首鋼尾礦人工砂石在混凝土中的應用研究

　　摘要：本文研究了首鋼遷安尾礦人工砂石的材性，其尾礦人工砂、石在普通商品混凝土、高密實混凝土及工程中的成功應用情況與良好效果，對解決天然砂資源短缺和尾礦資源的利用有積極的意義。

　　關鍵詞：尾礦；尾礦人工砂；人工砂 ;建筑用砂；商品混凝土

　　一、前言：

　　混凝土結構的大量應用，消耗了大量的天然砂石資源。占混凝土體積70%以上的砂石骨料要開山采礦，挖掘河床，全國每年建筑用砂石約需50多億噸。以北京市為例，每年建設用砂石就要6400萬噸，其中，僅用于商品混凝土的中、粗砂2002年需求量即為1400萬噸。北京市市政府為了治理大氣污染，改善環(huán)境，已陸續(xù)關停北京市界內(nèi)的全部天然砂石場。而2003年北京建筑開復工面積高達1億平方米，尋求替代資源迫在眉睫。

　　首鋼礦業(yè)公司座落于河北省遷安縣內(nèi)，因該鐵礦品位不高，因而采用以下工藝：采礦→剝巖（廢棄巖石）→破碎→磁選（廢棄磁滑輪碎石）→磨細→磁選（廢棄尾礦砂）→磨細→磁選（廢棄尾礦砂）→精礦粉。廢棄巖石、廢棄磁滑輪碎石占地堆放，目前已堆積10億噸左右，每年廢棄巖石還以5500萬噸、廢棄磁滑輪碎石以134萬噸繼續(xù)排放。二次磨細的廢棄物（尾礦砂）混在一起水送堆壩存放，現(xiàn)已積存2.75億噸，目前還以每年700萬噸的速度繼續(xù)排放。目前，尾礦已造成大量占地，污染環(huán)境。

　　首鋼礦業(yè)公司距北京約200公里，該公司有自備鐵路線與貨場，如利用晉煤東運的空返車皮運砂進京，在京東地區(qū)使用，價格上能與優(yōu)質(zhì)天然砂競爭，同時使用單位還能享受免稅優(yōu)惠，在經(jīng)濟上是合理的。而在技術上是否可行，我們進行了首鋼遷安尾礦在混凝土中的應用研究。

　　二、研究內(nèi)容

　　1、首鋼遷安尾礦砂（處理后）做建筑用砂、原狀廢棄磁滑輪做建筑用石的材性分析研究。

　　2、首鋼遷安尾礦人工砂與天然砂進行商品混凝土同條件對比試驗研究。

　　3、尾礦砂石高密實混凝土應用技術初步研究。

　　4、試點工程應用技術研究。

　　三、試驗結果與分析

　　1、首鋼遷安尾礦砂的礦物組成和化學成份見表一、表二，處理后的尾礦砂做建筑用砂、原狀廢棄磁滑輪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》的國家標準規(guī)定。詳見表三。

　　2、尾礦人工砂與天然砂進行商品混凝土同條件對比試驗研究

　　（1）試驗方法與材料

　　A 試驗方法

　　同時間，同成型與標準養(yǎng)護條件，利用相同水泥、粗骨料、外加劑、粉煤灰等材料和相同摻量配比拌制5個不同水灰比的天然砂和人工砂混凝土，對比混凝土拌合物的塌落度等和易性及混凝土3天、7天、28天抗壓強度。

　　B 試驗材料

　　水   泥： P.O32.5 ;28天抗壓強度為46.8Mpa .

　　石   子：卵碎石   ;公稱粒徑為5~25mm ,針片狀含量：6.0% ;含泥量：0.6% ;泥塊含量：0.3% .

　　外加劑：泊林達外加劑廠，BLD-3泵送劑 .

　　粉煤灰：Ⅱ級 .

　　天然砂：中砂；細度模數(shù)：2.6 ; 含泥量：3.0% ;泥塊含量：1.0% ;堆積密度：1448kg/m³ .

　　首鋼尾礦人工砂： 細度模數(shù)：2.5 ;石粉含量：4.4% ;泥塊含量：0.8% ;堆積密度：1488kg/m³

　　表一 尾礦砂、石的礦物組成

　　表二 尾礦砂的化學成份

　　表三   尾礦砂、石的材性分析（表格略）

　?。?）試驗結果

　　兩種混凝土拌合物的和易性沒有明顯區(qū)別，流動性塌落度值見表四，粘聚性和保水性均為良好。塌落度損失基本相同。

　　TT代表天然砂配制的混凝土，WT代表尾礦人工砂配制的混凝土，抗壓強度結果見表四：

　　表四 和易性與抗壓強度結果

　　（3）試驗結果分析與結論

　　A以同條件對比拌制的尾礦人工砂混凝土其拌合物的和易性基本與天然砂混凝土相同，而尾礦人工砂混凝土抗壓強度高于天然砂混凝土，最高為22%,最低為5%,（見表四）平均抗壓強度高12%.說明使用好尾礦人工砂配制商品混凝土將可以節(jié)約水泥，降低成本。[Page]

