（矿业工程专业论文）板石矿业废渣混凝土空心砌块的技术研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 板石矿业废渣混凝土空心砌块的技术研究 摘要 论文选取通化钢铁集团板石矿业公司的矿业废渣为研究对象，以综合利用 板石矿业废渣牛产混凝土砌块为出发点，采用理论分析、试验研究及技术经济 分析相结合的研究路线，利用现代测试手段和分析方法，分析尾矿和干选废石 用作生产混凝土砌块原料的可行性：试验研究了尾矿和干选废石掺最及尺寸效 应对混凝土物理、力学性能的影响。 论文首先利用统计学理论中的f 交试验方法进行矿业废渣混凝土的配合比 的试验研究，然后用方差分析及其它方法研究确定的矿业废渣混凝土的优化配 合，并根据该优化配合比设计配制矿业废渣混凝上，按照困家规范要求对其各 种力学和耐久性性能进行研究。研究结果表明：板石矿业公司的选矿废石及尾 矿砂，作为生产混凝土及混凝上小型空心砌块的粗、细骨料技术上是可行的， 优化配合比为：c 2 0 ：( 水泥：尾矿砂：废彳彳= 1 0 ：3 4 ：5 6 ) ；c 3 0 ：( 水泥：尾矿砂： 废石= 1 1 ：3 4 ：5 5 ) ；其中：水泥为4 2 5 强度等缴、水灰比为o ，7 ；制成的混 凝土各项性能均满足困家规范要求。 对矿业废渣混凝土砌块生产项目进行了工艺技术研究和经济指标分析，对 项目的生j “：线方案和投资同收期，投资利润率和收益率等经济技术指标研究结 果表明：投资建设矿业废渣混凝上小，咀空心砌块生产线方案技术可行、 _ 艺可 靠、经济合理，1 i 仅具有很高的经济、社会效益，并具有较强的抗风险能力。 综合利用板石矿业废渣生产混凝十小型空心砌块，利废节能，治污排患， 符合国家姿源综合利用的政策，产品市场前景广阔，为促进板石矿业经济增长 方式的转变，实现资源的优化配置和矿业可持续发展丌辟_ r 一条新途径。 关键词：矿业废渣混凝土砌块资源综合利用最优配合比技术经济分析 卷北大学硕士学位论文a b s t r a c t t e c h n i c a ls t u d yo nt h ec o n c r e t eh o l l o wb l o c k s w i t ht h ew a s t eo fb a n s h im i n i n gc o m p a n y a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , i ti sf o c u s e do nt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no ft h et a i l i n g st o p r o d u c ec o n c r e t eh o l l o wb l o c k s ，b yc h o o s i n gt h ew a s t ea n dd r ys p r a r a t e dl o w - g r a d e p a r t i c l e sd e r i v e df r o mb a n s h im i n i n gc o m p a n ya st h em a i nr a wm a t e r i a la n d c o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s b yi n v e s t i g a t i n gi t s c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sw i t ha d v a n c e dt e s t i n gm e a n sa n d a n a l y z i n gm e t h o d s ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ew a s t ea n dd r ys p r a r a t e dl o w g r a d ep a r t i c l e s u s e da st h er a wm a t e r i a lt op r o d u c ec o n c r e t eb l o c k si ss t u d i e d t h ee f f e c t so fm i n i n g s l a g sm i x i n ga m o u n ta n ds i z eo f f e e to nt h ep e r f o r m a n c e so fc o n c r e t eb l o c ka n dt h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s i nt h i sr e s e a r c h ，m u c hw o r kh a sb e e nd o n et oc o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no ft h et a i l i n g sc o