铁尾矿砂在混凝土中的应用研究

铁尾矿砂在混凝土中的应用研究预制分公司1.摘要2.研究背景3.各个原材料性能指标4.确定配合比5.改变不同参数试拌配合比工作性能

及抗压强度性能6.铁尾矿砂混凝土耐久性能检测7.结论及实际应用目录用心浇注您的满意1.摘要铁尾矿砂是选矿过程中留下的一种固体废弃物，不仅占用大量的场地，而且污染环境，同时由于天然砂石被大量开采，导致河道和耕地被大量的开挖，造成生态破坏，并且使原有的砂石料日益紧张，砂石价格大幅上涨，混凝土生产成本加大，通过对铁尾矿砂的研究与应用，能做到社会效益和经济效益的双丰收，本文通过控制铁尾矿砂的掺入比例对混凝土砂率、外加剂掺量、混凝土工作性、混凝土强度以及耐久性等因素分析，结合试验提出自己的一些看法，供大家参考。用心浇注您的满意2.研究背景近年来我国已逐渐成为世界上最大的建材消耗、生产国，混凝土是现代社会中用途最广泛的组成材料，而其中砂是混凝土骨料的组份之一。随着日渐消耗的能源，全国各地天然砂已不能满足如今混凝土企业的生产需求，并且天然砂的短缺引起的价格上涨让不少人铤而走险，违法开采，甚至采用海砂，不仅造成了周围自然环境的污染，而且还会造成生态破坏，同时，随着我国现代化工业的建设，大量的矿产资源被开发利用，尤其是铁矿资源，由于受到技术和设备条件的限制，在选取矿山资源的有效成分过程中将不可避免的产生大量的工业固体废弃物，工业固体废弃物的主要组成部分就是铁尾矿。用心浇注您的满意铁尾矿是指矿山的选矿厂在特定的经济技术条件下，将矿石破碎、筛分、研磨、分级、再经重选等工艺流程，选出有用金属后的剩余部分，其有用成分含量很低，导致大量的尾矿被填堆存放，占用土地，污染环境，而且工厂还得支付土地征用费、运输费、填埋费，反而增加了生产成本，同时也造成了资源浪费。我国铁矿选矿厂的尾矿资源按照伴生元素的含量可分为单金属类铁尾矿和多金属类铁尾矿两大类：⑴单金属类铁尾矿：根据二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙及氧化镁含量，又可分为硅质、硅铝质、钙镁质等类型。⑵多金属类铁尾矿主要分布在攀西地区、包头地区和武钢地区，其特点是矿物成分复杂、伴生元素多，从价值上看，回收其中的伴生元素远超过主金属铁的回收价值。用心浇注您的满意目前，我国尾矿的综合利用率14%左右，铁尾矿的利用率仅在7%左右，与发达国家相比，其铁尾矿综合利用率已达到60%，还存在很大的差距，究其原因，除了铁矿资源的化学成分和性质影响以外，既有历史的原因，也有现实的原因，发展观和价值观的制约，科学技术的局限，管理制度不健全均在不同程度上影响了铁尾矿资源的开发与利用。所以近年来，针对这样的现状，相关研究人员也进行了大量可行性探讨研究，并且取得了一定成果，对现今社会具有十分重要深远的现实意义，同时也为节能减排做出应有的贡献。用心浇注您的满意3.各个原材料性能指标⑴水泥：所用水泥为山东山铝水泥有限公司P·O42.5R水泥，密度为3×103kg/m3，其他物理力学性能指标如下：表1-2水泥物理与力学性能安定性标准稠度用水量（%）凝结时间min抗压强度Mpa抗折强度Mpa初凝终凝3d28d3d28d合格27.716923526.045.85.08.5用心浇注您的满意⑵矿粉：所用矿粉为青岛汇远达S95级矿渣粉，密度为2.88×103kg/m3，其他指标如下表;表1-3矿粉性能检测数据比表面积（m2/kg）流动度比（%）活性指数（%）烧失量7d28d43510278990.4用心浇注您的满意⑶粉煤灰：所用粉煤灰为日照海能I级粉煤灰，密度为2.1×103kg/m3，其他指标如下：

表1-4粉煤灰性能检测数据细度（%）需水量（%）烧失量（%）8.6913.3用心浇注您的满意⑷碎石：青岛市即墨区碎石，表观密度：2690kg/m3，堆积密度：1590kg/m3，孔隙率40%，其性能指标如下表：

