鐵尾礦在混凝土中的應(yīng)用研究進(jìn)展

白潤(rùn)山 閆彭亮 張會(huì)芳 蔡煥琴

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

鐵尾礦在混凝土中的應(yīng)用研究進(jìn)展

白潤(rùn)山 閆彭亮 張會(huì)芳 蔡煥琴

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

論述了我國(guó)尾礦的堆積情況，我國(guó)鐵尾礦堆積量平穩(wěn)增長(zhǎng)，基本保持在20%左右的增速；我國(guó)的尾礦年利用率整體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2013年到達(dá)了18.9%的利用率，但是仍然沒(méi)有達(dá)到國(guó)家關(guān)于利用率最低20%的標(biāo)準(zhǔn)；分析了鐵尾礦在混凝土中的應(yīng)用，鐵尾礦砂的理化性能、粒徑分布；鐵尾礦粉作為礦物摻合料在高性能混凝土中的應(yīng)用；鐵尾礦石充當(dāng)混凝土骨架；論述了鐵尾礦混凝土應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并且對(duì)其做出了展望.

鐵尾礦混凝土；性能；應(yīng)用現(xiàn)狀

0 引 言

近些年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，資源需求量猛增，尤其是工業(yè)所需的礦產(chǎn)資源需求量大大增加，導(dǎo)致了礦山的超負(fù)荷開(kāi)采，大量的尾礦堆積.尾礦作為一種礦山廢棄物占用大量的耕地，排出的重金屬、有毒有害物質(zhì)對(duì)水、土造成了嚴(yán)重的污染.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2013年為止，我國(guó)尾礦產(chǎn)生量16.49億噸，金屬礦采礦廢石總產(chǎn)生量為49.47億噸，其中僅鐵尾礦產(chǎn)生量就超過(guò)8.39億噸[1]，產(chǎn)生鐵礦廢石超過(guò)40億噸.我國(guó)尾礦和廢石的堆存總量超過(guò)610億噸，相當(dāng)于滿載的重載列車?yán)@地球200圈.鐵尾礦每年年排放量高達(dá)1.5億噸，占入選鐵礦石量的60%左右.

國(guó)內(nèi)外多位專家學(xué)者專門針對(duì)鐵尾礦進(jìn)行了系統(tǒng)性的理論研究，一些學(xué)者把鐵尾礦作為混凝土的一組份應(yīng)用到建筑工程領(lǐng)域，不僅拓展了混凝土的材料來(lái)源，還利用工業(yè)廢棄物，保護(hù)了環(huán)境.近些年，鐵尾礦在建筑工程中的實(shí)際工程應(yīng)用已經(jīng)相繼展開(kāi)，經(jīng)過(guò)了大量工程(包括地鐵工程、奧運(yùn)工程等重點(diǎn)工程)的實(shí)踐檢驗(yàn)[2]，應(yīng)用技術(shù)日趨成熟.2014年8月27號(hào)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了鐵尾礦砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，規(guī)范了鐵尾礦混凝土在建設(shè)工程中的應(yīng)用，為實(shí)際工程提供了技術(shù)支持.

1 我國(guó)尾礦的排放及綜合利用情況

圖1 我國(guó)12年的鐵尾礦排放情況

我國(guó)12年的鐵尾礦排放情況如圖1所示，通過(guò)分析圖1中數(shù)據(jù)以及曲線走勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)，2010年以前，我國(guó)鐵尾礦增量平穩(wěn)，基本保持在20%左右的增速；2010年到2011年，增勢(shì)最為迅猛，增速為35.6%；2011年至2013年，鐵尾礦增長(zhǎng)量明顯放緩，增速基本保持在2%.

圖2 我國(guó)近5年尾礦利用率

我國(guó)近5年的尾礦利用率如圖2所示，由圖2可以得出：我國(guó)的尾礦年利用率整體上上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2013年到達(dá)了18.9%的利用率，但是仍然沒(méi)有到達(dá)國(guó)家關(guān)于尾礦利用率最低20%的標(biāo)準(zhǔn).《中國(guó)資源綜合利用年度報(bào)告》指出，尾礦利用總量的53%充填礦山采空區(qū)，尾礦利用總量的43%生產(chǎn)建筑材料，尾礦利用總量的3%用來(lái)回收有價(jià)組分，其他途徑利用約占1%.

