首钢尾矿人工砂石在混凝土中的应用研究

　　摘要：本文研究了首钢迁安尾矿人工砂石的材性，其尾矿人工砂、石在普通商品混凝土、高密实混凝土及工程中的成功应用情况与良好效果，对解决天然砂资源短缺和尾矿资源的利用有积极的意义。

　　关键词：尾矿；尾矿人工砂；人工砂 ;建筑用砂；商品混凝土

　　一、前言：

　　混凝土结构的大量应用，消耗了大量的天然砂石资源。占混凝土体积70%以上的砂石骨料要开山采矿，挖掘河床，全国每年建筑用砂石约需50多亿吨。以北京市为例，每年建设用砂石就要6400万吨，其中，仅用于商品混凝土的中、粗砂2002年需求量即为1400万吨。北京市市政府为了治理大气污染，改善环境，已陆续关停北京市界内的全部天然砂石场。而2003年北京建筑开复工面积高达1亿平方米，寻求替代资源迫在眉睫。

　　首钢矿业公司座落于河北省迁安县内，因该铁矿品位不高，因而采用以下工艺：采矿→剥岩（废弃岩石）→破碎→磁选（废弃磁滑轮碎石）→磨细→磁选（废弃尾矿砂）→磨细→磁选（废弃尾矿砂）→精矿粉。废弃岩石、废弃磁滑轮碎石占地堆放，目前已堆积10亿吨左右，每年废弃岩石还以5500万吨、废弃磁滑轮碎石以134万吨继续排放。二次磨细的废弃物（尾矿砂）混在一起水送堆坝存放，现已积存2.75亿吨，目前还以每年700万吨的速度继续排放。目前，尾矿已造成大量占地，污染环境。

　　首钢矿业公司距北京约200公里，该公司有自备铁路线与货场，如利用晋煤东运的空返车皮运砂进京，在京东地区使用，价格上能与优质天然砂竞争，同时使用单位还能享受免税优惠，在经济上是合理的。而在技术上是否可行，我们进行了首钢迁安尾矿在混凝土中的应用研究。

　　二、研究内容

　　1、首钢迁安尾矿砂（处理后）做建筑用砂、原状废弃磁滑轮做建筑用石的材性分析研究。

　　2、首钢迁安尾矿人工砂与天然砂进行商品混凝土同条件对比试验研究。

　　3、尾矿砂石高密实混凝土应用技术初步研究。

　　4、试点工程应用技术研究。

　　三、试验结果与分析

　　1、首钢迁安尾矿砂的矿物组成和化学成份见表一、表二，处理后的尾矿砂做建筑用砂、原状废弃磁滑轮做建筑用石完全符合GB/T14684-2001《建筑用砂》、GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》的国家标准规定。详见表三。

　　2、尾矿人工砂与天然砂进行商品混凝土同条件对比试验研究

　　（1）试验方法与材料

　　A 试验方法

　　同时间，同成型与标准养护条件，利用相同水泥、粗骨料、外加剂、粉煤灰等材料和相同掺量配比拌制5个不同水灰比的天然砂和人工砂混凝土，对比混凝土拌合物的塌落度等和易性及混凝土3天、7天、28天抗压强度。

　　B 试验材料

　　水   泥： P.O32.5 ;28天抗压强度为46.8Mpa .

　　石   子：卵碎石   ;公称粒径为5~25mm ,针片状含量：6.0% ;含泥量：0.6% ;泥块含量：0.3% .

　　外加剂：泊林达外加剂厂，BLD-3泵送剂 .

　　粉煤灰：Ⅱ级 .

　　天然砂：中砂；细度模数：2.6 ; 含泥量：3.0% ;泥块含量：1.0% ;堆积密度：1448kg/m³ .

　　首钢尾矿人工砂： 细度模数：2.5 ;石粉含量：4.4% ;泥块含量：0.8% ;堆积密度：1488kg/m³

　　表一 尾矿砂、石的矿物组成

　　表二 尾矿砂的化学成份

　　表三   尾矿砂、石的材性分析（表格略）

　　（2）试验结果

　　两种混凝土拌合物的和易性没有明显区别，流动性塌落度值见表四，粘聚性和保水性均为良好。塌落度损失基本相同。

　　TT代表天然砂配制的混凝土，WT代表尾矿人工砂配制的混凝土，抗压强度结果见表四：

　　表四 和易性与抗压强度结果

　　（3）试验结果分析与结论

　　A以同条件对比拌制的尾矿人工砂混凝土其拌合物的和易性基本与天然砂混凝土相同，而尾矿人工砂混凝土抗压强度高于天然砂混凝土，最高为22%,最低为5%,（见表四）平均抗压强度高12%.说明使用好尾矿人工砂配制商品混凝土将可以节约水泥，降低成本。[Page]