表1-55-25mm碎石性能指标含泥量（%）泥块含量（%）针片状（%）压碎值（%）级配（mm）0.80.368.95-25

表1-65-25mm碎石筛分情况筛孔（mm）31.526.519.016.09.54.752.36累计筛余（%）04296292100100用心浇注您的满意⑸天然河砂：青岛市即墨区河砂，筛分指标见下表：

表1-7河砂颗粒级配筛径（mm）4.752.361.180.630.3150.15细度模数级配区间累计筛余（%）314366287972.9Ⅱ区中砂用心浇注您的满意⑹机制砂：绿帆建材再生资源有限公司生产，筛分指标见下表：

表1-10机制砂颗粒级配筛径（mm）4.752.361.180.630.3150.15细度模数级配区间累计筛余（%）1232588593983.5粗砂用心浇注您的满意⑺铁尾矿砂;烟台莱阳铁尾矿砂，表观密度为2670kg/m3，具体指标如下：

表1-8

铁尾矿砂颗粒级配筛径（mm）4.752.361.180.60.30.15细度模数级配区间累计筛余（%）0361433491.4特细砂表1-9铁尾矿砂其他性能指标石粉含量（MB<1.4）云母含量（%）孔隙率（%）氯离子含量（%）坚固性（%）碱活性（%）泥块含量（%）压碎值（%）硫化物含量（%）4.00.92410.0023.70.0040.8250.11用心浇注您的满意

表1-10

铁尾矿砂主要化学成分

化学成分CaOSiO2

AI2O3

MgOFe2O3

百分比（%）16.0848.495.066.1110.04铁尾矿砂放大后颗粒形状用心浇注您的满意⑻天然河砂与铁尾矿砂不同比例复配后混合砂性能指标：表1-11河砂与铁尾矿砂不同比例复配后性能指标序号曲率系数（CC）河砂掺配比例（%）铁尾矿砂掺配比例（%）试配后细度模数试配后石粉含量（%）试配后表观密度（kg/m³）12.780202.73.1264822.160402.44.8265131.440601.95.2265341.001001.46.92670(备注：铁尾矿砂与河沙不同比例复配进行筛分并计算得出细度模数和曲率系数，曲率系数1-3时为良好级配)用心浇注您的满意⑼机制砂与铁尾矿砂不同比例复配后混合砂性能指标：表1-12机制砂与铁尾矿砂不同比例复配后性能指标序号曲率系数（CC）机制砂掺配比例（%）尾矿砂掺配比例（%）试配后细度模数试配后石粉含量（%）试配后表观密度（kg/m³）12.880203.23.9258622.775252.94.7259232.770302.85.2261542.365352.75.4262852.460402.65.4263762.555452.45.8265771.950502.16.12671(备注：铁尾矿砂与机制砂不同比例复配进行筛分并计算得出曲率系数，曲率系数1-3时为良好级配)用心浇注您的满意⑽聚羧酸高性能减水剂，生产厂家建议产量1.8%，生产厂家：苏州弗克新型建材有限公司，其性能指标见下表;1-13聚羧酸高性能减水剂性能指标密度g/cm3

含固量%

PH值

减水率%

含气量%

1h经时损失mm

氯离子含量%

抗压强度比%7d28d1.0317.26.0283.2150.02144138用心浇注您的满意4.确定配合比⑴设计混凝土强度等级为C20、C30、C35、C40，选用的矿物掺合料为矿粉和粉煤灰，其中C35配合比细集料用机制砂与铁尾矿砂复配的混合砂，并且单掺矿粉，其配合比如下表:表1-14铁尾矿砂混凝土配合比参数（单位：kg/m3）强度等级水灰比水泥用量矿粉用量粉煤灰用量用水量C200.581769648185C300.4720911457180C400.4428812072180用心浇注您的满意表1-15C35机制砂与铁尾矿砂混合配合比参数（单位：kg/m3）序号水泥矿粉混合砂石水水胶比砂率（%）12511687569631760.424422511687579641760.424432511687609671760.424442511687629691760.424452511687639711760.424462511687659741760.424472511687679761760.4244（备注：混合砂比例与表1-12相对应）用心浇注您的满意5.改变不同参数试拌配合比工作性能及抗压强度性能⑴本实验按JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》设计试配了C20、C30、C40三个强度等级的混凝土，同时以铁尾矿砂取代率作为变量试拌混凝土，铁尾矿砂取代率分别为0、20%、40%、60%、100%，来试验铁尾矿砂混凝土的工作性能和强度性能，C35混凝土用不同细度模数混合砂试配，实际配合比如下表（C35实际配比见表1-15）：表1-16不同铁尾矿砂掺量混凝土配合比（kg/m3）强度等级水泥矿粉粉煤灰河砂尾矿砂碎石水W/B砂率C20