我國(guó)的尾礦利用率仍然很低，在可以預(yù)見(jiàn)的十年間，尾礦庫(kù)的儲(chǔ)量仍然呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，尾礦對(duì)于環(huán)境潛在的危害性仍在增大.為了增大尾礦的利用率，把尾礦應(yīng)用在混凝土中是減小尾礦庫(kù)存的有效方法.一方面，尾礦制備混凝土處理量最大、資源化利用率最高.另一方面，混凝土對(duì)尾礦質(zhì)量要求最低.這樣不僅有效解決了尾礦的堆放問(wèn)題，而且還減少了建筑行業(yè)對(duì)天然資源的索取，降低生產(chǎn)成本，加之現(xiàn)在天然資源的驟減的事實(shí)，尾礦在混凝土中的應(yīng)用已然成為一種必然[3].

2 鐵尾礦在混凝土中的應(yīng)用

2.1 鐵尾礦砂

表1 鐵尾礦砂與天然砂的粒徑分布

表2 天然砂與尾礦砂化學(xué)成份

現(xiàn)以北京密云地區(qū)分布的鐵尾礦與河北省唐山地區(qū)的天然砂為例說(shuō)明，鐵尾礦砂與天然砂的粒徑分布與化學(xué)成份如表1、表2所示，分析表1、2可知，鐵尾礦砂與天然砂的粒徑分布與化學(xué)成份較為接近，大量的文獻(xiàn)研究表明，鐵尾礦砂可以全部或者部分代替天然砂應(yīng)用于混凝土，制備的這種鐵尾礦砂混凝土在流動(dòng)度上略遜色于普通混凝土；養(yǎng)護(hù)制度上，養(yǎng)護(hù)制度對(duì)于鐵尾礦砂混凝土影響效果更加地明顯；力學(xué)性能上，鐵尾礦砂混凝土的強(qiáng)度等于或者大于相同條件下的普通混凝土，且鐵尾礦砂混凝土表現(xiàn)出后期強(qiáng)度增加明顯地特征.通過(guò)上述可以得出結(jié)論，通過(guò)合理的配合比，鐵尾礦砂混凝土可以達(dá)到甚至超過(guò)普通混凝土的整體性能.

鐵選廠排放的尾礦砂中，可篩選出60%～70%作為建筑用人工砂[4].如果排放的鐵尾礦砂代替天然河砂用作混凝土骨料，不僅可以有效地緩解天然河砂短缺與需求量增加的矛盾，還可有效地避免違規(guī)采砂對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)解決鐵尾礦帶來(lái)的污染問(wèn)題.鐵尾礦砂比天然河砂的價(jià)格要低廉很多，使用鐵尾礦砂替代天然河砂在國(guó)內(nèi)已成為混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì).

2.2 鐵尾礦粉

我國(guó)鐵礦山資源雜、貧、細(xì)特征日益凸顯，許多礦物企業(yè)為選出更多的鐵精礦[5]，加強(qiáng)了對(duì)鐵礦石的粉磨程度，致使鐵尾礦粒徑越來(lái)越細(xì)，這些過(guò)細(xì)的尾礦已不能合用于生產(chǎn)建筑用砂.這些鐵尾礦粉不但增加了鐵礦廠的處理成本，還給環(huán)境帶來(lái)了很大的安全隱患.然而，相關(guān)研究表明，這些鐵尾礦粉可以應(yīng)用到高性能混凝土中，作為混凝土的礦物摻合料.試驗(yàn)研究表明，在混凝土中摻入一定量的鐵尾礦粉，可使其獲得良好的工作性能，并對(duì)混凝土的抗?jié)B性能和抗凍性能均有不同程度的改善.

2.3 鐵尾礦石

表3 遷安地區(qū)尾礦石與豐潤(rùn)地區(qū)普通碎石物理特征

鐵尾礦石是選礦廠排放的主要固體廢棄物,其資源化利用一直是全社會(huì)極為關(guān)注的問(wèn)題.鐵尾礦石代替級(jí)配碎石應(yīng)用于混凝土，既可節(jié)約資源，又能保護(hù)環(huán)境，同時(shí)還能創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果顯示，用尾礦石部分代替或者全部代替普通碎石制備的混凝土性能穩(wěn)定，干燥收縮率小于普通混凝土.遷安地區(qū)尾礦石與豐潤(rùn)地區(qū)普通碎石物理特征如表3所示，分析表3的可以發(fā)現(xiàn)，尾礦石(遷安地區(qū))與普通碎石的物理特征非常接近，而且尾礦石(遷安地區(qū))比普通碎石質(zhì)地更加堅(jiān)硬，能起到更好的骨架作用[6].

