利用人工砂配制建筑砂浆的研究

来源：职称驿站所属分类：矿业论文发布时间：2012-08-01 08:49:09浏览：次

　　摘要:本文首先分析了河砂与尾矿的粒径分布，在此基础上进行了尾矿部分替代河砂配制建筑施工中常用的中砂的实验。对配制的中砂进行试配砂浆并检测了砂浆的力学性能和工作性。通过对比所配中砂与河砂性能的差异分析了原因。实验表明用尾矿配制的人工砂进行生产建筑砂浆时流动性略不及河砂，但力学性能比河砂所配制的砂浆优异，完全达到建筑用砂国家标准要求。
　　关键词：铁尾矿；人工砂；建筑砂浆；
　　
　　一、铁尾矿的概述及研究现状
　　1.1铁尾矿的来源
　　铁尾矿是一种复合矿物原料，是铁矿石经过加工、磁选以后排放的一种固体矿物废料。全国各地铁尾矿的化学组分和含量有一定的差异，但主要化学成分有SiO2：20~70%、Al2O3：1~12%、Fe2O3：6~25%、CaO：1~30%、MgO：1~13%等，还含有少量化合物，比如K2O、Na2O以及S、P等元素。随着钢铁工业的迅速发展，铁尾矿在工业固体废弃物中占的比例也越来越大。据有关部门不完全统计，目前我国发现的矿产有150多种，开发建立了8000多座矿山，累计生产尾矿59.7亿吨，其中在尾矿库中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近1/3。工业上，铁矿石的储量和开采量都很大，但因矿石的品位普遍较低，且大多数为贫矿，还需要经过选矿加工后才能作为冶炼原料，所以就产生出大量的尾矿，比如铁尾矿产出量约占原矿石量的60%以上。随着经济的发展，市场对矿产品需求的大幅度增加，矿产资源开发规模也随之加大，铁尾矿的排放量还会不断增加。同时，随着矿产资源的大量开发和利用，矿石资源日益贫乏，尾矿作为二次能源己经受到世界各国的高度重视。目前我国尾矿的综合利用率较低，仅为7%左右，从我国尾矿资源的实际出发，开展尾矿资源综合研究与利用，实现资源开发与节约并举，提高资源利用效率，有着十分重要的社会意义和经济意义。
　　1.2铁尾矿的危害
　　铁尾矿作为一种固体废弃物，给资源和环境等方面造成了许多问题。接下来将一一进行阐述。
　　1.2.1严重浪费资源
　　由于受到经济条件、装备性能、技术水平等因素的限制，选矿工艺不可能尽善尽美，而且在实际生产中还可能受到操作等因素的影响，从而不可避免地造成一些有价元素损失到尾矿中。就铁矿山而言，年排出尾矿量达1.3亿吨，平均含铁11%，相当于1410万吨金属铁损失在尾矿中。这些尾矿中不仅有黑色金属、有色金属、贵金属，还有大量非金属。上述资料表明，尾矿中有用组分十分丰富，如果不进行综合利用，将造成资源的严重浪费。
　　1.2.2浪费大量土地
　　尾矿库要占据大量的农用土地和林用土地，其中包括一些生产力非常高的耕地、良田。并且随着排放的尾矿量的增加，占用的土地面积将继续扩大。这就导致尾矿库所在地区的土地资源失去平衡。以我国的冶金矿山为例，目前占地面积已达6.5×104公顷，其中采场、排土场、尾矿库三大场地占地为54%。鞍本地区的尾矿库大多数已近服役年限或超期服役，还需另辟新库，占用大量耕地，破坏大面积的林木，花费大量经费。
　　1.2.3尾矿库存在安全隐患
　　尾矿处理设施是投资巨大、结构复杂的综合性的水工构筑物，其基建投资约占整个采选企业费用的5%-40%，尾矿库的维护和维修更需要消耗大量的人力物力。尾矿治理需要建尾矿库，其基建投资1-3元/t，运行费3-5元/t，每年我国在尾矿处理上投入资金7亿元以上。这种状况如持续下去，堆存量逐年增大，预计到2005年冶金矿山尾矿堆存量达28亿t，每年耗费资金在15亿元以上。因为尾矿由水和尾矿沙组成，尾矿排放进尾矿库，库内积水过多，长期堆放使尾矿库类似巨型水库，每逢雨季，库内容水量过大，坝体长期遭受水浸，侧压力增强，很容易造成坝体泄漏、滑坡、跑矿，冲毁农田、淤埋河道，对周围环境及人民的生命财产造成危害。随着尾矿数量的不断增加，尾矿坝体高度也随之增加，不安全隐患也日益增大。尤其是坝高超过100m的大型尾矿库，一旦发生事故，其造成的破坏程度将不亚于地震的破坏程度。