n c r e t e f i r s t l y , w i t ht h em e t h o do fo r t h o g o n a l i t yt e s ti n s t a t i s t i c s ，t h em i x i n gr a t i oo ft h em i n i n gs l a gc o n c r e t ei si n v e s t i g a t e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s s e c o n d l y , b yr e s o r t i n gt ot h ea n a l y t i c a lm e t h o d si ns t a t i s t i c s ，s u c ha s t h ed e v i a t i o na n a l y s i sa n ds oo n ，t h eo p t i m a lm i x i n gr a t i oi sd e t e r m i n e d t h e c o n c r e t e sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c em a dd u r a b i l i t ya r et e s t e da n da n a l y z e di n a c c o r d a n c ew i t ht h en a t i o n a lr e g u l a t i o n si nc h i n a t h eo p t i m a lm i x i n gr a t i oi s ： c 2 0 ：( c e m e n t ：w a s t e ：m u l l o c k = 1 0 ：3 6 ：5 4 ) ，c 3 0 ：( c e m e n t ：w a s t e ：m u l l o c k = 1 l ：3 6 ：5 3 1 t e c h n i c a la n de c o n o m i c a la n a l y s i so nt h ep r o d u c t i o no fc o n c r e t eh o l l o wb l o c k s w i t ht h et a i l i n g sa st h em a i nr a wm a t e r i a li sd i d t h er e s u l ts h o w st h a t ：t h ep r o j e c t p o s s e s s e dh i g hi n c o m e r a t i oa n dp r o f i t m a k i n ga b i l i t y ，a n dw a sl o wi nt h ep r o d u c t c o s t s ，a n dc o n s i d e r a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sw o u l db eo b t a i n e d i ti s f o u n d e dt h a tp r o d u c i n gc o n c r e t eh o l l o wb l o c k sw i t ht h et a i l i n g sa st h em a i nr a w l l l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a t e r i a lb ym e a n so fa d v a n c e dc o m p l e t ea u t o m a t i z e dc o n c r e t eh o l l o wb l o c k p r o d u c i n gl i n ei sf e a s i b l ei nt e c h n i q u ea n dr e a s o n a b l ei ne c o n o m y ，a n dw o u l ds o l v e t h eb o t t l e n e c kp r o b l e mt h a tr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fb u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r y t h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no ft a i l i n g sw a sb e n e f i c i a lt oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， a c c o r d e dw i t ht h en a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n tc o n t