1769648855/9391850.580.4817696486841719391850.580.4817696485133429391850.580.4817696483425139391850.580.481769648/8559391850.580.48C30

20911457790/9551800.470.45209114576321589551800.470.45209114574743169551800.470.45209114573164749551800.470.4520911457/7909551800.470.45C40

28812072730/9401800.370.43288120725841469401800.370.43288120724382929401800.370.43288120722924389401800.370.4328812072/7309401800.370.43用心浇注您的满意⑵对表1-16中的配合比进行试拌，根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定混凝土和易性规定的方法；参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测定混凝土的抗压强度，测定结果如下表：表1-17不同铁尾矿砂掺量对混凝土工作性和抗压强度的影响强度等级

尾矿砂掺量

黏聚性

保水性

抗压强度（Mpa）7d28dC20

0一般良好21.126.920%良好良好20.325.140%良好良好22.328.960%微粘良好24.130.1100%粘一般20.124.2C30

0良好良好28.537.420%良好良好25.338.740%微粘良好23.238.860%粘一般26.041.1100%粘一般24.135.2C40

0良好良好38.850.120%良好良好38.148.440%微粘一般34.147.260%粘一般31.244.8100%粘一般31.043.2用心浇筑您的满意天然河砂、铁尾矿砂不同比例复配与抗压强度关系折线图用心浇注您的满意标号：C35混合砂细度模数2.7（机制砂与铁尾矿砂复配）标号;C40混合砂细度模数2.4（天然河砂与铁尾矿砂复配）

标号：C30混合砂细度模数2.4（天然河砂与铁尾矿砂复配）用心浇注您的满意从以上图表可以看出，随着铁尾矿砂的掺入，所配置的混凝土工作性和强度性能有所差异，C20混凝土在铁尾矿砂掺量为20%、40%的情况下具有良好的黏聚性和保水性，铁尾矿砂掺量在60%、100%的情况下偏粘，C30混凝土在铁尾矿砂掺量20%的情况下具有良好的黏聚性和保水性，掺量40%的情况下微粘，泌水现象微略明显，掺量60%、100%的情况下偏粘，C40混凝土在掺量20%的情况下具有良好的黏聚性和保水性，掺量40%、60%、100%时状态偏粘泌水现象明显，并且随着铁尾矿砂掺量的增加，各个标号混凝土坍落度均不同程度呈降低趋势；通过以上数据表明，混凝土标号越高，铁尾矿砂掺量越低，综合分析：相对于普通天然河砂，铁尾矿砂表面粗糙，呈不规则多边形结构，在流动过程中，各细集料之间的摩擦力相对天然河砂较大，故而掺量越高，流动性降低，在试验过程中，随着铁尾矿砂掺量的增加，混凝土坍落度不同程度的有所降低，也证实了这一点。铁尾矿砂细度模数偏小，颗粒级配主要集中在0.15mm-0.63mm之间，径粒小于0.15mm的细颗粒在15%左右，并且铁尾矿砂中颗粒小于0.15mm的主要是石粉颗粒，属于坚固成分，有利于混凝土力学性能和耐久性，尤其在低标号混凝土中掺入铁尾矿砂，有利于混凝土的黏聚性、和易性、强度性能。并且我们可以在上面折线图中看出，C20、C30混凝土随着铁尾矿砂掺配比例的增加，强度现增涨后减小，在掺配比例在60%时强度均达到最大值，C40混凝土随着铁尾矿砂掺配比例的增加，混凝土强度一直呈下降趋势。用心浇注您的满意

⑶对表1-15中的配合比进行试拌，根据GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定混凝土和易性规定的方法；参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测定混凝土的抗压强度，测定结果如下表：表1-18

机制砂和铁尾矿砂配制不同细度模数混合砂工作性和抗压强度影响序号7d强度28d强度流动性包裹性泌水离析134.244.5良差较多轻微234.945.7良一般较多轻微334.644.3良良轻微无435.446.8良良无无536.247.4良良无无635.746.3良良无无736.748.2良良无无用心浇注您的满意不同细度模数混合砂对C35混凝土强度影响折线图由以上图表可以看出，当机制砂与铁尾矿砂复配的混合砂细度模数为2.7时，混凝土状态良好，无泌水现象，并且随着铁尾矿砂比列的增加，泌水现场彻底消失，混凝土抗压强度有所提高，并且抗压强度实验数据均满足规范设计要求。用心浇注您的满意⑶我们对C20、C30、C40标号混凝土分别采用不同的砂率进行了试配，在此次配合比试拌中，铁尾矿砂取代率分别为40%，通过判定混凝土拌合物的工作性能和抗压强度值确定最佳砂率，认定砂率对混凝土拌合物的影响。通过试拌配比，试验数据如下表：表1-19不同砂率对混凝土强度的影响强度等级