3 鐵尾礦在混凝土應(yīng)用中存在的問(wèn)題

1)鐵尾礦砂石的棱角性大于普通砂石，堅(jiān)固性也大于普通砂石，但是鐵尾礦砂石級(jí)配不如普通砂石[7]，顆粒裂縫多，缺陷多，經(jīng)常在其顆粒內(nèi)部發(fā)生破壞，這就造成鐵尾礦混凝土的力學(xué)性能比普通混凝土摻合料復(fù)雜，而且鐵尾礦會(huì)改變混凝土的某些性能，比如混凝土的流動(dòng)性、強(qiáng)度、耐久性.鐵尾礦還具有地域的區(qū)別，不同地區(qū)的鐵尾礦的化學(xué)成分差異很大，不同的生產(chǎn)工藝的鐵尾礦的物理性能不相同，這是造成鐵尾礦在混凝土中應(yīng)用困難的根本原因.

2)鐵尾礦在混凝土上應(yīng)用需要做一些前期的處理，礦廠缺乏大規(guī)模利用的重大技術(shù)與裝備，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)裝備需要耗費(fèi)大量的財(cái)力，造成礦廠前期投資風(fēng)險(xiǎn)很大，制約鐵尾礦工程應(yīng)用.

3)國(guó)家的有關(guān)法律法規(guī)尚未健全，鐵尾礦在混凝土中的應(yīng)用沒(méi)有政策的支持，廢物循環(huán)利用沒(méi)有形成體系制約鐵尾礦在混凝土的應(yīng)用.

4 展 望

鐵尾礦應(yīng)用在建筑工程中對(duì)于混凝土處理量大、對(duì)鐵尾礦質(zhì)量要求低、資源化利用率高，是鐵尾礦的綜合利用的有效途徑，并且隨著人們對(duì)鐵尾礦各種性能的深入研究，加之天然砂資源的驟減的事實(shí)，鐵尾礦在混凝土中的應(yīng)用將成為一種必然.鐵尾礦混凝土的研究開(kāi)發(fā)需要從以下方面入手：

1)鐵尾礦混凝土施工性能、力學(xué)模型的建立是研究的基礎(chǔ)性工作，是研究成果轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素.

2)鐵尾礦混凝土的本構(gòu)關(guān)系、構(gòu)件的研究應(yīng)該得到足夠的重視.通過(guò)對(duì)鐵尾礦混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究，人們可以更加深入地了解這種材料的力學(xué)性能.通過(guò)對(duì)鐵尾礦混凝土構(gòu)件的研究，人們可以了解這種材料的實(shí)際工作性能.

3)適量的纖維材料添加在鐵尾礦混凝土可以在一定程度上彌補(bǔ)鐵尾礦混凝土的內(nèi)部缺陷，降低這種材料的脆性，拓展鐵尾礦混凝土的應(yīng)用范圍.

[1]中國(guó)資源綜合利用年度報(bào)告(2014)[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2014,10:3～8

[2]何兆芳，尹萬(wàn)云,等編著.鐵尾礦砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[J].中國(guó)計(jì)劃出版社，2014

[3]薛建華.鐵尾礦砂在土木工程建造領(lǐng)域中的再生利用分析研究[D].西安建筑科技大學(xué),2014

[4]蔡基偉，封孝信，趙麗，王春梅，楊立榮.鐵尾礦砂混凝土的泌水特性[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，07:88～91

[5]陳夢(mèng)義，李北星，王威，朱志剛.鐵尾礦粉的活性及在混凝土中的增強(qiáng)效應(yīng)[J].金屬礦山，2013，05:164～168

[6]封孝信，蔡基偉，柴紅俊，宋裕增.尾礦砂石混凝土的干縮性能研究[J].商品混凝土，2009，08:29～31

[7]尹飛龍，歐陽(yáng)東，溫喜廉，黃華縣.海砂與河砂、尾砂作為建筑用砂的比較研究[J].混凝土，2011，12:73～75+78

[8]張肖艷，宋強(qiáng)，李輝，樊曉丹.鐵尾礦粉對(duì)C40混凝土性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，2013，12:2559～2563

[9]王宏霞，葉家元，張文生，史迪.鐵尾礦粉作為摻合料制備高強(qiáng)混凝土的研究[J].混凝土，2015，07:89～91

[10]張建民，王建臣，王艷輝，盛龍.鐵尾礦石對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響[J].商品混凝土，2015，06:53+70

[11]尹飛龍，歐陽(yáng)東，溫喜廉，黃華縣.海砂與河砂、尾砂作為建筑用砂的比較研究[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

河北省建設(shè)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃(指令性項(xiàng)目)—資助;鐵尾礦混凝土制備及綜合利用關(guān)鍵技術(shù)(2015-116)

白潤(rùn)山(1965-)，男，教授，主要從事建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料研究.

TU 5

A