淺析南疆銅鋅礦微粉混凝土的應(yīng)用前景

文/柯譜、賈豆考、趙曉文、何斌 土木工程學(xué)院 喀什大學(xué) 新疆喀什 844006

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淺析南疆銅鋅礦微粉混凝土的應(yīng)用前景

文/柯譜、賈豆考、趙曉文、何斌 土木工程學(xué)院 喀什大學(xué) 新疆喀什 844006

【摘要】自“一帶一路”的偉大戰(zhàn)略決策開(kāi)局以來(lái)，直接推動(dòng)了南疆的建設(shè)發(fā)展，更加刺激了南疆資源的開(kāi)發(fā)。新疆最大的有色金屬礦（卡特里西銅鋅礦）開(kāi)機(jī)生產(chǎn)緊隨于“一帶一路”這一偉大戰(zhàn)略構(gòu)想的提出，在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中不可避免的會(huì)產(chǎn)生大量礦渣，又會(huì)對(duì)現(xiàn)有的新疆礦渣庫(kù)產(chǎn)生極大的存儲(chǔ)壓力。在國(guó)家倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的大環(huán)境下，銅鋅礦渣能否更加科學(xué)有效的處理也必將是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。隨著礦渣微粉在混凝土方面的研究日漸成熟，也給新疆帶來(lái)有效處理銅鋅礦渣的契機(jī)。

【關(guān)鍵詞】南疆；減排；銅鋅礦；礦渣；水泥混凝土

1、前言

目前，南疆地區(qū)發(fā)現(xiàn)的規(guī)模最大有色金屬礦是位于東昆侖主峰以北高山地帶的卡特里西銅鋅礦。到2015年上半年該礦將近具備了60萬(wàn)噸銅鋅礦采選能力，同時(shí)也能產(chǎn)出上百萬(wàn)噸的礦渣。這些礦渣都是具有一定活性的工業(yè)排棄物，這些廢棄物的不合理處理必將對(duì)南疆局部環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。當(dāng)前，有色金屬礦產(chǎn)資源的綜合利用產(chǎn)業(yè)在我國(guó)正迅猛發(fā)展。但由于我國(guó)尾礦綜合利用率受限于技術(shù)水平不高、沒(méi)有系統(tǒng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、副產(chǎn)業(yè)用戶(hù)的接受度低下等等原因，使得其平均不到14%，且綜合利用層次較低，綜合利用產(chǎn)品粗放、單一。基本上是先進(jìn)行有用礦物回收，再用廢渣進(jìn)行塌陷地和井下充填、鋪路、生產(chǎn)低層次建材、加氣混凝土砌塊、混凝土空心砌塊、高強(qiáng)度陶粒等。但這些途徑有的因?yàn)槟芎母摺⒊杀靖?，有的因?yàn)榛厥章实?、附加值低，或因工藝太?fù)雜、投資過(guò)大等因素，綜合利用的規(guī)模普遍較小，產(chǎn)業(yè)化水平較低，不利于大量尾礦的整體綜合利用。利用率低、利用量小成為尾礦綜合利用必須解決的最根本問(wèn)題。利用銅鋅礦渣拌制水泥混凝土是一種有效地處理南疆銅鋅礦渣的方法，這種方法首先為建設(shè)“新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”提供了足夠的建材資源，其次起到了有效地處理礦渣的目的。

2、我國(guó)礦渣微粉水泥混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)當(dāng)前正廣泛使用的礦渣拌制混凝土拌合料，基本采用以礦渣微粉的形式[1]。在現(xiàn)今的土木工程中，礦渣微粉已經(jīng)被推廣應(yīng)用作為混凝土拌合物的高摻合料了。我國(guó)的某些高等教育學(xué)校校和科學(xué)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在礦渣微粉混凝土上取得了一定的成果，比如礦渣粉等量取代30%～70%的水泥配制普通混凝土及高強(qiáng)混凝土。并且這些研究成果已經(jīng)在我國(guó)某些商品混凝土攪拌站中得到采用，并且在某些重要工程中已投入使用。甚至形成了相關(guān)的地方標(biāo)準(zhǔn)或者是適用于各類(lèi)混凝土制品（包括現(xiàn)場(chǎng)攪拌、預(yù)拌混凝土）和構(gòu)件推薦標(biāo)準(zhǔn)比如:上海教育電視臺(tái)綜合樓工程 (強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)于C40普通混凝土的強(qiáng)度)、上海明天廣場(chǎng)工程(強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)于C80的高強(qiáng)普通混凝土的強(qiáng)度)[5～6]。了地方標(biāo)準(zhǔn)《混凝土和砂漿用?；郀t礦渣微粉》(DB31/T35-1998)和《粒化高爐礦渣微粉在水泥混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TTJ08-501-1999)分別被上海市技術(shù)監(jiān)督局于1998年發(fā)布和上海市建設(shè)委員會(huì)于1999年實(shí)施推薦。但是礦渣微粉在混凝土制品生產(chǎn)上的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有得到充分的開(kāi)發(fā)。