砂率

黏聚性

保水性

抗压强度7d28dC20

0.44较差较差19.025.60.45良好良好19.224.80.46良好良好18.226.70.47较粘良好21.226.6C30

0.41较差较差28.839.00.42良好良好31.241.50.43微粘良好27.236.90.44较粘良好28.338.6C40

0.39较差较差39.251.30.40良好良好37.249.30.41微粘良好38.650.30.42较粘良好37.137.9用心浇注您的满意砂率与抗压强度关系折线图用心浇注您的满意通过以上图表可以看出，调整砂率对混凝土强度有一定的影响，但影响结果不明显，铁尾矿砂掺量为为40%时，对于C20铁尾矿砂混凝土而言，其最佳砂率为0.45和0.46，对于C30铁尾矿砂混凝土而言，其最佳砂率为0.42，对于C40铁尾矿砂混凝土而言，其最佳砂率为0.40。最以上结果分析：较大的水胶比，砂率相对偏高，较高的砂率可满足黏聚性要求，如果砂率较低，粗骨料之间没有足够的砂浆层，导致粗骨料表面没有足够的砂浆包裹层，使混凝土拌合物的黏聚性和流动性有所降低；水胶比较小的情况下，由于胶凝材料量大，增加了浆体的稠度，很容易满足混凝土拌合物的黏聚性，因而砂率相对较低，较低的砂率更好的满足拌合物的工作性，较高的砂率使混凝土拌合物黏聚性过大，用水量增加，强度有所降低，并且拌合物稠度过大也会导致混凝土拌合物的流动性降低。用心浇注您的满意6.铁尾矿砂混凝土耐久性能检测

⑴铁尾矿砂混凝土抗氯离子渗透性能

①混凝土抗氯离子渗透性能是混凝土重要耐久性指标之一，针对氯离子对混凝土的渗透机理，可采用多种方法，并且根据渗透时间，试验方法分为快速法和慢速法。本试验方法用快速氯离子迁移法（RCM法），本方法适用于以测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来确定混凝土抗氯离子渗透性能，试验仪器如下图：用心浇注您的满意②混凝土的非稳态氯离子迁移系数计算：用心浇注您的满意③各个混凝土拌合物氯离子渗透迁移系数计算结果如下：表1-20

各个标号混凝土氯离子迁移系数编号期龄氯离子迁移渗透系数/10-12m2/sC20-028d3.24×10-12m2/sC20-2028d3.09×10-12m2/sC20-4028d2.94×10-12m2/sC20-6028d3.89×10-12m2/sC20-10028d2.23×10-12m2/sC30-028d2.69×10-12m2/sC30-2028d3.21×10-12m2/sC30-4028d2.21×10-12m2/sC30-6028d2.01×10-12m2/sC30-10028d2.39×10-12m2/sC40-028d2.32×10-12m2/sC40-2028d2.21×10-12m2/s用心浇注您的满意表1-21

