铁尾矿在预拌混凝土产业化应用的技术开发.pdf

2 0 1 4 年 第 4期 (总 第 2 9 4 期 ) Nu mb e r 4i n 2 01 4 ( To t a 1 No 2 9 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XED CONCRETE 铁尾矿在预拌混凝土产业化应用的技术开发 陈旭峰 ，徐景会 。 ，赵营 ( 1 北京建筑材料科学研究总院 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室 ，北京 1 0 0 0 4 1 2 北京金隅混凝土有限公司，北京 1 0 0 1 6 5 ) 摘要 ： 通过对铁矿废石和尾矿的矿相与化学成分分析， 确定其物性符合混凝土用砂石质量的相关要求 ， 采取适当的工艺方法 生产出适用于泵送流态化混凝土的 I I 区中砂级配要求的混合 中砂。 经混凝土配合 比优化试验 、 性能测试和生产实际应用表明， 铁 矿废石与尾矿的混合砂制备的混凝土与天然砂相 比， 具有同样的良好和易性 ， 但强度和耐久性更高， 单位立方米材料成本降低。 由于混合砂的含石 、 含粉量稳定， 预拌混凝土的生产质量管控效果大幅提升， 达到了产业化应用规模 。 关键词 ： 铁尾矿 ；混合中砂 ；预拌混凝土 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 l 1 2 0 3 M i ne t ai l i ng t ec hnol ogy dev el opment i n r eady- m i xed c oncr e t e i ndus t r i al i z at i on appl i ca t i on CHEN Xu f e n g ， XUJ i n g h u i ， ZHAO Yi n g ( 1 B e i j n g B u i l d i n g Ma t e r i a l s A c a d e my o f S c i e n c e R e s e a r c h L t d S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S o l i d Wa s t e R e u s e f o r B u i l d i n g Mt e r i a l s ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 1 ， C h i n a ； 2 B e ij i n g J i n y u C o n c r e t e C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 1 6 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n t hi s s t u d y， a c c o r d i n g t o mi n e r a l og i c a l p h a s e a n d c h e mi c a l a na l y s i s o fi r o n wa s t e r o c k s a n d i r o n o r e tai l i n g s ， t he i r p h y s i c a l p r o p e r t i e s we r e c o mfir me d t o me e t wi t h the r e q ui r e me n t o f the s a n d q ua l i t y u s e d i n c o n c r e t e， an d t he n a pp l i e d a p p r o p r i a t e t e c h ni q ue t o p r o d uc e the mi x e d me di u m s a n d wh i c h s a t i s fie d wi t h t he r e q u i r e me n t o f I I a r e a me d i u m s a nd g r a d i n g i n p um p i n g flui d i z e d c o n c r e t e Ba s e d o n t he c o n c r e t e mi x e d p r o p o rti on o p t i mi z a t i o n t e s t s ， p r o p e r t y t e s t s and manuf a c t u r e p r a c t i c a l a p pl i c a t i o n， i t s h o ws tha t the c o n c