　　B用P.O-32.5水泥和尾矿人工砂，可以配制出C10~C55强度等级的商品混凝土，而对比的天然砂只能配制出C10-C50商品混凝土。

　　C尾矿人工砂混凝土与天然砂混凝土早期抗压强度（3d）相差不多，而随着时间的延长，尾矿人工砂混凝土的抗压强度逐步高于天然砂混凝土（见图1），且不同水灰比的配比试验结果均如此，规律非常明显。这种现象说明尾矿人工砂混凝土长期抗压强度可能更高于天然砂混凝土，对混凝土的耐久性是有利的。

　　D尾矿人工砂混凝土的单位用水量略高于天然砂混凝土。

　　3、尾矿砂石高密实混凝土应用技术研究

　　（1）技术路线

　　现行混凝土配合比设计方法，特别是在低水灰比情况下，混凝土中的水泥用量大，容易引起混凝土的“富贵病”（体积稳定性不好，易开裂），使耐久性降低。从这一点出发，降低水泥用量和单位用水量，用水胶比代替水灰比作为控制强度的指标是混凝土配合比设计主要方向，也是高密实混凝土所主要解决的问题。本研究主要依据台湾科技大学黄兆龙教授骨料致密堆积的技术路线，减少水泥与用水量，同时利用尾矿砂石作为骨料，研究了尾矿砂石高密实混凝土的配制与性能。

　　（2） 试验原料与方法

　　A、原材料

　　水泥：Po32.5;28天抗压强度40.6MPa

　　粉煤灰：二级，

　　减水剂：BLD高效泵送剂，减水率20%

　　尾矿砂：表观密度   2730 kg/m³    堆积密度   1520kg/m³   细度模数 2.8   石粉含量 4%

　　磁滑轮碎石：表观密度2780 kg/m³   堆积密度1530kg/m³含泥量0.3%   针片状含量4%

　　首钢尾矿人工砂石在混凝土中的应用研究--2

　　B、试验方法

　　a试验室配合比试验

　　首先确定致密堆积参数α和β， α=粉煤灰/粉煤灰+砂，以堆积密度最大时确定；β=粉煤灰+砂/粉煤灰+砂+石， 以堆积密度最大时确定。然后在不同n值和水胶比下，依据相关公式设计满足和易性和强度的配合比。

　　b致密堆积参数试验

　　通过试验，得到最佳的α值是11%;β值是53%.

　　c高密实混凝土实验室配合比设计见表五，试验结果见表六

　　表五   试 验 配 合比（材料单位为kg/m³）

　　表六   试 验 结果

　　（3）试验数据与分析

　　通过试验我们可以看出，高密实混凝土配合比具有砂率高，水泥用量低的特点，用水量较天然砂石高密实混凝土高的原因主要是尾矿砂的颗粒形状棱角多所至。[Page]

　　（4）机理探讨

　　A、关于尾矿砂中的石粉

　　对于尾矿砂中含有一定量的石粉，工程界有一定的顾虑，担心会影响混凝土的强度和变形。通过大量的试验表明，当亚甲蓝试验MB值不大于1.4时认为粉料主体是石粉，而石粉不同于粘土，可以填充结构空隙，优化孔结构，起到微集料效应，且与水泥基材料相容性良好，对混凝土强度是有利的，通过试验研究证明， MB值不大于1.4,石粉含量不大于7%时， 收缩并无明显增大。

　　B、关于尾矿砂的和易性

　　尾矿砂由于其生成条件与表面特征，保水性不如天然砂，在配制普通泵送混凝土时应注意避免泌水。由于高密实混凝土配合比中砂率高，有足够的粉料（粉煤灰、石粉）且用水量较低，有效地克服了尾矿砂保水性差这一缺点。另外由于水泥用量低，坍落度损失得到很好抑制。

　　C、关于高密实混凝土的强度

　　高密实混凝土并没有因为低水泥用量影响混凝土强度，这主要是由于a结构高密实堆积，孔隙率低。

　　b水泥只起界面粘结作用，不过多填充孔隙，水泥的强度效益得以提高。c粉煤灰的掺加量以填满空隙为好，避免了过多掺加对早期强度的影响。d低水胶比充分保证了混凝土28天强度。e尾矿砂洁净、多棱角，机械咬合力高，对强度有利。