i n u a l l ys t r a t e g ya n d h a d p r o f o u n dp r a c t i c a lo ri m m e d i a t es i g n i f i c a n c e s k e yw o r d s ：t a i l i n g s ，c o n c r e t eh o l l o wb l o c k c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f r e s o u r c e s o p t i m a lm i x i n gr a t i o ，t e c h n i c a la n de c o n o m i c a la n a l y s i s 东北大学硕士论文声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：桫z 隆 日 期：一s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：抛 日飙 刈，、； 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 学位论文作者签名：o 彦毛专 签字日期2 6 7 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 概述 在当今世界经济、社会发展面临的三大问题( 人几、资源、环境) 中，矿业废 渣就与其中的两项有关。冈此，综合利用矿业废渣资源，使之变废为。缸、变害为 利，对于节约资源，改善环境，提高效益，促进经济增长方式的转变，实现矿产 资源的优化配置和矿业可持续发展，具有十分逗要的作用【1 1 。 我国是个矿业资源大国，据1 i 完全统计，我国金属矿【| 积存的尾矿总量在4 0 亿吨以上，并以每年1 1 亿吨的速度递增。尾矿排放物不仪i 与用了大量的土地， 还污染了环境，尾矿坝也险况常现。另据我国4 0 0 多个尾矿库统计，排放的尾矿 直接污染土地上百万亩，问接污染上千万亩。故如何综合利用这些尾矿资源，保 护好我国的环境成为了亟待解决的问题。由于尾矿是一种复合矿物原料资源，其 化学成分主要以f e ，s i ，m g ，c a ，a i 的氧化物为主，细度已达0 5 m m 以下，小丁 0 0 7 4 m m 的占4 0 以卜，与建筑材料领域所用原料十分接近，是一种已经加t 成 细粒的天然混合材料。正是山于尾矿的颗粒微细和多组分混合的特性，所以在建 材领域利用尾矿比其它领域利用其提纯有用矿物具有更多的优点。铁尾矿的综合 利片 ，可以大量利用铁尾矿资源，变废为宝，而且可以大量节省水泥、粘土和砂 等宝贵资源。制成的混凝十制品j 。大量应用于道路面层、制成墙体材料，市场前 景非常广阔。 尾矿的堆置处理不但占用耕地，造成环境污染，而且如果没计不当，尾矿坝 坍塌还会造成人员伤亡，同时尾矿输送排放需要大量机械设备和电力设施，据报 导”1 ，每输送1 吨尾矿要耗资2 3 元人民币；每处理1 吨原矿需要1 1 1 4 吨水。 目前，山于地球资源短缺，世界各国都把尾矿当作二次资源对待【3 1 ，综合利用领 域广阔。除从尾矿中提取有用组份外，还将尾矿用于矿井充填料，在农业巾用作 改善土壤或直接用于交通、上木工程中，同时也用j i 建材领域，作为原料，上“各 种建筑材料等。片j 矿业固体废料作为工业生产的原材判，发展节地、节能、节材、 环保、利废的新型i + 业产品，无疑将对我幽的。r j 持续发展广+ 生重大而深远的影响。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 建筑业是我国国民经济的支柱产：业，“十血”期间我幽住宅建设规划指标为5 7 亿m 2 。据统计资料，上世纪9 0 年代，发达田家人均住房面积为4 8 6 m 2 ；其中美圈 6 0m 2 ，英1 虱3 8 m 2 ，德国3 8 m 2 ，法l 矗1 3 7 m 2 ，同本3 1m 2 ；中等收入国家2 0 1 m 2 ；低 收入国家8 m 2 。截1 卜= 2 0 0 0 年底围内人均住房面积为2 0 4 m 2 ，刚好处于中等收入国家 人均水平上。世界各国的经验表明：在人均住房面积达到3 0 一3 5 m 2 之静，会保持比 较旺盛的住房需求。 2 1 世纪的中国，呼唤城市化。据我国“十五”发展规划，城市化将成为经济 发展的重要动力源，这也是伞世界工业化国家经济发展进程中不可逆转的规律。 因此，我困住宅建设在本世纪将有一个从量到质的大发展，要求建筑业必须打破 常规，在建材领域从原料、产品质量到规格和数量上，符合国家可持续发展战略， 开发出全新产品。 国家规定从2 0 0 0 年6 月3 0 r 起，沿海城市和其它七地资源稀缺的城市，禁止使 用实心粘土砖，并限制其他粘土制品的生产和使用。在围家产业政策的引导下， 近年来加大了利用各种工业废渣作为墙体材料原料的研究，积极探索制造承重和 非承重墙体材料的试验及其产、l k 化，相继出现了以煤矸石、粉煤狄、页岩、千枚 岩、闪长岩、各类矿渣、生活垃圾等作原料，制造出全“废渣”或废渣掺量超过 3 0 的各类烧结型或胶结型墙体材料，它有效地弥补了由于禁】 = 使用粘士制砖所 产牛的供需缺口，极大地支援了国家建筑业的可持续发展。 