　　B用P.O-32.5水泥和尾礦人工砂，可以配制出C10~C55強度等級的商品混凝土，而對比的天然砂只能配制出C10-C50商品混凝土。

　　C尾礦人工砂混凝土與天然砂混凝土早期抗壓強度（3d）相差不多，而隨著時間的延長，尾礦人工砂混凝土的抗壓強度逐步高于天然砂混凝土（見圖1），且不同水灰比的配比試驗結果均如此，規(guī)律非常明顯。這種現(xiàn)象說明尾礦人工砂混凝土長期抗壓強度可能更高于天然砂混凝土，對混凝土的耐久性是有利的。

　　D尾礦人工砂混凝土的單位用水量略高于天然砂混凝土。

　　3、尾礦砂石高密實混凝土應用技術研究

　?。?）技術路線

　　現(xiàn)行混凝土配合比設計方法，特別是在低水灰比情況下，混凝土中的水泥用量大，容易引起混凝土的“富貴病”（體積穩(wěn)定性不好，易開裂），使耐久性降低。從這一點出發(fā)，降低水泥用量和單位用水量，用水膠比代替水灰比作為控制強度的指標是混凝土配合比設計主要方向，也是高密實混凝土所主要解決的問題。本研究主要依據(jù)臺灣科技大學黃兆龍教授骨料致密堆積的技術路線，減少水泥與用水量，同時利用尾礦砂石作為骨料，研究了尾礦砂石高密實混凝土的配制與性能。

　?。?） 試驗原料與方法

　　A、原材料

　　水泥：Po32.5;28天抗壓強度40.6MPa

　　粉煤灰：二級，

　　減水劑：BLD高效泵送劑，減水率20%

　　尾礦砂：表觀密度   2730 kg/m³    堆積密度   1520kg/m³   細度模數(shù) 2.8   石粉含量 4%

　　磁滑輪碎石：表觀密度2780 kg/m³   堆積密度1530kg/m³含泥量0.3%   針片狀含量4%

　　首鋼尾礦人工砂石在混凝土中的應用研究--2

　　B、試驗方法

　　a試驗室配合比試驗

　　首先確定致密堆積參數(shù)α和β， α=粉煤灰/粉煤灰+砂，以堆積密度最大時確定；β=粉煤灰+砂/粉煤灰+砂+石， 以堆積密度最大時確定。然后在不同n值和水膠比下，依據(jù)相關公式設計滿足和易性和強度的配合比。

　　b致密堆積參數(shù)試驗

　　通過試驗，得到最佳的α值是11%;β值是53%.

　　c高密實混凝土實驗室配合比設計見表五，試驗結果見表六

　　表五   試 驗 配 合比（材料單位為kg/m³）

　　表六   試 驗 結果

　?。?）試驗數(shù)據(jù)與分析

　　通過試驗我們可以看出，高密實混凝土配合比具有砂率高，水泥用量低的特點，用水量較天然砂石高密實混凝土高的原因主要是尾礦砂的顆粒形狀棱角多所至。[Page]

　　（4）機理探討

　　A、關于尾礦砂中的石粉

　　對于尾礦砂中含有一定量的石粉，工程界有一定的顧慮，擔心會影響混凝土的強度和變形。通過大量的試驗表明，當亞甲藍試驗MB值不大于1.4時認為粉料主體是石粉，而石粉不同于粘土，可以填充結構空隙，優(yōu)化孔結構，起到微集料效應，且與水泥基材料相容性良好，對混凝土強度是有利的，通過試驗研究證明， MB值不大于1.4,石粉含量不大于7%時， 收縮并無明顯增大。

　　B、關于尾礦砂的和易性

　　尾礦砂由于其生成條件與表面特征，保水性不如天然砂，在配制普通泵送混凝土時應注意避免泌水。由于高密實混凝土配合比中砂率高，有足夠的粉料（粉煤灰、石粉）且用水量較低，有效地克服了尾礦砂保水性差這一缺點。另外由于水泥用量低，坍落度損失得到很好抑制。

　　C、關于高密實混凝土的強度

　　高密實混凝土并沒有因為低水泥用量影響混凝土強度，這主要是由于a結構高密實堆積，孔隙率低。

　　b水泥只起界面粘結作用，不過多填充孔隙，水泥的強度效益得以提高。c粉煤灰的摻加量以填滿空隙為好，避免了過多摻加對早期強度的影響。d低水膠比充分保證了混凝土28天強度。e尾礦砂潔凈、多棱角，機械咬合力高，對強度有利。