　　（4 ）试验结论

　　A、尾矿砂、磁滑轮碎石可以用于配制高性能混凝土；同时高密实混凝土技术可以很好的解决人工砂石混凝土的泌水问题。

　　B、尾矿砂石高密实混凝土可以大幅度降低水泥用量，仅就此单方混凝土较普通商品混凝土降低成本15元以上。

　　C、高密实混凝土设计适合尾矿砂石的特点，在砂石资源日益短缺的形势下，具有广阔的推广价值。

　　4、试点工程应用技术研究

　　2002年11月我们在首钢迁安矿山破碎站挡墙工程进行工程试验。该工程设计混凝土强度等级为C25,泵送混凝土施工，泵送高度为18米，施工期日平均温度低于5℃。

　　（1）试验用材料

　　水泥品种：普通硅酸盐水泥（P.O）；强度等级32.5

　　人工砂：同试验室试验用尾矿砂

　　磁滑轮碎石：同试验室试验用，但连续级配为5-25mm,石粉含量为1.0

　　粉煤灰：二级

　　防冻高效减水剂：减水率大于20%,粉剂

　　（2）施工工艺

　　加料顺序：砂、粉煤灰、水泥（拌和20秒）→石（拌和20秒）→水（拌和60秒）→减水剂（拌和60秒）。

　　（3）配比设计采用了高密实混凝土实验室配合比设计的第1、2号配比。

　　两个配合比都属于低水泥用量，尤其适合大体积混凝土施工，与该工程原用混凝土配比比较，节约水泥在150kg/每立方米左右，替代天然砂石近2吨，节省了材料费用。1#配合比和易性很好，试验室试验坍落度大于180mm,用于挡墙工程6米以上部位；2#配合比和易性良好，水泥用量更低，尤其适用于大体积工程，用于挡墙工程6米以下厚大部位。

　　（4）试验结果

　　工程试验结果见表七

　　表七     工程试验结果

　　工程现场混凝土和易性均为良好，可泵性好，混凝土表面质量优良。

　　四、尾矿砂、石的特点与社会、经济效益分析

　　1、尾矿砂、石的特点

　　天然砂石质量不稳定是目前影响混凝土质量的一个重要的问题，而在质量保证方面，尾矿砂石有着突出的特点，一是尾矿生产主工艺控制十分严格，其原矿成份稳定，这就保证了该尾矿砂石的材质和质量的稳定。二是矿山有严格的管理和力量很强的化验室，能有效地控制尾矿砂石的生产质量。三是产品集中与产地固定，便于经营部门、使用部门和质检部门的监督与检查，甚至索赔，做到有人负责。这些都是目前天然砂石所不具备的。

　　2、社会、经济效益分析

　　（1）近两年，矿山由于主业调整，有一部分职工面临下岗，通过尾矿利用，可以安排职工转产，目前，已安排职工85人。稳定了改革的大局。

　　（2）在加强国土整治，合理利用土地资源、矿产资源方面意义重大。

　　（3）减少了尾矿排放量，减轻了对环境的污染，为保护滦河水质做出了贡献，环境效益明显。

　　（4）矿业公司方面的经济效益，以年产100万吨尾矿砂石测算，减少尾矿排放量100万吨，从而降低管道磨损，降低电耗、降低备件消耗，每年节省尾矿运输费用100万元。每年少占用尾矿库容量70万立方米，减少了占地，延长尾矿库使用年限，估算节资90万元。合计190万元。

　　（5）从迁安运砂至北京，尾矿砂价格现在基本与天然砂持平，具备了规模应用的条件。今后随着天然砂价格的继续提高，必将体现出价格优势。

　　（6）使用单位的经济效益，以对比混凝土配合比分析，其水泥用量为445Kg,仅节约水泥一项每方就达150 Kg以上，即可降低成本45元以上，再加上尾矿砂石比迁安地区外购天然砂石每方节约成本4元左右，考虑到混凝土外加剂等其它因素，总计单方混凝土成本可降低40元以上。

　　若与商品混凝土搅拌站相比，C20-C40高密实混凝土成本可以降低15元以上，以使用100万吨尾矿砂石计算，可配制混凝土53万立方米，降低成本795万元。按国家对资源综合利用的税收政策，使用采矿废石、选矿尾矿达到30%的企业，还可以享受免收增值税的优惠政策，效益更加明显。

　　年生产使用100万吨尾矿砂石，总计经济效益为985万元，目前首钢矿业公司具有每年生产300万吨尾矿砂石的能力，若全部利用，经济效益可达2995万元，效益显著。

　　参考文献：

　　⑴ 黄兆龙，《混凝土性质与行为》，2001, 詹氏书局

　　⑵ 迟培云等，《现代混凝土技术》 2002, 同济大学出版社