不同岩性尾矿砂混凝土性能的研究

崔彦发CUI Yan-fa；刘东基LIU Dong-ji；高畅GAO Chang；段国伟DUAN Guo-wei

（①河北建研工程技术有限公司，石家庄 050227；②河北省固废建材化利用科学与技术重点实验室，石家庄 050227；③中国砂石协会，北京 100831）

0 引言

矿产资源是人类发展和生存极为重要的物质基础之一，我国每年产生铁尾矿1.1亿t以上，尾矿全铁品位平均在11%以上[1]。如果从铁尾矿中回收的铁精矿按品位60%、产率2%～3%计算，每年可回收铁精矿300～400万t，相当于一个大型铁矿企业选矿厂的产量。因此对尾矿资源进行综合利用研究，提取尾矿中的目的性矿物，在现有科技水平下，兼顾经济合理性，最大限度地利用尾矿资源，变废为宝，既保护生态环境，又有利于企业长远发展。国内外对铁尾矿的处理主要通过铁尾矿再选、用于建筑材料的原料和公路基层填料、水泥生料、制作肥料、尾矿库堆存及对尾矿复垦和建立生态区等方法，提高铁尾矿综合利用率和减少环境影响的目的。

本文针对不同岩性尾矿开展性能调查及在混凝土中的应用研究，不仅可以回收大量矿物资源，提高矿产资源利用率，并且有效地缓解尾矿堆存带来的大量生态环境问题，而且对发展矿山循环经济，实现节能减排目标，不同岩性尾矿采掘的可持续发展具有十分重要的意义。

1 试验材料与仪器

1.1 试验材料

承德地区超贫钒钛磁铁矿、鑫鑫矿业片麻岩、冀恒矿业矽卡岩三个不同岩性的铁尾矿砂（图1）开展其对砂浆性能的影响研究，编号分别为CD，XX，JH，并以标准砂作为基准进行对比，编号为TR。

图1 不同岩性尾矿砂样品照片

其样品化学成分见表1；实验室自来水；西卡公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率35%，含固量40%；石家庄曲寨水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥；Ⅰ级粉煤灰细度（45μm筛余）为8.7%，矿粉，需水量比98%；金泰成公司生产的S95级矿渣粉比表面积429kg/m2活性指数101%。

表1 骨料化学成分分析 %

1.2 试验仪器

压力试验机；冻融试验机；电通量测定仪；型号为TYCNJ-2的加速碳化箱；烘干箱；游标卡尺。

2 试验结果及其分析

2.1 抗压性能

试验方法依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）测试混凝土抗压强度[2]，结果见表2。

表2 混凝土抗压强度

通过测试发现不同地区的铁尾矿砂混凝土其抗压强度有较大差异，对比天然砂混凝土，增强效果最明显的是承德地区超贫钒钛磁铁矿铁尾矿砂（CD），增强效果最弱的是冀恒地区矿业矽卡岩铁尾矿砂（JH），且经过测试的三种铁尾矿砂混凝土都比天然砂强度更高，力学性能更为优良。

表2可清晰的看出不同地区岩性尾矿砂增强的程度。在低水胶比的C50混凝土中，7d的铁尾矿砂混凝土强度较天然砂混凝土强度增强不明显，但28d有显著增强，随着水泥水化的加深，铁尾矿砂本身的石粉会参与其中[3]，并且铁尾矿砂本身较为多棱角的形貌对混凝土体系起到增强效果，承德地区超贫钒钛磁铁矿尾矿砂混凝土强度最高，其本身级配优良，并且比粒度高，表明其比表面积大，与水泥浆体接触的更充分，鑫鑫矿业片麻岩尾矿砂、冀恒矿业矽卡岩尾矿砂级配与理想级配存在差异，但其石粉含量较高，石粉在体系中可能充当胶结的作用，使砂浆包裹石子更加紧密，增强了抗压强度。值得注意的是在胶砂试件中超贫钒钛磁铁矿砂强度最高，并且片麻岩铁尾矿砂在低水胶比下强度较天然砂也显著增强，推测这是由于片麻岩铁尾矿砂石粉含量较大，使得浆体更多将石子包裹的更紧密，一定程度上相当于变相调高了浆骨比，石子与石子之间的空隙减少，彼此啮合更密切，提高了混凝土的抗压强度。