　　1.2.4铁尾矿严重污染环境
　　由于矿山尾矿多己磨至0.15-0.07mm以下，储存于尾矿坝中的尾矿将就近排入河道、山谷、低地，常渗流溢出，刮风扬尘，严重污染水、土和空气。尾矿引起的粉尘云可能恶化了周围地区的卫生条件，因为粉尘云降低了大气的透明度，降低了日照强度，降低了植物光合作用的强度，并增加了居住环境和生活条件的不适应性。目前，我国因尾矿造成的直接污染土地面积已达7万公顷。冶金矿山的9个重点选矿厂附近的14条河流均被污染，鞍山铁矿坝占地15km2，白云鄂博矿山尾矿占地11km2金川镍矿尾沙扬尘10m2，造成大面积农田减产或绝产。
　　1.3铁尾矿在建筑材料中应用
　　1.3.1用于研制生产水泥
　　铁尾矿中含有较多的微量元素，是已经加工成细粒的天然混合原料，与建筑材料中所使用的原料化学组成和矿物组成基本相同，可以作为生产水泥用原材料。尾矿用于制作水泥时有两种原因：一是可以利用尾矿中含铁量高的特点，以尾矿代替通常水泥配方使用的铁粉，在这种情况下，尾矿在水泥原料配方中的用量不超过5%，消耗尾矿的量不大；二是利用尾矿代替水泥原料的主要成分，一般尾矿成分不完全符合水泥配方，往往需要另外配入一些成分能符合制作水泥的要求，在这种情况下尾矿的消耗量会更大一些。铁尾矿不仅可以代替部分水泥原料，而且还能起到矿化作用，有效提高熟料产量和质量并降低煤耗。李继方等采用新型干法水泥生产线，用铁尾矿代替传统的铁质、硅质材料，生产的熟料质量较好，可以稳定生产52.5级等高标号水泥，并且吨熟料成本下降近5元。唐山市协兴水泥有限公司利用尾矿砂生产水泥熟料，该技术投入生产后，使水泥吨熟料成本下降2-5元，熟料抗压强度提高3-5MPa，可以使吨综合成本下降10元以上。王金忠等利用铁尾矿配料的道路硅酸盐水泥熟料，经试验表明：掺加铁尾矿配料烧制的道路水泥熟料，低温时易烧性较好，高温时相近，铁尾矿与矿化剂复掺效果更明显；不同温度下，铁尾矿配料物料反应速度常数比不掺铁尾矿配料的值要高，此时物料具有较高的反应活性，而且铁尾矿配料具有明显的节能效果。
　　1.3.2配制混凝土
　　如前述及，随着我国基本建设的日益发展，不少地区的天然砂资源正在逐步减少。针对天然砂的超量开采对农田、河道造成的严重破坏，国务院和各地政府相继出台了禁采或限采天然砂的规定。我国铁尾矿年排放量高达3亿吨，占到入选铁矿石总量的60％左右，铁尾矿的综合治理和开发利用成为科学工作者和企业面临的重大难题。而铁选厂排放的铁尾矿砂中，可筛选出约60％~70％作为建筑用人工砂，这无疑可消纳大量的铁尾矿。磁铁矿厂排放的铁尾矿砂，经筛选后2.36mm以下颗粒偏多，可作中砂配制混凝土。由于铁尾矿砂颗粒粗糙、多棱角，内摩擦力较大，用铁尾矿砂配制的混凝土流动性比普通混凝土差，也易于离析、泌水。在使用活性掺合料并对配合比进行优化的条件下，当水胶比较大时，铁尾矿砂石混凝土的强度略高于普通混凝土；当水胶比较小时，其强度略低于普通混凝土。细骨料均采用铁尾矿砂的情况下，用普通碎石配制混凝土的强度略高于用铁尾矿石配制的混凝土。总之，用铁尾矿石和铁尾矿砂分别作粗细骨料在和易性和强度上能够满足高强泵送混凝土的要求。
　　1.3.3用做铺路材料
　　铺路材料、黄沙替代品等是最基本的建筑材料，对化学成分没有严格要求，只要求材料有一定的硬度和粒度。这种产品一般用量较大，可以弥补价格较低的缺点，同时无需再加工。另一方面，大量出售这种产品，可以解决尾矿堆场紧张的困难。许多矿山都结合自身选矿工艺、当地资源情况开展把铁尾矿用做铺路材料、黄沙替代品的工作，取得了一定的经济效益。如马钢姑山铁矿厂把4-2mm粗尾矿外销，用于民用和工业建设用混凝土及井巷支护混凝土的骨料，把0.8mm以下的细尾矿沙用来代替黄沙，以上两项年销售收入达115万元以上。曹永民等用40%铁尾矿掺人适量水泥、粉煤灰以及外加剂，制成强度为C25的混凝土。马鞍山矿山研究院利用齐大山选矿厂铁尾矿加入一定的配料(碎石、砂子、粉煤灰及粘土)及石灰，经一定的处理后作为路面基料，并在沈阳一盘山的12km路段进行了工业试验，经公路部门的测定表明，已达到了二级公路对路基的强度要求。
