铁尾矿渣代换碎石用于水泥混凝土的可能性研究

申铁军

(山西路桥建设集团有限公司 太原 030006)

引言

铁矿尾矿是铁矿石的伴生矿，成分复杂多变。铁矿均采用物理选矿，无化学选矿的其他化合物混入。尾矿渣是选矿厂通过制砂设备将矿石筛选后，选取有用组分后所排放的固体废渣，是金属矿业开发造成环境污染的重要来源。直接将尾矿丢弃不仅占用大量土地，给自然环境造成极大损害，而且需投入大量的处理、维护费用。通过化学成分分析，本项目的铁矿尾矿基本以硅铝质为主，SO3含量远低于国家标准。根据铁矿尾矿的分布、储量、运距、成分分析及物相组成，开展铁矿尾矿在水泥混凝土中应用的研究工作。进行尾矿资源的综合利用，不但可以二次利用矿产资源，延长其服务年限，扩大其利用范围，同时也是保护生态环境与治理污染排放的有力手段。本文针对项目周边铁尾矿等工业固废排放、储存、环境污染、安全隐患以及综合利用难度大等社会问题，紧密结合该项目石料资源供应紧张的现实问题，对其开展相应的研究，将会产生巨大的社会效益和经济效益。

1 铁尾矿渣加工方案

根据工业固废应用需求，经过多方论证考察，建立一套铁矿尾矿渣加工生产线。该套设备由粗破移动站 KE760-1 和圆锥移动站KH-300破碎机两部分组成。粗破移动站RE760-1,对原料种类不限，对原料规格大小有要求，需6cm以下原料方可进入破碎机。原料倒入料仓进入平板式振动给料机均匀进入颚破，颚式破碎采用目前最先进的欧版颚式破碎机，采用液压调整排矿口大小，快捷方便吞吐量大，效率高，每小时可加工骨料150t～200t。通过主皮带送入调节料仓，可存骨料100t左右。通过调节料仓下方振动给料机连续均匀的送入输送机。输送入圆锥破碎机进行二次破碎。圆锥破碎机型号为KH-300移动破碎筛分车，圆锥破采用高效液压多缸全自动破碎特点是转速高、产量大、粒型好，调整方便。可通过电脑屏进行运程操控，方便快捷产量为180t/h～250t/h左右,通过输送机进入振动带,可筛分出回种成品，规格分为:0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm等规格。成品规格可通过更换筛网进行调整成品规格[1-3]。

2 铁尾矿渣理化分析

2.1 化学分析及矿物组成分析

具体调查情况项目周边5个矿点，铁尾矿石母岩平均立方体强度为75～100MPa，取12个研究样品做化学分析，铁尾矿石共10个研究样本，编号为1#～10#，铁尾矿砂共2个研究样本，编号为11#～12#，见表1、表2。

表1 铁尾矿渣矿物组成表

表2 铁尾矿渣化学成份表

表1、表2表明，该铁尾矿渣基本上是以硅铝质为主，SO3含量远低于国家标准。

2.2 物相组成(XRD法)

物相组成见图1～图6。

图1 1#～2#XRD图谱

图2 3#～4#XRD图谱

图3 5#～6#XRD图谱

图4 7#～8#XRD图谱

图5 9#～10#XRD图谱

图6 11#～12#XRD图谱

2.3 铁矿尾矿渣碱集料分析

分析试验按 JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中的 T0324-1994集料碱活性试验(岩相法)进行。结果表明，铁尾矿石属于斜长角闪岩，主要由角闪石(含量 40%～50%)、斜长石(含量 20%～30%)、黑云母(含量 5%～10%)、 石英(含量<10%)组成,副矿物主要由磷灰石(含量<3%)，极少量锆英石和铁质矿物，岩石中矿物呈定向排列，显示出片理结构。通过岩相分析，未发现能产生碱集料反应的活性物质[1-6]。铁尾矿石的岩相分析见图7～图12。

图7 铁尾矿石岩相分析图(一)

图8 铁尾矿石岩相分析图(二)

图9 铁尾矿石岩相分析图(三)