我国城乡房屋建筑所使用的墙体材料，同| j 9 0 仍是传统的烧结实心粘土砖， 它不仅毁坏农田、占用耕地，而且要消耗大量能源。据1 9 9 8 年统计数据表明，我 困粘土砖年产量已达4 0 0 0 亿块以上，每年毁坏农丌1 7 万卣以卜，冈烧粘土砖所消耗 能源折合成标准煤约为4 0 0 0 万吨，因此，国家采取政策措施，鼓励”发新型墙体 材料，逐步限制以至禁j ：使用粘土砖，以保护上地和节省能源。1 9 9 9 年1 2 月，困 家建设部、经贸委、质量技术监督局、建材局联合下发了关丁二在住宅建设中淘 汰落后产品的通知( 建住房 1 9 9 9 ) 2 9 5 号) 。通知要求“自2 0 0 0 年6 月1 同起， 各直辖市、沿海地区的大中城市和人均占有耕地面积不足0 8 亩的大中城市的新 建住宅，应根据当地实际情况，逐步限时禁i l ：使用实心粘土砖，限时截止期限为 2 0 0 3 年6 月3 1h ”。通知还要求要加大新型墙体材料的研究丌发力度，各地征 收的新型墙体材料专项基金要用于新型墙体材料的研究丌发和推r 应用，对积极 使用新型墙体材料的丌发企业、设计单位、施工企业给r 相应的奖励。可见，新 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 型墙体材料替代粘土砖已是必然的发展趋势。 1 2 国内外矿业废渣综合利用情况 当前，随着地球资源的不断减少和人们环境意识的增强，世界各国都十分重 视对尾矿的综合利用。尤其是工业发达罔家，他们投入大量人力物力广泛丌腰对 尾矿的综合利用，并把利用程度作为衡量科学技术水平和经济发达程度的标志”。 各工业化国家把无废料矿山作为矿山丌发目标1 ，广泛丌展对尾矿的综合利用研 究，尤其是在利用尾矿研制生产建筑材料方面取得很人成果。俄罗斯、美国、几 本和加拿大等国最为突出。 1 2 1 国外利用矿业废渣研制生产建材的现状 对于矿业废渣建筑材料的丌发研究，国外起步较早。 早在6 0 年代，前苏联己丌始利用尾矿研制生产建筑材料，现俄罗斯选矿厂 尾矿用作建筑材料约占6 0 ”1 ，现己用尾矿制造建筑微晶玻璃、耐化学腐蚀玻璃 等制品。，同时研制生产各种矿物胶凝材料和墙体材料，俄罗斯克甲- 沃罗格铁矿 将尾矿中粗级别颗粒( 1 4 m m ) 用作重混凝士的骨料，并用丁生产粘土一硅酸盐渣 砖等；小丁1 4 m m 的尾矿可适当代替天然砂，作密实的硅酸盐、蒸压和非蒸压硅 中的充填剂以及制备混凝土时代替部份水泥等1 。 俄罗斯最大的铁矿基地之一库尔斯克磁力异常区“，对尾矿进行了合理利用， 其利用率达1 5 左右，矿区建起了水泥j 和硅酸盐玻璃厂等，取得了较好经济效 益；高加索矿物研究所，用尾矿生产硅酸鼎砌墙材料、蒸压硬化饰面材料和沥青 混凝土等，并列出了以铁矿石生产中产生的废料为基础的新企业与原有建材企业 的主要技术经济指标比较，从中可看出：充分利用尾矿作为生产各种建材产品的 原料是经济和合理的。 俄罗斯科大多尔和卡齐纳尔采选公司对低品位铁矿石选矿尾矿进行研究表 明：尾矿中含有大量硅酸镁类矿物( 镁橄榄石和辉石) ，而且尾矿中含有不同粒级 的超基性成份，经过深入研究发现，利用这些尾矿采用不同的生产工艺，除生产 矿物性胶凝物质外，还可以生产蒸压材料、饰而陶瓷、混凝十和掺合料等，其中 尤以生产矿物件胶凝材料物质最有代表性“。显微镜下对矿物性胶凝物质研究表 明：在正常硬化条件下辉岩的水化活性较弱，7 天后辉岩样的抗压强度o 1 5 m p a ， 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 加入2 5 石灰为1 2 m p a ，2 8 天厉为5 0 m p a ；通过大量实验证明，硅酸镁具有胶 凝性质，而这些性质又与化学一矿物学成份、存在的杂质及其形成条件有关，在 不同情况下它们的化学一矿物学成份均有较大变化，对产品的性能有不同程度的 影向，其中尤以添加剂和矿物杂质的影响最为显著，基 i 这些研究，为充分利用 铁矿尾矿生产多种混合胶凝物质奠定了基础。目前，俄罗斯研制的混合胶凝物质 的特。 是，充分利用含有硅酸镁的尾矿进行生产制备，生产中加入石狄和水泥作 活性添加剂，加入石灰可得到石扶一橄榄石水泥或石：j 一辉岩水泥，其尾矿利用 率可达7 5 左右，通过对水泥的物化性能及耐久性测定，各项指标达到了要求， 工程应用中己使用这种水泥生产配筋建筑砌块。生，。工艺简单，有较好的技术经 济效益。 与俄罗斯相比，加拿大利用尾矿研制生产建筑材料方面【乜积累了一定经验， 尤其足在利用铁尾矿研制墙体材料方面最具特色，c o l l i n g s r k 等人”3 曾研究用 铁尾矿与石灰按一定比例混合制成千压灰砂砖，应用效果良好。加拿大魁北克矿 1 i 将尾矿磨细至7 4 p r o ，并添加1 的木质磺酸钙作粘结剂，加压成型后在高温下 制成硅砖，达到了预期的效果。 美国矿业生产的废料有2 3 0 亿吨，除从废石中凹收萤石、长石和石英等用于 其它工业部门外，目前，绝大部份用作混凝土骨料、地基及沥青路面材料。