C35不同细度模数混合砂氯离子渗透系数结果混合砂细度模数M龄期氯离子迁移渗透系数/10-12m2/s2.128d2.01×10-12m2/s2.428d2.11×10-12m2/s2.628d2.23×10-12m2/s2.728d2.25×10-12m2/s2.828d2.28×10-12m2/s2.928d2.31×10-12m2/s3.228d2.41×10-12m2/s混凝土的渗透性能主要由混凝土的密实度决定，由上表可以看出，纯天然砂混凝土氯离子渗透系数普遍小于铁尾矿砂混凝土氯离子渗透系数，并且随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂混凝土氯离子迁移系数有所下降，机制砂和铁尾矿砂复配结果类似，随着混合砂细度模数的减小，相应的铁尾矿砂掺配比列增大，混凝土氯离子迁移系数逐渐降低，并且均符合规范要求。用心浇注您的满意⑵铁尾矿砂混凝土抗碳化性能①抗碳化性能是混凝土耐久性能之一，尤其是对于钢筋混凝土，碳化反应是引起混凝土结构钢筋锈蚀的主要因素，究其主要原因是空气中的CO2扩散到混凝土内部的毛细孔中，与水泥水化生成的氢氧化钙和水化硅酸钙形成碳酸钙，从而降低混凝土的碱度，引起钢筋表面保护性钝化膜的解体，导致钢筋锈蚀。本次试验主要是根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》进行碳化试验：用心浇注您的满意②每组应以二氧化碳浓度为（20±3）%，温度为（20±2）%，湿度为（70±5）%的条件下3个试件碳化28d的碳化深度算术平均值作为该组混凝土试件的碳化测定值，所测碳化时间与碳化深度曲线图如下：C20碳化曲线图用心浇注您的满意不同细度模数混合砂与碳化深度关系曲线图（C3528d到期试件）用心浇注您的满意③上图表示各强度等级混凝土碳化深度碳化时间的关系变化，由以上折线图可以看出，在养护条件相同的条件下，混凝土各期龄碳化深度受到水胶比、铁尾矿砂掺量的影响，从碳化曲线变化趋势可以看出，随着水胶比的减小，碳化深度也随之有减小的趋势，并且各强度等级的混凝土碳化深度随着时间的增加而增大，早期增涨速率较大，后期增涨速率相对较为缓慢。混凝土的抗碳化性能主要由其碱度决定，混凝土体系中氢氧化钙的量少，混凝土孔溶液的碱度也随之小，则混凝土的抗碳化能力就低，对于机制砂复配铁尾矿砂混凝土，随着混合砂细度模数的增加，相应铁尾矿砂掺量的增加，碳化深度呈降低的趋势。用心浇注您的满意⑶铁尾矿砂混凝土干收缩性能试验①根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》要求，混凝土干收缩试验有两种方法，一种是非接触法，另一种是接触法;本文采用接触法测试混凝土的干收缩性能。通过试验发现，各个强度等级的混凝土前期干缩率增长速率较快，中期干缩率增长速率变得缓慢，后期干缩率趋于平衡；并且混凝土强度等级越高，干缩率增长越快，主要原因是水泥用量越高，水化反应产生的变形就越明显。缓慢期主要是因为水泥水化产物与矿物掺合料进行二次水化反应，产生致密的水化产物。通过试验发现，铁尾矿砂对混凝土的干缩变形基本没有影响，铁尾矿砂混凝土符合耐久性试验要求。用心浇注您的满意⑷铁尾矿砂混凝土抗冻融性能试验①本次试验主要是根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》进行抗冻融试验，试验方法为快冻法；对铁尾矿砂掺量为40%时的C40混凝土和铁尾矿与机制砂混合砂细度模数为2.8时的C35混凝土进行了0-200次冻融循环试验，在设定冻融循环作用次数后分别测试了混凝土的质量损失和相对动弹性模量。表1-22C40混凝土冻融前后质量损失率与相对动弹性模量（%）冻融循环次数/N质量损失率%/⊿W相对动弹性模量P(%)00100.00250.499.76500.399.63750.699.21100098.78125-0.598.23150-1.894.51175-2.292.21200-3.291.03用心浇注您的满意表1-23混合砂C35混凝土冻融前后质量与相对动弹性模量冻融循环次数%/N质量损失率%/⊿W相对动弹性模量P(%)00100.00250.599.76500.899.48750.399.01100098.45125-0.798.11150-2.194.21175-2.592.38200-3.891.11用心浇注您的满意C40混凝土冻融循环次数与动弹性模量关系变化图C40混凝土冻融循环次数与质量损失率关系变化图用心浇注您的满意C35混凝土冻融循环次数与质量损失率关系变化图C35混凝土冻融循环次数与相对动弹性模量关系变化图用心浇注您的满意从以上图表可以看出，铁尾矿砂掺配比列为40%时，C40混凝土质量损失在0-125次冻融循环之间降低幅度并不大，最大质量损失率3.2%；其相对弹性模量随着冻融循环次数的增加而逐渐的降低，在冻融循环次数125-175之间内，降低幅度偏大，相对动弹性模量最小值为91.03%，机制砂与铁尾矿砂混合砂混凝土质量损失与相对动弹性模量的变化趋势与河砂复配铁尾矿砂混凝土变化趋势相似，质量损失率最大值3.8%，相对动弹性模量91.11%。由此可见混凝土中掺加铁尾矿砂可以满意一般抗冻环境。用心浇注您的满意⑸铁尾矿砂混凝土碱骨料反应试验①根据GB/T14684-2011《建设用砂》要求，本次试验先用岩相法鉴定了铁尾矿砂所包含的活性矿物包括方石英、微晶石英、磷石英（有活性的二氧化硅）等，属于碱活性骨料，存在碱骨料反应危险，再进一步试验。

②判定依据：当半年膨胀率小于0.10%时，判定为无潜在碱-硅酸反应危害用心浇注您的满意试件膨胀率随标准养护时间变化图结果判定：半年膨胀率最大值为0.075%，小于0.10%，无潜在