2.2 抗渗性能

铁尾矿砂混凝土的抗渗性能按照ASTM102标准和CECS207：2006《高性能混凝土应用技术》附录B混凝土抗氯离子渗透性能试验方法[4]，通过测定混凝土试件6小时内通过的电量评价混凝土抵抗氯离子渗透能力。测量6小时通过的电量，以库仑计算评价混凝土抗氯离子渗透性能，如表3。

表3 铁尾矿砂混凝土抗氯离子渗透性能

表3是采用超贫钒钛磁铁矿、片麻岩、矽卡岩三种铁尾矿砂及天然砂配制的不同强度等级混凝土28d抗氯离子渗透性结果以及等级评价。由表可得超贫钒钛磁铁矿砂混凝土的抗氯离子渗透性能最优，其它两种尾矿砂配制的混凝土抗渗性与天然砂混凝土相当。对于C30和C50两个强度等级混凝土的抗渗等级分别是中和低，均满足指标要求。

2.3 抗冻性能

按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》标准[5]，对超贫钒钛磁铁矿、片麻岩、矽卡岩三种尾矿砂及天然砂配制的不同强度等级非引气混凝土进行快速冻融试验，结果见图2。

由图2中可得，对于不同细集料配制的同水灰比混凝土，各组试件之间的抗冻性差别不大，总体看超贫钒钛磁铁矿砂配制的混凝土抗冻性略优于其它组试件，对于片麻岩和矽卡岩两种尾矿砂配制的混凝土抗冻性与天然砂相当。

图2 尾矿砂混凝土快速冻融试验结果

C30强度等级的各组混凝土可满足F150抗冻等级的要求，而C50强度等级的各组混凝土当经过300次冻融循环后，相对动弹性模量仍高于60%，抗冻等级可达到F300的要求。

2.4 碳化性能

参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》碳化试验方法在型号为TYCNJ-2的加速碳化箱中进行。碳化之前将试块放入烘干箱在（60±2）℃的温度下烘干48小时，之后将试件放入碳化箱内的铁架上，各试件经受碳化的表面之间的间距应不少于50mm，并设定箱内二氧化碳的浓度为（20±3）%，温度为（20±5）℃，相对湿度为（70±5）%。

图3是各组尾矿砂混凝土试件的碳化深度数据，可以看出碳化深度的大小主要受混凝土强度等级的影响，C30强度等级混凝土的碳化深度明显大于C50强度等级，主要是微孔结构密实程度的影响。掺用尾矿砂的混凝土和掺用天然砂的混凝土的碳化深度性能接近，超贫钒钛磁铁矿砂配制的混凝土碳化深度略小于其它组试件。细集料在混凝土中主要是填充骨架作用，只要配制的混凝土级配合理、密实度良好，一般细集料对混凝土碳化性能没有影响。

图3 铁尾矿砂混凝土碳化试验结果

3 结论

承德地区超贫钒钛磁铁矿尾矿砂、鑫鑫矿业片麻岩尾矿砂、冀恒矿业矽卡岩尾矿砂三种岩性尾矿砂混凝土表现出优异的力学、抗渗、碳化性能，对传统砂石具有很好的替代作用，缓解尾矿堆存带来的大量生态环境问题。

①三种岩性尾矿砂中石粉在混凝土体系内可能充当胶结的作用，使砂浆包裹石子更加紧密，提高了抗压强度。

②三种岩性尾矿砂混凝土中，超贫钒钛磁铁矿砂混凝土的抗氯离子渗透性能最优，片麻岩、矽卡岩尾矿砂配制的混凝土抗渗性与天然砂混凝土相当；C30和C50两个强度等级混凝土的抗渗等级分别是中和低，满足指标要求。

③C30强度等级的各组混凝土可满足F150抗冻等级的要求，而C50强度等级的各组混凝土当经过300次冻融循环后，相对动弹性模量仍高于60%，抗冻等级可达F300。

④掺用尾矿砂的混凝土和掺用天然砂的混凝土的碳化深度性能接近，集料在混凝土中主要是填充骨架作用，只要配制的混凝土级配合理、密实度良好，一般细集料对混凝土碳化性能没有影响。