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铁尾矿粉制备再生混凝土的可行性研究

发表时间：2021/8/10 来源：《建筑科技》2021年9月上作者：马华鸿孙畅李阳罗跃进熊颖涛

[导读] 铁尾矿作为一种工业废渣，是经过选矿之后形成的品位较低的以硅酸盐矿物为主的废渣

辽宁科技大学辽宁马华鸿孙畅李阳罗跃进熊颖涛鞍山 114000

        0 引言
        铁尾矿作为一种工业废渣，是经过选矿之后形成的品位较低的以硅酸盐矿物为主的废渣[1]。随着社会的快速发展，对钢材的需求也越多，对铁矿石的开采也越多，这就造成了大量的铁尾矿被矿山丢弃。铁尾矿主要以尾矿库的形式进行堆存，铁尾矿丢弃和填埋的处理方式对自然生态有严重的危害，传统的处理方式会导致处理地点周围的水资源受到污染，致使大量的土地资源无法被利用，造成了巨大的环境压力和资源的浪费[2]。尾矿库周围山体环境容易发生塌方和泥石流，这些地点缺少安全处理，安全隐患大。如果发生地质灾害，将造成不可挽回的重大损失。绿水青山就是金山银山，钢铁行业要想继续又好又快地发展，就必须积极的解决尾矿处理问题。因此，进行铁尾矿的资源化综合利用是目前行业发展的迫切问题[3]。
        由于我国开始对铁尾矿的研究较晚，导致被丢弃的铁尾矿规模非常大，浸水后碎散成细泥的现象尤为普遍，其中主要是赤铁矿尾矿和磁铁矿尾矿。铁尾矿组成矿物以石英、氧化铝和铁的氧化物为主，具有较高的活性潜力[4]。铁尾矿按照构成因素可以分为高铝、高硅、低钙镁铝硅、高钙镁和多金属。铁尾矿的种类不同处理的方法也应不同。随着我国进入发展的快车道对资源的需求大幅提高，由于高品质矿产越开采越少，为了资源的合理利用低品质的矿产被大面积开采。低品质矿产投入产出率低，同时伴随大量铁尾矿的生成。近年来，我国矿产资源开采过程中对共生、伴生矿进综合利用和合理开发取得了很大进展，矿产资源回收率和综合利用率也在不断提高。选矿工艺的改进使铁尾矿粒径逐渐精细化也为铁尾矿作为活性掺合料提供了可能性。
        1 铁尾矿综合利用研究现状
        目前已有诸多学者对铁尾矿的开发利用进行了开发研究，主要可分为以下几方面：1、用作为填充材料，将铁尾矿粉作为填充料，直接进行地下填充，操作简单，成本低，填充料损耗较少，铁尾矿的回收率明显提升；2、对铁尾矿中所含有价元素回收利用，将铁尾矿中的矿物与金属物质分离出来通过物理或机械加工的方法提取出稀有成分与重要矿物再度利用；3、改良土壤，铁尾矿中含有的Zn、Mn、Cu、Al、P等微量元素对植物的生长发育非常关键，用铁尾矿改良土壤，可以使耕地更适宜农作物的生长；4、铁尾矿用作复垦植被，在回收的铁尾矿矿场上栽植植被，可以减少土地的表层侵蚀，还可以防止矿渣的风污染；5、制备建筑材料，氧化铝、氧化硅、氧化钙与氧化镁广泛存在于铁尾矿中，这些氧化物使它的矿物组成与天然砂类似，与其他物质发生反应生成的砖和陶瓷成品可用于建筑行业。
        21世纪以来，我国混凝土行业进入快速发展阶段，主要用砂或粉煤灰作掺合料生产混凝土，近年来的研究发现，铁尾矿用作混凝土掺合料时，产品在和易性、力学强度和耐久性等方面均有较好的表现。当前铁尾矿微粉作为低活性矿物掺合料应用到混凝土中，主要研究集中于混凝土和易性及强度方面。研究发现，机械力粉磨可使铁尾矿活性增强，其主要原因是铁尾矿颗粒尺寸迅速减小，机械能将颗粒晶体结构破坏，使铁尾矿微粉活性增高[5]。经过研磨成粉末的铁尾矿微粉与其他活性掺合料（如粉煤灰、矿渣粉）复掺对水泥混凝土强度和耐久性均有不同程度的影响[6]。
        2 铁尾矿制备再生混凝土的性能检测
        2.1原材料
        1、铁尾矿粉性能
        铁尾矿粉选自辽宁本溪歪头山尾矿和龙新尾矿，根据激光粒度分析仪及成分分析测试结果得到铁尾矿粉化学组成成分见表1、粒径分布见图2。铁尾矿由于产地和加工工艺不同，矿物组成和化学组成有一定差别，其成分主要为硅、铁、铝、镁、钙等氧化物，另有少量钾、钠、硫、钛、磷等氧化物。由于铁尾矿中硅、铁、铝的含量较高，与大多数胶凝材料的组成相似，为铁尾矿用作混凝土掺合料提供了条件[7]。由粒度分析结果可见，歪头山尾矿粉体积平均粒径为180.0μm，龙新尾矿粉体积平均粒径为31.58μm。歪头山尾矿颗粒较粗且粒度分布集中，龙新尾矿颗粒较细，粒度范围跨度较大。