　　二、人工砂的配制及性能研究
　　2.1不同模数人工砂的配制与性能研究
　　尾矿替代部分河砂配制人工砂时，由于尾矿颗粒与天然河砂在颗粒形态上的区别，用尾矿与河砂配制的人工砂与纯河砂的性能有差异。由于建筑施工中中砂（模数为2.7-3.0之间）用量最大，因此本文用尾矿替代部分河砂配制中砂并研究人工砂的性能。其实验方法是首先分别测定所用河砂与尾矿的粒径分布（见表2-1和2-2）。然后改变尾矿与河砂的比例配制模数为2.7-3.0模数的人工砂。通过检测配制好的砂浆性能确定最佳的模数。
　　表2-1石英砂的粒径分布表
　　
　　粒径（mm）质量（g）分计筛余（％）累计筛余（％）
　　〉4.75 29.4 5.88 5.88
　　2.36-4.75 105.6 21.12 27.00
　　1.18-2.36 83.4 16.68 43.68
　　0.6-1.18 104.0 20.8 64.48
　　0.3-0.6 142.3 28.46 92.94
　　0.15-0.3 18.5 3.7 96.64
　　〈0.15 16.8 3.36 100
　　表2-2铁尾矿的粒径分布表
　　
　　粒径（mm）质量（g）分计筛余（％）累计筛余（％）
　　〉4.75 3.5 0.7 0.7
　　2.36-4.75 3.2 0.64 1.34
　　1.18-2.36 9.6 1.92 3.26
　　0.6-1.18 58.8 11.76 15.02
　　0.3-0.6 185.8 37.16 52.18
　　0.15-0.3 85.2 17.04 69.22
　　〈0.15 151.7 30.34 99.56
　　对河砂测定及计算，所用河砂的细度模数为3.02，级配区：2区，粗细程度：中砂，表观密度：2600Kg/m3，堆积密度：1570Kg/m3。对铁尾矿筛分析结果显示，铁尾矿的粒度较小，粒径小于0.6mm的占85%左右。因粒径小于0.15mm的尾矿所占比例较大，并且配制为砂浆时所需水泥量加大，因此用尾矿替代部分河砂配制人工砂时去除小于0.15mm的尾矿。实验时将筛好的尾矿200g与河砂300g的比例混合，然后测定模数，其实验结果如表2-3所示：
　　表2-32.7模数人工砂的配制
　　
　　粒径（mm）质量（g）分计筛余（％）累计筛余（％）
　　〉4.75 0 0 0
　　2.36-4.75 48 9.6 9.6
　　1.18-2.36 64.5 12.9 22.5
　　0.6-1.18 117.5 23.5 46
　　0.3-0.6 249.5 49.9 95.9
　　0.15-0.3 8.5 1.7 97.6
　　〈0.15 16.8 2.4 100
　　实验时将筛好的尾矿180g与石英砂320g混合，然后测定其模数，其实验结果如表2-4所示：
　　表2-42.8模数人工砂的配制
　　
　　粒径（mm）质量（g）分计筛余（％）累计筛余（％）
　　〉4.75 0 0 0
　　2.36-4.75 59 11.8 11.8
　　1.18-2.36 79 15.8 27.6
　　0.6-1.18 122.5 24.5 52.1
　　0.3-0.6 217.5 43.5 95.6
　　0.15-0.3 9 1.8 97.4
　　〈0.15 13 2.6 100
　　实验时将筛好的尾矿165g与石英砂335g混合，然后测定其模数，其实验结果如表2-5所示：
　　表2-52.9数模人工砂的配制
　　
　　粒径（mm）质量（g）分计筛余（％）累计筛余（％）
　　〉4.75 0 0 0
　　2.36-4.75 69.5 13.9 13.9
　　1.18-2.36 74.5 14.9 28.8
　　0.6-1.18 110 22.0 50.8
　　0.3-0.6 226.5 45.3 96.1