r e t e p r e p a r e d wi t h t h e i r o n wa s t e r o c k an d i r o n o r e t a i l i n g mi x e d s ands h a s t h e s a l nc e xc e l l e n t p e a c e a bi l i t y c o mpa r e d t o t h e c o n c r e t e wi t h t h e n a t u r a l s a nd s ， mo r e o v e r ， i t h a s the hi g h e r s t r e n g t h e n and d u r a bi l i t y， an d i t s ma t e r i a l s c o s t i s l o we r Be c a u s e o f s t e a d y c o n t e n t o f s t o n e s a n d p o wde r s i n the mi x e d s an d， t h e r e a d y - mi x e d c o nc r e t e p r o d u c t i on q u a l i t y c o n t r o l a n d man a g e me n t e f f e c t s are s i g n i fic an t l y i mp r o vi n g wh i c h r e a c h e d t h e i nd us 仃i a l i z a t i o n s c a l e Ke y w o r d s ： i r o n o r e t a i l i n g ； mi x e d me d i u m s a n d； r e a d y - mi x e d c o n c r e t e 0 引 言 混凝土是建筑工程用量最大的建筑材料 ， 仅以北京市为 例 ， 2 0 1 1 年预拌混凝土产销量 6 1 0 0 余万 1T I ， 需用建设砂石 1 1 亿 t 。 北京市政府为了治理大气污染 ， 改善环境 ， 已关停市 界 内的全部天然砂和人工砂石场 。 但建筑工程对砂石刚性需 求很大 ， 如此导致周边河北省的砂石大量供应北京 ， 北京建 筑工程的行政主管部门已在源头上失去 了对砂石质量的监 管功能， 只能靠混凝土企业 自 行管控进场的砂石料品质， 砂子 含石含泥量波动频繁、 幅度大， 严重影响预拌混凝土的质量， 现状堪忧。 因此， 寻找质量合格、 稳定和供应保障的人工砂石 已成为决定预拌混凝土企业生存与发展的重要制约因素。 地处北京市密云县 的首钢矿业公司在 几十年的开采 和选矿过程 中剥离出大量铁矿废石和尾矿 ， 三个排土场共堆 放废石约 4 0 0 0 万 t ， 五个库存有尾矿约 1 0 0 0 万 t o 2 0 1 0 年 ， 某 资源综合利用公司采用先进技术 和设备从铁矿废矿 中 复采铁精矿 ， 并 同时生产建筑 用砂石 ， 由此减少 了废石的 收稿 日期：2 0 1 3 - 1 0 1 7 11 2 堆积 ， 改善生态环境 ， 释放土地资源 ， “ 变废为宝” ， 经济效 益效益显著。 1 砂石制备工 艺和品质 1 1 砂 石制备 工艺 砂石制备工艺流程图， 如图 1 。 图 1 砂 石 制备工 艺流 程 1 2 铁矿废石与铁尾矿的化学成分与矿物组成 由表 1 和 图 2 可知 ， 来源于同样母岩的铁矿废石和铁 尾矿 的化学成分基本 相当 ， 对应 的主要矿物是石英 、 钠长 石和斜绿泥石 的共生物 ， 属火成岩 ， 质地坚硬。 1 3 废石生产的建筑用砂石的质量指标 由于需对铁矿废石进行铁精粉 的复采 ， 采取 了 I I 级破 表 1 铁矿废石及尾矿化学成分全分析 物料名称S i O 2 F e 2 0 3 A 1 2 0 3 C a O Mg O S O3 K 2 0 Na 20 L o s s 废石 7 1 0 9 7 8 9 6 1 6 6 5 6 2 0 1 0 2 0 1 0 6 2 2 6 尾矿 7 3 2 1 5 2 6 6 6 8 6 8 7 2 5 4 0 - 3 0 1 1 2 3 2 1 。 l a 一 石 英 l l b 一 斜长石l ： 1 一 L L 石 矿 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 2 0 ( 。 ) 图2铁矿废石和尾矿的主要矿物组成( X R D衍射 ) 碎和水洗湿法筛分工艺 。 砂石 中小 于 0 7 5 mm 的粉料大部 随水流 冲走 ， 0 5 m m产 出为建筑用砂 ， 5 2 5 mm为建筑用 石子 ， 生产砂石 的典型质量指标 ( 平均值 ) 见表 2 、 3 。 