3、銅鋅礦渣拌制水泥混凝土的可行性

3.1銅鋅礦渣的性質(zhì)

3.1.1銅鋅礦渣的形成

銅鋅礦渣是由銅鋅礦渣熔漿經(jīng)過(guò)冷卻固化后形成的細(xì)小顆粒。熔融礦渣的冷卻條件直接影響到銅鋅礦渣的礦物組成。工業(yè)生產(chǎn)中為了得到穩(wěn)定的固體Ca-Al-Mg硅酸鹽晶體，通常采用緩慢冷卻的方法。這種穩(wěn)定的礦物晶體中,也只有C2S具有一定的膠凝性,其他礦物基本沒(méi)有膠凝性。快速冷卻會(huì)就會(huì)得到一種具有很高潛在活性的玻璃體結(jié)構(gòu)材料。

3.1.2南疆銅鋅礦渣的化學(xué)組成

銅鋅礦渣的化學(xué)組成與它的產(chǎn)地有很直接的關(guān)系。南疆銅鋅礦渣除了少量的 MgO和一些硫化物等主要含有的氧化物有 SiO2、CaO、SiO2、Al2O3等，其總量通常高達(dá) 80 %,。礦渣化學(xué)元素分析結(jié)果如表1所示。

表1　銅鋅礦渣化學(xué)元素分析結(jié)果 %

其中影響銅鋅礦渣活性的氧化物成份和主要性能如下：

(1)CaO: 是銅鋅礦渣的主要成分之一,屬于堿性氧化物,大約占 43%,在銅鋅礦渣中可化合成具有高活性的化合物,如C2S等。通常CaO的含量對(duì)礦渣的活性起決定性作用,銅鋅礦渣潛在的活性隨著CaO在銅鋅礦渣中的含量增加而提高。

(2)Al2O3: 是銅鋅礦渣中較好的活性成分,屬于酸性氧化物,通常含量在 8.9%左右,在礦渣中形成鋁硅酸鈣或鋁酸鹽等礦物,由熔融狀態(tài)經(jīng)水淬后形成玻璃體。銅鋅礦渣的活性隨Al2O3含量的增加而提高。

(3)SiO2:它是銅鋅礦渣中含量比較高的偏酸性的氧化物, 含量一般約在38.4%。相比較而言, SiO2的含量較 CaO和Al2O3的含量明顯較多,極容易形成較低活性水平的產(chǎn)物（低鈣礦物）,甚至可能是游離的SiO2,嚴(yán)重地影響銅鋅礦渣的活性。

(4)MgO:也屬于堿性氧化物，但是相對(duì)于高活性的CaO而言，MgO的活性要明顯低于CaO,其含量通常在1.12%左右,在銅鋅礦渣中以穩(wěn)定的化合物或玻璃體的形式存在居多,有利于增強(qiáng)熔融礦物的流動(dòng)性，對(duì)促進(jìn)銅鋅礦渣活性的提高有明顯的效果。

(5)S: 銅鋅礦渣中硫的含量相對(duì)較多,會(huì)嚴(yán)重?fù)p失銅鋅礦渣制品的強(qiáng)度；但硫化鈣與水的反應(yīng)產(chǎn)物 Ca(OH)2，有堿性激發(fā)的作用。銅鋅礦渣中其他物質(zhì),比如氟化物、P2O5、FeO、V2O5、K2O、Na2O、Fe2O3等。一般情況下,對(duì)銅鋅礦渣的質(zhì)量沒(méi)有太大的影響。

3.1.3技術(shù)分析

混凝土技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在相對(duì)于普通混凝土。無(wú)論是新拌狀態(tài)還是硬化后的狀態(tài)的各項(xiàng)性都能夠有較顯著的改善和提高。正如上文礦渣拌水泥混凝土的研究現(xiàn)狀顯示，礦渣的使用主要是以礦渣微粉的形式。由于銅鋅礦渣微粉的粒度細(xì)、活性高, 所以從技術(shù)角度分析，基本都是分析銅鋅礦渣微粉對(duì)水泥混凝土的積極作用。礦渣微粉作為水泥混凝土的活性礦物摻合料，通過(guò)大量的試驗(yàn)研究表明,能顯著改進(jìn)和提高混凝土的性能。因此,礦渣微粉被作為在國(guó)際上被認(rèn)為是高性能混凝土的主要組分之一。根據(jù)國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)研究資料[2 ,3 ,5 ,6]顯示，現(xiàn)將有關(guān)礦渣微粉水泥混凝土的性能特征簡(jiǎn)介如下:

