求。提出加大对铜锌尾矿在建材领域的应用方面的研究。

参考文献：

[1]朱晓丽,周美茹.水淬高炉矿渣综合利用途径[J].中国资源综合利用,2005,(7):8-10.

[2]王秀娟,陆文雄,邵霞,等.高炉矿渣用作高性能混凝土掺合料的研究进展[J].上海大学学报,2004, 2(10):170-175.

[3]黄士元,蒋家奋,杨南如,等.近代混凝土技术.陕西科学技术出版社,1998.

[4]同济大学材料学院材料工程研究所.525#早强低热高掺量矿渣水泥(鉴定资料).1998.

[5]朱稚石.高炉矿渣微粉混凝土的研究、生产与应用.2001年矿渣微粉应用技术交流会论文集,2001年10月.

[6]张荫济,朱稚石,等.宝钢高炉矿渣微粉混凝土的生产应用研究.2001年矿渣微粉应用技术交流会论文集,2001 年10月.