表 2中 5 2 5 m m 废石可以直 接作 为混凝 土粗骨料使 用， 其各项质量指标皆优于普通的碎卵石或石灰岩山碎石。 0 5 的废石颗粒级配属于粗砂 I 区的品质 ， 不宜单独应 用于混凝土 、 尤其是不宜用于制备流动度较大的泵送混凝土。 1 4混 合 砂 的 搭 配 由于选矿生产 的 0 5 mm尾矿砂属于 I 区粗砂不能作 为细骨料单独用于泵送混凝土的生产 ， 搅拌站使用时需 与 其他偏细的砂子搭配 ， 给混凝土生产 和质量管控带来较大 的麻烦 ， 如 ： 细砂单独计量下料不顺 畅 、 进站砂子复试工作 量增加 、搅拌 台下料配合 比与 向工地交付 的资料不一致 ( 用户不接受技术资料中单列细砂 的使用 ) 等问题 。 故其市 场应用量受限。 表 2 5 2 5 mm连续级配废石的质量指标 注 ： 0 5 mm废石砂的其他指标符合符合 J G J 5 2 2 o 0 6 标准的要求。 鉴于矿区旧尾矿库中有大量囤积了几十年的铁尾矿 ， 其矿砂与 0 5 m m的尾矿粗砂搭配 ， 可以在矿场上直接生产出符 化学成分 、 矿物组成 与表 1 、 图 2 一致( 母岩相同) ， 细度模数 合 J G J 5 2 标准要求的 I I 区中砂 ， 正好大大促进 0 5 mm的新 1 5 1 7 ， 为 I I I 区细砂 ， 石粉含量 8 1 2 ， 亚 甲蓝 0 7 1 1 。 细尾 生尾矿粗砂和旧尾矿细砂的应用 。 混合砂搭配试验见表 4 。 表 4混合砂试验颗粒级配 根据表 4 试验结果 ， 确定混合砂生产 时按照尾矿细砂 2 5 、 0 - 5 mm粗砂 7 5 的 比例混合 ， 可确保进入搅拌站 的 人工混合砂满足泵送混凝土 I I 区中砂颗粒级配的要求 ， 且 质量稳定可靠。 2混凝 土试验 采用相同水泥 、 矿粉 、 粉煤灰和外加剂 ， 进行 C 3 0 、 C 5 0 两个强度等级的天然砂石料和废铁矿混合砂的混凝土对 比试验 ， 结果见表 5 、 6 。 由混凝土试验结果可见， 使用铁尾矿砂石的混凝土拌合物 出机坍落度和扩展度皆小于天然砂混凝土 ， 但前者 7 、 2 8 、 5 6 d 的抗压强度明显高于天然砂石混凝土 ， 且这种趋势在 C 5 0 强 度等级的混凝土上体现得更加显著。 对此， 比较普遍的认知是： ( 1 ) 铁尾矿砂是人工砂 ， 其表面棱角较多、 圆蛰 生 差 ， 影 响混凝土拌合物的流动l生； 但 同样由于其圆整度差 ， 使得胶凝 材料水化产物与砂石的界面黏结效应增强， 混凝土强度提高。 ( 2 ) 天然砂石 中含 泥属黏 土质 ， 颗 粒细小 ( 大部分 1 0 m) ， 其显微结构为层 间状 ， 具有较大的内表面 ， 故对外 加 剂的吸附量较大 ， 干缩湿涨 明显 ， 阻隔胶材与骨料的黏 结 ， 影 响混凝 土的强度和抗冻性能 ； 铁尾矿混合砂 中的石 粉显微结构是实心细粒状， 粒径在 1 0 7 5 m之间， 对外加 剂 的吸附较少 ， 在胶凝材料水化硬化中还可起水化产物的 晶核作用， 提高混凝土的致密性。 图3 是按照G B 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 混凝土长期性能和耐久 性能试验方法标准 进行 的混凝土收缩试验 。 结果 表明： 在 标养条件下铁尾矿砂的混凝土基本无收缩现象， 优于天然 1 1 3 表 5 混凝土试验用配合比 注： 由于天然中砂含石 2 0 ( 粒径大于 5 m m) ， 设定净天然砂含石为 5 与废石砂一致 ， 故括号内的数值是按 1 5 13 除砂含石后的净砂用量。 表 6混凝土试验结果 +普通混凝土标养 +尾矿混 凝土标 养 +普通混 凝土干 养 _ 尾矿混 凝土干 养 图 3 混凝土收缩试验结果 注 ： 养护条件是 ： 标养为温度( 2 0 + 2 ) ， 相对湿度9 5 的标 养室 ： 干养为 6 0 ， 相对湿度 0的烘箱中。 差距并 不。 由此 可见 ， 铁尾矿砂制备 的混凝土实体应保湿 养护， 对减少早期干缩有利 。 3 生 产应 用 根据废铁矿砂石的混凝土试验结果 ， 结合资源供应和成 本因素 ， 在预拌混凝土生产中采用碎卵石作粗骨料 、 0 5 I T l m 废石 +尾矿细砂的混合 中砂的最优方案。 经过半年多的生 产应用 ， 实际使用 0 5 m m 废石约 1 0 0 余万 t ， 生产混凝 土 1 2 0 余万 m s ， 并获得到如下几项成果。 3 1 混合 中砂品质稳定， 混凝土和 易性和强度改善 与天然 中砂相比 ， 铁尾矿混合 中砂 ， 其砂 中含石 、 含石 砂石 的混凝土 。 在绝干条件下 ， 其 3 、 7 d 的收缩略大于天然 粉比较稳定 ， 使得混凝土拌合物的和易性稳定性改善 ， 更有 砂石的混凝土 ， 后期收缩 皆略小于天然砂石混凝 土 ， 两者 利于生产过程质量管控。 具体见表 7 。 