（1）現(xiàn)拌礦渣微粉水泥混凝土

a、礦渣微粉混凝土的凝結(jié)硬化時(shí)間稍微較普通水泥混凝土長(zhǎng),但是時(shí)間延長(zhǎng)量不大。

b、在相同配合比和摻用等量等樣的化學(xué)添加劑的條件下, 礦渣微粉混凝土的坍落度明顯的高于普通混凝土的, 并且顯著有效地緩解了混凝土材料和易性的經(jīng)時(shí)損失。

c、因?yàn)榈V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顯著的效果。

（2）凝結(jié)硬化礦渣微粉水泥混凝土性能

a、凝結(jié)硬化規(guī)律。在相同的強(qiáng)度等級(jí)要求、配合比組成以及養(yǎng)護(hù)環(huán)境的前提條件下, 礦渣微粉水泥混凝土具有略低于普通水泥混凝土的早期強(qiáng)度, 但28d、90d以及180d 的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較普通水泥混凝土有顯著地優(yōu)勢(shì)。

b、抗?jié)B性、耐久性方面。在漿體結(jié)構(gòu)方面，由于礦渣微粉水泥混凝土具有較好密實(shí)性,并且礦渣微粉對(duì)水泥水化作用生成的某些活性晶體具有良好的吸收能力，能夠很好的彌補(bǔ)普通混凝土界面結(jié)構(gòu)上的缺陷。因此,礦渣微粉水泥混凝土顯著優(yōu)越的抗?jié)B性會(huì)給水泥混凝土耐久性帶來(lái)一系列有利的影響。

由于礦渣微粉還具有很強(qiáng)的吸附Cl—的能力, 再加上水泥混凝土的高抗?jié)B性，對(duì)Cl—向混凝土內(nèi)部滲透或擴(kuò)散有很強(qiáng)的保護(hù)作用。因此礦渣微粉提高水泥混凝土抗Cl—滲透能力, 使礦渣微粉水泥混凝土在保護(hù)內(nèi)部鋼筋銹蝕上有明顯的優(yōu)越性。同樣的，礦渣微粉在抗硫酸鹽侵蝕過(guò)程中也有顯著的作用。礦渣微粉水泥混凝土的無(wú)機(jī)膠凝材料中相對(duì)含有量極少的C3A 礦物及堿度和抗?jié)B透性使礦渣微粉水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能較普通水泥混凝土更加顯著。有試驗(yàn)表明,礦渣微粉水泥混凝土在10%的硫酸鹽溶液中持續(xù)浸泡30d后, 該種混凝土試件的強(qiáng)度沒(méi)有絲毫的下降。

基于礦渣微粉水泥混凝土的高密實(shí)性。因此,在相同配合比與強(qiáng)度等級(jí)的條件下, 礦渣微粉水泥混凝土的抗凍性能較普通水泥混凝土有顯著提高。

由于礦渣微粉水泥混凝土中堿含量明顯低于普通水泥混凝土中的。因此，礦渣微粉水泥混凝土在預(yù)防和抑制堿集料反應(yīng)方面也是十分有利的。

（3）礦渣微粉水泥混凝土凝結(jié)硬化反應(yīng)過(guò)程中的熱學(xué)性能

混凝土在進(jìn)行水化反應(yīng)過(guò)程中都會(huì)釋放出熱量，在工程施工過(guò)程中常常會(huì)碰到大體積混凝土的現(xiàn)澆,這就要求混凝土的水化熱越低越好,并希望水化熱極值的出現(xiàn)時(shí)間越晚越好,這樣就可以防止由于溫差作用而導(dǎo)致初始裂縫的產(chǎn)生，可以更加有效地控制初始溫度應(yīng)力與混凝土的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。基于礦渣微粉水泥混凝土中較低的水泥用量，因此，礦渣微粉水泥混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程的熱學(xué)性能得到了顯著的改善。

結(jié)語(yǔ)：

南疆屬于多渣少砂地區(qū)，可用銅鋅礦渣拌制水泥混凝土，這樣在不顯著影響水泥混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，不僅僅能夠優(yōu)化細(xì)骨料的級(jí)配組成，節(jié)省水泥漿的使用量，并且還可以提高混凝土質(zhì)量。這樣就可以在節(jié)省水泥混凝土成本的基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了變廢為寶地充分利用銅鋅礦渣的愿望，有利于對(duì)環(huán)境的保護(hù)和國(guó)家對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求。提出加大對(duì)銅鋅尾礦在建材領(lǐng)域的應(yīng)用方面的研究。

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