         2、水泥
        普通硅酸盐水泥P.O. 42.5
        3、细集料
        细集料采用天然河沙，属中砂，主要的技术指标均满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准(JGJ52-2006)》相关标准要求
        4、粗骨料
        粗骨料为5-25mm连续颗粒级配的碎石，性能指标见表2。
        表2 普通骨料性能指标

           2.3 铁尾矿粉对抗压强度的影响
        为研究铁尾矿粉对再生混凝土抗压强度的影响，采用控制变量法以矿粉掺量为变量设置混凝土配比，试验分组及结果见表3。
        表3矿粉掺量对混凝土抗压强度的影响

        矿粉掺量再生砖骨料掺量水灰比设计孔隙率 7d抗压强度/MPa 28d抗压强度/MPa
        0 20% 0.25 20% 31 49
        10% 20% 0.25 20% 28 39
        20% 20% 0.25 20% 26 36
        30% 20% 0.25 20% 23 34
        40% 20% 0.25 20% 21 27
        试验结果可见，在标准养护条件下，随着标准养护时间的增加，掺入铁尾矿粉的再生混凝土强度都呈现增长的趋势；在相同的标准养护时间下，随着铁尾矿微粉掺量的增加，混凝土强度呈下降趋势，矿粉的增加使混凝土早期强度的增长速度加快，早期强度随矿粉掺量增加而降低的程度较弱，掺入矿粉使后期强度增长幅度较小。铁尾矿微粉可以通过堆积和填充作用改善混凝土微结构而提高混凝土密实度，而未经处理的铁尾矿粉参与二次水化反应的程度较低，对后期强度增长贡献较小。
        3 结论
        将铁尾矿粉作为混凝土掺合料不仅可以缓解了铁尾矿堆存的压力，还可促进混凝土产业的高速发展。铁尾矿粉作为掺合料应用于再生混凝土的制备，在一定程度上降低了混凝土的强度，混凝土抗压强度随矿粉掺量的增加呈线性下降的趋势，但掺入量控制在30%以内，混凝土强度降低幅度仍可达到强度要求。铁尾矿粉由于自身不具备活性，参与二次水化反应较少，后续研究可对铁尾矿粉进行预处理，采用机械、化学活化等方式提高矿粉活性，使其更好应用于混凝土等建筑材料中。
参考文献
[1]南宁，周春生，范新会，等．铁尾矿表面改性研究［J］．当代化工，2019，48（11）：2477－2480．
[2] 张杰西，赵斌，房彬．我国铁尾矿排放现状及综合利用研究［J］．再生资源与循环经济，2015，8（9）：29－32＋44．
[3] 田尔布,康海鑫,连跃宗.铁尾矿微粉混凝土的力学性能分析[J].三明学院学报,2021,38(03):106-112.
[4] 牟文宁，辛海霞，雷雪飞，等．表面改性对铁尾矿基复合材料吸水性能的影响［J］．矿冶工程，2018，38（4）：139－1438．
[5]李萌，周庆立，白丽梅，等．机械力化学效应提高铁尾矿活性实验研究［J］．矿产综合利用，2021（1）：179－185．
[6] 周泉.铁尾矿微粉胶凝特性及其混凝土制备研究［D］．福州：福州大学，2017．
[7] 陈泽鑫,姜克冰,库建刚.铁尾矿对混凝土性能的影响研究现状及展望[J].化工矿物与加工,2020,49(10):36-39.
基金项目：辽宁省科学技术计划项目（2020JH1/10300005）；辽宁科技大学大学生创新创业训练计划项目。