粉煤灰和矽灰加入混凝土的研究（鐵尾礦渣代換碎石用於水泥混凝土的可能性研究）

2023-09-18 06:31:11

摘 要：為了減少固體廢棄物填埋和礦井開採引起的環境汙染，防止二次汙染的產生，提出鐵尾礦渣集料的概念，通過對鐵尾礦渣的巖相分析與理化性質分析，以水泥為結合介質，單、雙摻混凝土為研究對象，對鐵尾礦渣的使用性能進行了詳細分析，分析結果表明:鐵尾礦石屬於斜長角閃巖，主要由角閃石(含量40%～50%)、斜長石(含量20%～30%)、黑雲母(含量5%～10%)、石英(含量<10%)組成，副礦物主要由磷灰石(含量<3%)，極少量鋯英石和鐵質礦物，巖石中礦物呈定向排列，顯示出片理結構。對於工業固體廢渣在土木工程中二次利用的應用研究有一定的指導意義，工程應用實例證明鐵尾礦渣混凝土的工作性能、力學性能均滿足要求。

關鍵詞：固廢利用;鐵尾礦渣;代換;混凝土;環境保護;

作者簡介：申鐵軍(1980-)，男，高級工程師，主要研究方向:混凝土的應用與實踐。;

鐵礦尾礦是鐵礦石的伴生礦，成分複雜多變。鐵礦均採用物理選礦，無化學選礦的其他化合物混入。尾礦渣是選礦廠通過制砂設備將礦石篩選後，選取有用組分後所排放的固體廢渣，是金屬礦業開發造成環境汙染的重要來源。直接將尾礦丟棄不僅佔用大量土地，給自然環境造成極大損害，而且需投入大量的處理、維護費用。通過化學成分分析，本項目的鐵礦尾礦基本以矽鋁質為主，SO3含量遠低於國家標準。根據鐵礦尾礦的分布、儲量、運距、成分分析及物相組成，開展鐵礦尾礦在水泥混凝土中應用的研究工作。進行尾礦資源的綜合利用，不但可以二次利用礦產資源，延長其服務年限，擴大其利用範圍，同時也是保護生態環境與治理汙染排放的有力手段。本文針對項目周邊鐵尾礦等工業固廢排放、儲存、環境汙染、安全隱患以及綜合利用難度大等社會問題，緊密結合該項目石料資源供應緊張的現實問題，對其開展相應的研究，將會產生巨大的社會效益和經濟效益。

根據工業固廢應用需求，經過多方論證考察，建立一套鐵礦尾礦渣加工生產線。該套設備由粗破移動站KE760-1和圓錐移動站KH-300破碎機兩部分組成。粗破移動站RE760-1，對原料種類不限，對原料規格大小有要求，需6cm以下原料方可進入破碎機。原料倒入料倉進入平板式振動給料機均勻進入顎破，顎式破碎採用目前最先進的歐版顎式破碎機，採用液壓調整排礦口大小，快捷方便吞吐量大，效率高，每小時可加工骨料150t～200t。通過主皮帶送入調節料倉，可存骨料100t左右。通過調節料倉下方振動給料機連續均勻的送入輸送機。輸送入圓錐破碎機進行二次破碎。圓錐破碎機型號為KH-300移動破碎篩分車，圓錐破採用高效液壓多缸全自動破碎特點是轉速高、產量大、粒型好，調整方便。可通過電腦屏進行運程操控，方便快捷產量為180t/h～250t/h左右，通過輸送機進入振動帶，可篩分出回種成品，規格分為:0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm等規格。成品規格可通過更換篩網進行調整成品規格[1,2,3]。

具體調查情況項目周邊5個礦點，鐵尾礦石母巖平均立方體強度為75～100MPa，取12個研究樣品做化學分析，鐵尾礦石共10個研究樣本，編號為1#～10#，鐵尾礦砂共2個研究樣本，編號為11#～12#，見表1、表2。

表1 鐵尾礦渣礦物組成表

表1 鐵尾礦渣礦物組成表

表2 鐵尾礦渣化學成份表

表2 鐵尾礦渣化學成份表

表1、表2表明，該鐵尾礦渣基本上是以矽鋁質為主，SO3含量遠低於國家標準。

物相組成見圖1～圖6。

圖1 1#～2#XRD圖譜

圖2 3#～4#XRD圖譜

圖3 5#～6#XRD圖譜

圖4 7#～8#XRD圖譜

圖5 9#～10#XRD圖譜

圖6 11#～12#XRD圖譜

分析試驗按JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》中的T0324-1994集料鹼活性試驗(巖相法)進行。結果表明，鐵尾礦石屬於斜長角閃巖，主要由角閃石(含量40%～50%)、斜長石(含量20%～30%)、黑雲母(含量5%～10%)、石英(含量<10%)組成，副礦物主要由磷灰石(含量<3%)，極少量鋯英石和鐵質礦物，巖石中礦物呈定向排列，顯示出片理結構。通過巖相分析，未發現能產生鹼集料反應的活性物質[1,2,3,4,5,6]。鐵尾礦石的巖相分析見圖7～圖12。

圖7 鐵尾礦石巖相分析圖(一)