表 7 混凝土生产过程质量管控效果 在预拌混凝土生产质量管控过程 中， 胶凝材料 、 I- J H 剂和石子的品质一般较为稳定 、 可控 ， 但砂含石 、 含泥量 的 频繁波动是最难控制 的项 目， 也是影 响混凝土和易性和强 度的最关键 因素 。 生产实践证明( 表 7 ) ， 采用含石 、 含石粉 稳定的人工混合砂 ， 可 以显著提高混凝土质量管控水平 ， 大幅降低工地对混凝土和易性( 离析 、 堵管等 ) 的投诉 ， 搅 拌站质检人员的工作负荷也随之减轻。 3 2经济效益分析 与使用北京周边河北砂石 的情况相比， 使用铁尾矿混 合砂不仅符合政府 的资源综合利用的政策要求 ， 同时也有 实实在在的经济效益( 使用违规开采 的开槽砂例外 ) ， 具体 见表 8 。 由表 8 可见 ， 采用 S 0 3 的尾矿砂配合 比生产混凝土 ， 可 满足政府资源综合利用政策对单位立方米混凝土用尾矿 表 8 使用铁尾矿混合砂与天然中砂生产 C 3 0混凝土的材料成本对比 注 ： 材料单位立方米综合成本 =材料成本一 免税补贴， 免税补贴 = 售价 6 ( 营业税率) ； 胶凝材料 1 0 6 元 m ； 天然砂 6 2 元 t ； 尾砂中砂 6 5 元 A ； 碎卵石 5 2 元 t ； 聚羧酸 2 5 0 0 元 t 。 下转第 1 1 8页 l 1 4 3OO 25 0 。 1 50 l O0 5 0 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 浸泡龄期 d 图 7 石粉含量对干缩的影响( W C = O 5 5 ) 内时 ， 随着人工砂石粉增大 ， 碾压混凝土干缩基本相等 ， 可 见碾压混凝土干缩值基本不受人工砂石粉含量的影响。 2 7 石粉含 量对抗 冻性能的影响 随着碾压混凝土筑坝技术的发展， 越来越多的工程直接 把碾压混凝土用作水工建筑物 的外部混凝土。 寒冷和严寒 地区使用碾压混凝土作为水_ T 二 建筑物的外部混凝土必须考 虑其抗冻性。 由表 8 可知 ， 综合质量损失率和动弹性模量相 对值来看 ， 随着人工砂 中石粉含量增大 ， 碾压混凝土抗冻性 能有所提高。 当水胶 比为 0 5 5 ， 碾压混凝土石粉含量 1 5 2 2 时 ， 人工砂碾压混凝土的抗冻强度等级均可达到 F I O 0 。 表 8 不同石粉含量碾压混凝土冻融情况 2 8 碾压混凝土用人 工砂 石粉含量 限值 的探讨 从国内人工砂生产的现状看 ， 未经处理的人工砂石粉 ( 0 1 6 m m) 含量一般为 1 3 2 3 。 当人工砂 中石粉含量 较 高时 ， 降低石粉含量的方法是洗砂机水洗 ， 但脱水后料 堆 易结块 ， 必须使用机械作业 ( 倒仓 ) 才能从放料 口放 出。 且湿法制砂工艺用水量大 ， 每生产 1 m 人工砂需 4 m。 水 ， 生产量小 ， 生产过程损耗大 。 洗砂不仅增加生产工序 ， 而且 浪费大量水资源 ， 污染环境 ， 占用土地 ， 消耗能源和劳动力 ， 减小产量 ， 增大生产成本 ， 降低 了人工砂生产企业的效益。 人工砂 中石粉每增加 1 0 ， 保持相 同的 V C值 ， 碾压 混凝土单位用水量约增加 7 5 k g ， 保 持水灰 t L ( O 5 5 ) 不变 ， 相应增加胶凝材料用量约 1 3 5 k g ； 当设计强度等级相同时 ， 上接第 1 1 4页 与粉煤灰用量合计 3 0 的质量比的要求( 大于 8 0 0 k g m ) ， 可享有营业税全面的政策优惠， 具有最低的综合材料成本。 2 0 1 1 年 7 月开始生产实际使用铁尾矿混合中砂， 至 2 0 1 2 年 l 2 月已达到 3 5 0 万 t 的用量， 生产预拌混凝土近 4 0 0 余万 m ， 取得了优 良的技术和经济效益。 4结论 ( 1 ) 使用 0 5 ml T l 尾矿粗砂与 0 3 m m 的尾矿细砂搭 配 ， 可以生产 出符合泵送混凝土要求的 I I 区混合 中砂中砂。 ( 2 ) 试验结果表明， 使用混合中砂的混凝土强度高于天 然中砂， 在保湿养护的条件下， 混合中砂的混凝土收缩更小。 1 1 R 由于石粉的增强效应约可节约胶凝材料 1 3 k g ， 两相抵消 ， 胶凝材料基本不变 ， 碾压混凝土的生产成本 相当。 石粉增 加 了浆体 ， 改善 了碾压混凝土的可碾 性和施 工性能 ， 改善 层 间结合 和施工质量 ， 降低 了施T成本 ， 也可增加施工单 位 的效益 ， 改善 了抗冻性能和抗渗性 能 ， 对混凝 土的耐久 性有利 ， 因此 ， 日前水丁碾压混凝土用人工砂 的石粉含量 控制在 2 3 以内在技术上是可行 的， 在经济上是合理。 3结 论 碾压混凝土 的 V C值 和单位用 水量随石粉含量 的增 大而线性增大 ， 相关系数接近 l 。 石粉含量每增大 1 0 ， V C 值增大 4 6 S ， 单位用水量增加约 7 5 k g m 。 