　　0.15-0.3 8 1.6 97.7
　　〈0.15 7.5 2.3 100
　　实验时将筛好的尾矿150g与石英砂350g混合，然后测定其模数，其实验结果如表2-6所示：
　　表2-63.0模人数工砂的配制
　　
　　粒径（mm）质量（g）分计筛余（％）累计筛余（％）
　　〉4.75 0 0 0
　　2.36-4.75 81.0 16.2 16.2
　　1.18-2.36 83.5 16.7 32.9
　　0.6-1.18 119.5 23.9 56.8
　　0.3-0.6 199.5 39.9 96.7
　　0.15-0.3 6.0 1.2 97.9
　　〈0.15 10.5 2.1 100.0
　　
　　通过上面的实验，可以确定将一定比例的尾矿与河砂混合，可以配制不同模数的人工砂，下面将对配制的人工砂进行实际工程应用的可能性进行探讨，将人工砂与水泥配制砂浆，通过检测砂浆的性能间接考察所配人工砂的性能。配制砂浆时灰砂比为1：4，砂浆稠度为60-80mm。实验结果如表2-7所示：
　　表2-7人工砂砂浆性能比较
　　
　　模数 3天抗折强度(MPa) 3天抗压强度(MPa) 28天抗折强度(MPa) 28天抗压强度(MPa)
　　2.7 2.88 17.92 5.73 37.70
　　2.8 3.52 23.68 6.25 45.13
　　2.9 3.58 23.88 6.30 45.65
　　3.0 3.59 24.14 6.49 45.75
　　
　　图2-1人工砂模数对砂浆抗折强度的影响
　　
　　图2-2人工砂模数对砂浆抗压强度的影响
　　从图2-1、图2-2可以看出，人工砂配制的砂浆有优异的力学性能，对于同一灰砂比，使用不同模数的人工砂配制的砂浆力学性能不同，随着模数的提高，所配制砂浆的力学性能均有所提高。一方面，在配制砂浆的过程，砂子的模数一定程度上表征了所用砂子整体粒径的分布，模数越低，粒径小的砂子较多，配制砂浆时包裹砂子所需的胶凝材料越多，因此从配制砂浆应尽可能使用较高模数的中砂。另一方面，从上面配制不同模数人工砂的实验中表明：尾矿替代部分石英砂配制人工砂时，配制的人工砂模数越高，尾矿替代石英砂的量越小，不利于尾矿整体的消耗。上图可以看出，模数越高，砂浆力学性能越好，但模数从2.8增加到3.0，力学性能增加并不显著。因此综合考虑，利用尾矿部分替代河砂配制人工砂时最佳模数为2.8。
　　2.2天然河砂与人工砂性能的比较
　　为了研究人工砂与天然砂之间性能的差异，实验采用尾矿等粒径等量取代河砂的方法研究二者的区别，具体方法如下：将天然砂经筛分析后得到其粒径分布图，去除某一粒径的河砂，然后等粒径等质量的尾矿混入河砂中，配制出人工砂，考察尾矿部分替代河砂配制的人工砂的性能。本实验所用河砂的粒径分布见表2-1，实验采取尾矿等粒径等质量取代0.6mm-1.18mm的河砂配制人工砂。实验结果如表2-8所示：
　　表2-8人工砂与石英砂性能比较
　　
　　砂子类型分层度（mm）稠度(mm) 28d抗压强度(MPa) 28d抗折强度(MPa) 粘结强度(MPa)
　　天然砂 15 65 36.22 5.42 0.48
　　人工砂 18 70 43.35 6.68 0.52
　　
　　
　　图2-3石英砂与人工砂流动性的比较
　　从表2-8可以看出，河砂与人工砂配制的砂浆在流动性及力学性能方面存在一定差异，但总体上差异不大。河砂配制的砂浆流动性较好，但力学性能不及人工砂配制的砂浆好。其原因是尾矿表面粗糙，用其替代河砂配制的砂浆流动性差，但与水泥在界面上粘结强度高，从而砂浆的强度也高。
　　综上所述结论如下：
　　（1）尾矿部分替代河砂可以配制不同细度模数的人工砂；
　　（2）人工砂完全可以替代河砂配制建筑砂浆；
　　（3）用尾矿配制的人工砂配制的建筑砂浆，流动性不及河砂，但力学性能比河砂所配制的砂浆优异。
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