圖注:角閃石:柱粒狀，兩組解離發育，交角呈56°和124°(20×10倍)，單偏光

圖8 鐵尾礦石巖相分析圖(二)

圖注:斜長石:聚生雙晶、清晰、板條狀，全部雲母化(20×10倍)，正交偏光

圖9 鐵尾礦石巖相分析圖(三)

圖注:黑雲母:桔黃色多色性，片狀，部分綠泥石化，平行消光(20×10倍)單偏光

圖1 0 鐵尾礦石巖相分析圖(四)

圖注:石英:粒狀、雨滴狀，填充在其他礦物的間隙中(20×10倍)正交偏光

圖1 1 鐵尾礦石巖相分析圖(五)

圖注:磷灰石:無色透明，針柱狀，平行消光，作為斜長石和角閃石的包裹體(主要是斜長石)

圖1 2 鐵尾礦石巖相分析圖(六)

圖注:鋯石英:短柱狀、高正突起，平行消光，具放射性暈圈

鐵礦尾礦石、鐵礦尾礦砂物理性能檢測其各項指標試驗結果見表3～表5。

表3 鐵尾礦渣化學成份表

表3 鐵尾礦渣化學成份表

表4 鐵尾礦石物理性能檢測表

表4 鐵尾礦石物理性能檢測表

表5 鐵尾礦砂物理性能檢測表

表5 鐵尾礦砂物理性能檢測表

通過上述表中分析，鐵尾礦渣中，鐵尾礦石的物理性能較鐵尾礦砂的物理性能理想。

根據原材料的檢測情況，在室內分別進行了C25、C30、C35單摻與雙摻的配合比試驗，鐵尾礦石採用9.5～19mm,4.75～9.5mm兩種規格，試驗結果對比情況見表6。

表6 鐵尾礦石混凝土配合比(單、雙摻)匯總表

表6 鐵尾礦石混凝土配合比(單、雙摻)匯總表

參照方案一的試驗情況，在不改變配合比的情況下，用石灰巖碎石取代鐵尾礦碎石，分別進行了C25、C30、C35、C50單摻的合比試驗，石灰巖採用9.5～19mm,4.75～9.5mm兩種規格，試驗結果見表7。

表7 鐵尾礦石混凝土配合比(單摻)匯總表

表7 鐵尾礦石混凝土配合比(單摻)匯總表

參照方案二的試驗情況，在不改變配合比的情況下，用鐵尾礦機制砂取代石灰巖機制砂，分別進行了C30、C35單摻的配合比試驗，試驗結果如表8。

表8 鐵尾礦砂混凝土配合比(單摻)匯總表

表8 鐵尾礦砂混凝土配合比(單摻)匯總表

結果分析:

(1)無論單摻還是雙摻，鐵尾礦碎石和鐵礦尾礦細砂作為粗細集料均滿足混凝土從C25到C50的工作性和強度要求。

(2)在試拌混凝土過程中，鐵尾礦碎石混凝土與石灰巖碎石混凝土拌合物的坍落度、經時損失(1h、2h)、和易性、泌水性、容重等各項指標大致相同。混凝土的力學性能指標都能滿足設計要求，但鐵尾礦混凝土28d強度普遍比石灰巖混凝土28d強度要高[7,8]。

(3)鐵尾礦細砂作為細集料摻入砂用量的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)鐵尾礦機制砂在配製混凝土時出現外加劑摻量異常偏高，混凝土流動性差，泌水嚴重等現象，無法做為混凝土細集料使用。具體原因正在做進一步的研究。

山西省臨汾霍州至長治黎城界新建工程。主線全長76.845公裡(k28 100～k104 945)，項目按雙向四車道高速公路標準建設，設計速度採用80km/h，整體式路基寬度25.5m，分離式路基為2×9.75m。路基挖土方191.3747萬m3，路基挖石方191.0668萬m3，填方371.5399萬m3，防護工程59.7547萬m3，排水工程6.6892萬m3，路面99.203萬m3，水泥混凝土75萬m3。上述工程量均為鐵尾礦的使用提供了可能。用鐵尾礦渣進行了樁基C30水下混泥土澆築試驗，澆築時混凝土坍落度為210mm，和易性滿足施工要求。澆築開始時間17:00，結束時間18:30，一切正常。進行了C25片石砼擋牆應用尾礦料生產砼澆築。拌合站檢測塌落度為180mm，經1h運輸到達施工現場後，塌落度為170mm，和易性良好。以上兩個應用部位28d抗壓強度均滿足要求。

通過對山西省臨汾霍州至長治黎城界新建項目沿線鐵尾礦資源的調查，研究鐵尾礦的物理化學特性，研究鐵尾礦在水泥混凝土中的應用，通過鐵尾礦在水泥混凝土中的工程應用試驗，該項目鐵尾礦在水泥混凝土中的應用已具備可行性。同時在實施過程中需要注意，工業固體廢渣本身就是成分複雜的複合體，不同地區、不同礦井，其排放的工業固體廢渣成分不盡相同。根據工業固體廢渣的應用情況進一步拓新思路，從而達到逐步轉變現有的普通建築材料粗放利用方式的目的。

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