　?。? ）試驗結論

　　A、尾礦砂、磁滑輪碎石可以用于配制高性能混凝土；同時高密實混凝土技術可以很好的解決人工砂石混凝土的泌水問題。

　　B、尾礦砂石高密實混凝土可以大幅度降低水泥用量，僅就此單方混凝土較普通商品混凝土降低成本15元以上。

　　C、高密實混凝土設計適合尾礦砂石的特點，在砂石資源日益短缺的形勢下，具有廣闊的推廣價值。

　　4、試點工程應用技術研究

　　2002年11月我們在首鋼遷安礦山破碎站擋墻工程進行工程試驗。該工程設計混凝土強度等級為C25,泵送混凝土施工，泵送高度為18米，施工期日平均溫度低于5℃。

　?。?）試驗用材料

　　水泥品種：普通硅酸鹽水泥（P.O）；強度等級32.5

　　人工砂：同試驗室試驗用尾礦砂

　　磁滑輪碎石：同試驗室試驗用，但連續(xù)級配為5-25mm,石粉含量為1.0

　　粉煤灰：二級

　　防凍高效減水劑：減水率大于20%,粉劑

　?。?）施工工藝

　　加料順序：砂、粉煤灰、水泥（拌和20秒）→石（拌和20秒）→水（拌和60秒）→減水劑（拌和60秒）。

　?。?）配比設計采用了高密實混凝土實驗室配合比設計的第1、2號配比。

　　兩個配合比都屬于低水泥用量，尤其適合大體積混凝土施工，與該工程原用混凝土配比比較，節(jié)約水泥在150kg/每立方米左右，替代天然砂石近2噸，節(jié)省了材料費用。1#配合比和易性很好，試驗室試驗坍落度大于180mm,用于擋墻工程6米以上部位；2#配合比和易性良好，水泥用量更低，尤其適用于大體積工程，用于擋墻工程6米以下厚大部位。

　?。?）試驗結果

　　工程試驗結果見表七

　　表七     工程試驗結果

　　工程現(xiàn)場混凝土和易性均為良好，可泵性好，混凝土表面質(zhì)量優(yōu)良。

　　四、尾礦砂、石的特點與社會、經(jīng)濟效益分析

　　1、尾礦砂、石的特點

　　天然砂石質(zhì)量不穩(wěn)定是目前影響混凝土質(zhì)量的一個重要的問題，而在質(zhì)量保證方面，尾礦砂石有著突出的特點，一是尾礦生產(chǎn)主工藝控制十分嚴格，其原礦成份穩(wěn)定，這就保證了該尾礦砂石的材質(zhì)和質(zhì)量的穩(wěn)定。二是礦山有嚴格的管理和力量很強的化驗室，能有效地控制尾礦砂石的生產(chǎn)質(zhì)量。三是產(chǎn)品集中與產(chǎn)地固定，便于經(jīng)營部門、使用部門和質(zhì)檢部門的監(jiān)督與檢查，甚至索賠，做到有人負責。這些都是目前天然砂石所不具備的。

　　2、社會、經(jīng)濟效益分析

　　（1）近兩年，礦山由于主業(yè)調(diào)整，有一部分職工面臨下崗，通過尾礦利用，可以安排職工轉(zhuǎn)產(chǎn)，目前，已安排職工85人。穩(wěn)定了改革的大局。

　?。?）在加強國土整治，合理利用土地資源、礦產(chǎn)資源方面意義重大。

　?。?）減少了尾礦排放量，減輕了對環(huán)境的污染，為保護灤河水質(zhì)做出了貢獻，環(huán)境效益明顯。

　?。?）礦業(yè)公司方面的經(jīng)濟效益，以年產(chǎn)100萬噸尾礦砂石測算，減少尾礦排放量100萬噸，從而降低管道磨損，降低電耗、降低備件消耗，每年節(jié)省尾礦運輸費用100萬元。每年少占用尾礦庫容量70萬立方米，減少了占地，延長尾礦庫使用年限，估算節(jié)資90萬元。合計190萬元。

　?。?）從遷安運砂至北京，尾礦砂價格現(xiàn)在基本與天然砂持平，具備了規(guī)模應用的條件。今后隨著天然砂價格的繼續(xù)提高，必將體現(xiàn)出價格優(yōu)勢。

　?。?）使用單位的經(jīng)濟效益，以對比混凝土配合比分析，其水泥用量為445Kg,僅節(jié)約水泥一項每方就達150 Kg以上，即可降低成本45元以上，再加上尾礦砂石比遷安地區(qū)外購天然砂石每方節(jié)約成本4元左右，考慮到混凝土外加劑等其它因素，總計單方混凝土成本可降低40元以上。

　　若與商品混凝土攪拌站相比，C20-C40高密實混凝土成本可以降低15元以上，以使用100萬噸尾礦砂石計算，可配制混凝土53萬立方米，降低成本795萬元。按國家對資源綜合利用的稅收政策，使用采礦廢石、選礦尾礦達到30%的企業(yè)，還可以享受免收增值稅的優(yōu)惠政策，效益更加明顯。

　　年生產(chǎn)使用100萬噸尾礦砂石，總計經(jīng)濟效益為985萬元，目前首鋼礦業(yè)公司具有每年生產(chǎn)300萬噸尾礦砂石的能力，若全部利用，經(jīng)濟效益可達2995萬元，效益顯著。

　　參考文獻：

　　⑴ 黃兆龍，《混凝土性質(zhì)與行為》，2001, 詹氏書局

　?、?遲培云等，《現(xiàn)代混凝土技術》 2002, 同濟大學出版社