图10 铁尾矿石岩相分析图(四)

图11 铁尾矿石岩相分析图(五)

图12 铁尾矿石岩相分析图(六)

2.4 铁尾矿渣物理性能分析

铁矿尾矿石、铁矿尾矿砂物理性能检测其各项指标试验结果见表3～表5。

表3 铁尾矿渣化学成份表

续表

表4 铁尾矿石物理性能检测表

表5 铁尾矿砂物理性能检测表

通过上述表中分析，铁尾矿渣中，铁尾矿石的物理性能较铁尾矿砂的物理性能理想。

3 铁尾矿渣代换碎石混凝土试验分析

3.1 方案一

根据原材料的检测情况，在室内分别进行了 C25、C30、C35单掺与双掺的配合比试验，铁尾矿石采用9.5～19mm，4.75～9.5mm两种规格，试验结果对比情况见表6。

表6 铁尾矿石混凝土配合比(单、双掺)汇总表

3.2 方案二

参照方案一的试验情况，在不改变配合比的情况下，用石灰岩碎石取代铁尾矿碎石，分别进行了 C25、C30、C35、C50 单掺的合比试验，石灰岩采用9.5～19mm，4.75～9.5mm两种规格，试验结果见表7。

表7 铁尾矿石混凝土配合比(单掺)汇总表

3.3 方案三

参照方案二的试验情况，在不改变配合比的情况下，用铁尾矿机制砂取代石灰岩机制砂，分别进行了C30、C35 单掺的配合比试验，试验结果如表8。

表8 铁尾矿砂混凝土配合比(单掺)汇总表

结果分析：

(1)无论单掺还是双掺，铁尾矿碎石和铁矿尾矿细砂作为粗细集料均满足混凝土从 C25 到 C50 的工作性和强度要求。

(2)在试拌混凝土过程中，铁尾矿碎石混凝土与石灰岩碎石混凝土拌合物的坍落度、经时损失(1h、2h)、和易性、 泌水性、容重等各项指标大致相同。混凝土的力学性能指标都能满足设计要求，但铁尾矿混凝土 28d 强度普遍比石灰岩混凝土 28d 强度要高[7-8]。

(3)铁尾矿细砂作为细集料掺入砂用量的 20%左右能有效改善粗砂混凝土的工作性，且降低混凝土成本。

(4)铁尾矿机制砂在配制混凝土时出现外加剂掺量异常偏高，混凝土流动性差，泌水严重等现象，无法做为混凝土细集料使用。具体原因正在做进一步的研究。

4 应用实例

山西省临汾霍州至长治黎城界新建工程。主线全长76.845公里(k28+100～k104+945)，项目按双向四车道高速公路标准建设，设计速度采用80km/h，整体式路基宽度 25.5m，分离式路基为2×9.75m。路基挖土方191.3747万m3，路基挖石方191.0668万m3，填方371.5399万m3，防护工程59.7547万m3，排水工程6.6892万m3，路面 99.203 万m3,水泥混凝土75万m3。上述工程量均为铁尾矿的使用提供了可能。用铁尾矿渣进行了桩基C30水下混泥土浇筑试验，浇筑时混凝土坍落度为210mm，和易性满足施工要求。浇筑开始时间17:00，结束时间18:30，一切正常。进行了C25片石砼挡墙应用尾矿料生产砼浇筑。拌合站检测塌落度为180mm，经1h运输到达施工现场后，塌落度为170mm，和易性良好。以上两个应用部位28d抗压强度均满足要求。

5 结束语

通过对山西省临汾霍州至长治黎城界新建项目沿线铁尾矿资源的调查，研究铁尾矿的物理化学特性，研究铁尾矿在水泥混凝土中的应用，通过铁尾矿在水泥混凝土中的工程应用试验，该项目铁尾矿在水泥混凝土中的应用已具备可行性。同时在实施过程中需要注意，工业固体废渣本身就是成分复杂的复合体，不同地区、不同矿井，其排放的工业固体废渣成分不尽相同。根据工业固体废渣的应用情况进一步拓新思路，从而达到逐步转变现有的普通建筑材料粗放利用方式的目的。