随着石粉含量增大 ，碾压混凝土的含气量先减小 ， 后 增大 ， 石粉含量 1 5 时 ， 含气量最大 ， 2 2 次之 ， l 8 最小。 随着石粉含量增大 ， 碾压混凝土表观密度先增大， 后减 小 ， 石粉含量 1 8 时， 表观密度最大， 2 2 次之 ， 1 5 最小。 随着 石粉含量增大 ， 碾压混凝土 的抗压强度 、 抗拉强 度和抗冻性能提高 ， 干缩基本相等。 参考文献： 1 李兴贵 高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究l J l _建筑材料 学报 ， 2 0 0 4 ， 7 ( 1 ： 6 6 7 1 【 2 谭克忠 黄丹水电站人工砂石粉限值探讨及使用总结l J 1 四川水 利发电， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 3 ) ： 4 4 4 5 、 8 9 3 】 路文典 人工砂石粉含量超标对常态混凝土性能的影响试验研 究l J 1 山西水利科技 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 6 3 6 7 4 徐健， 蔡基伟， 王谡良， 等人工砂与人工砂混凝土的研究现状l J J 国外建材科技， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 【 5 】B ON AV E T T I V L ， I R AS S AR E F T h e E f f e c t o f S t o n e D u s t C o n t e n t i n S a n d J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 2 4 ( 3 ) ： 5 8 0 5 9 0 【 6 】B ON AVE T T O V L， RA L HHA L V F， I RA S S A R E F S t u d i e s o n t h e e a r b o a l u mi n a t e f o r ma t i o n i n l i me s t o n e fi l l e r - b e l e n d e d c e me n t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ( 3 1 ) ： 8 5 3 8 5 9 7 P OP P E A M, S C HUT T E R G D C e me n t Hy d r a t i o n i n t h e p r e s e n c e 0 f h i g h fi l l e r c o n t e n t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 2 29 0 - 2 2 99 8 1 Z HO U Mi n g k a i ， P E NG S h a o mi n g ， XU J i a n， e t a 1 E f f e c t o f s t o n e p o w d e r o n s t o n e c h i p p i n g s c o n c r e t e J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s e t y o f T e c h n o l o g y ( M a t e r i a l s S c i e n c e s E d i t i o n ) ， 1 9 9 6 ， 1 1 ) ： 2 9 3 4 作者简介 联 系地址 联系电话 王立华( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 高级工程师。 广州市天河区天寿路 1 1 6 号 广东水利大厦 B座 1 1 0 2 室( 5 1 0 6 3 5 ) l 3 92 4 0 7 6 72 8 ( 3 ) 大规模产业化应用结果证 明 ， 与天然 巾砂相 比混 合 中砂 的含石 、 含粉量波动小 ， 显著改善混凝土拌合物和 易性 的稳定性 ； 混凝土标养试块强度平均值上升 ， 标准偏 差降低， 强度保障率大幅提高。 ( 4 ) 采用尾矿混合 砂生产混凝 土 ， 可满足资源综合利 用政策 的要求用量 ， 综合材料成本显著降低。 作者简介： 陈旭峰( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 教授级高工， 从事水泥混凝土技 术研发和生产质量管理工作。 联系地址： 北京市石景山区金鼎北街 6 9 号金隅大厦 北京建筑 材料科学研究总院有 限公 司( 1 0 0 0 4 1 ) 联系电话 ： 1 3 9 0 1 0 7 0 7 4 3