1 ，同 时也有人利用铁隧岩的尾矿制成密度可予控制的轻质砖”。，从而为尾矿在轻质建 材方面的利用找到了一条途径。 r 本y a g i 和s e i c h i 等“将尾矿与1 0 硅藻十混合成型，并在1 1 5 0 。c 煅烧，研 制出轻质骨料，其密度为1 7 7 9 c m 3 ，抗压强度8 3 3 m p a 。乌克兰b l 穆辛”3 对含 铁石英岩的选别尾矿进行了研究，所做的各项研究工作以及在牛产中实施所取得 的研究结果表明：含铁石英石的选别尾矿可按以f 方式加以利用： o 1 4 m m 粒级 尾矿用作重混凝土建筑砂料， 0 0 4 m m 粒级尾矿用来生产气孔玻璃和泡沫玻璃， 一0 1 4 + 0 0 4 m m 粒级尾矿用来制各胶结充填料的混合粘接组份及生产泡沫混凝土 等。由于尾矿的物理化学性质与传统| e 匀建筑材料是不同的，通过尾矿人量的分析 测试为其作为原料生产建筑材料提供了科学依据。 从国际方面看，虽然各国的应用方向和利用程度各不相同，但都对矿业废渣 的丌发利用十分重视。 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 2 2 国内矿业废渣的综合利用情况 我围对尾旷的丌发和利用也非常重视，存国家计委和国家科委制定的“中国 2 l 卅纪议程”中“，已将尾矿的丌发和利片j ，作为今后支持发展的内容之。近 几十年柬，我幽在尾矿研制和应用方面取得了一批重要成果，卜要集中于以下几 方面：利用尾矿d - h 二墙体材料；利用尾矿_ ：j “水泥；利用尾矿生产玻璃与玻璃质 制品：利用尾面r 生产建筑陶瓷制品；利用尾矿制作无机人造大理石：利用尾矿牛 产俐火劓料；用作混凝土粗细骨料和建筑用砂；用于铺筑路摹、摹础挚层材料和 路面沥青掺混料等。 目前我国墙体材料( 9 0 以上为粘十砖) 生j 。能耗和建筑采暖能耗约占全园总 能耗的15 ，每年烧砖毁田在6 7 0 0 万m 2 以上，这与我罔社会和经济的可持续发 展极不相称，国家计委和科委等制定的“中国2 l 卅纪议稃”将尾矿利用作为今 后发展的主要内容之。f = f 酣，我日铁矿尾矿的利用集中存以下几个方面： ( 1 1 用于研制生产水泥； ( 2 1 用于生产建筑玻璃及微品玻璃： ( 3 ) 用于生产建筑陶瓷； ( 4 ) 用于研制生产墙体材料，如蒸养砖、烧结砖以及而砖等； ( 5 1 用作道路捌料。 鞍钢矿山公司大孤山选矿厂自1 9 7 9 年就7 1 。始利用尾矿为丰要原料进行尾矿 蒸养砖的试验研究，陔砖对原料有一定要求，其主要原料以含铁尾矿为主，加 入适量的c a o 活性材料，经一定的工艺制得，经反复研究试验，达到了国家规定 的蒸养灰砂砖标准。尾矿蒸养砖的反应机理是：尾矿粉、生右扶、水混合搅拌后， 生石扶遇水消解成c a ( o h ) 2 ，砖在蒸压处理时，c a ( o h ) 2 在r i 2 f ( g k g c m 2 ) 饱和水 蒸汽条件下与s i 0 2 进行硬化反应，牛成含水科酸钙即硬硅酸钙石及透闪石，使砖 产生强度。该尾砂蒸养砖的上要技术参数是：抗压强度1 4 7 1 2 9 4 1 m p a ，抗折强 度3 0 4 5 7 9 m p a ，容重1 9 3 4 2 0 0 0 k g m 3 , 抗址性、耐久性等均符合要求。 厂r 南工业人学章庆和等人“也肘尾矿进行了蒸养砖的研究，试验土要采r 常 压燕养崮结的方法，并对尾矿的机理、_ 艺流程等进行了研究孩尾矿是铁矿石 经还原焙烧雨磁选后的废齐物，其化学组成为s i 0 25 27 4 ，c a 0 218 ，m g o 0 1 6 ，a 1 2 0 31 7 ，粒度较细，砖的反啦机理为：由十改尾矿是铁矿石经过还 原焙烧后再磁选的产物，尾矿r r _ 含有一定母活性s i 0 2 和活性a 1 2 0 3 ，在蒸养条件 原焙烧后再磁选的产物，尾矿r r _ 含有一定母活性s i 0 2 和活性a 1 2 0 3 ，在蒸养条件 东北大学硕士学位论文第一章绪论 下，可进行一定反应，生成一系列的水化产物，使制品固结并具有良好的物理化 学性能，试验采用了一次回归正交试验，并通过计算机处理对其配方进行了优化， 最后得到的最佳配方是：在尾矿中添加改性胶结剂1 4 1 6 ，尘石：f m l i ) 的质量。 试验用仪器殴备：天平、吊篮、盛水容器、烘箱、试验筛、温度计、带盖 容器、浅盘等。 试样制备要求筛去5 r a m 以下的颗粒。 试验结果与评定按下式i t 算： p ：( ! l 一一口，) 1 0 0 0 ( 2 9 ) m 0 + 川i 一珊2 式中：m 。一试样的烘干质量( g ) ；川一吊篮在水中的质量( g ) ；m ：一吊篮及试样 在水中的质量( g ) ；口，一考虑称量时的水温对表观密度影响的修正系数( 见表 2 9 、。 试验数据处理： m o2 9 7 1 8 ( g ) m 1 = 1 1 3 9 1 ( g ) m 2 2 1 7 8 6 ( g ) 所以，干选废石的表观密度为： 州丽暑告而q)x1000=(筹_o002)x1000=2989(kgm97181 1 3 911 7 8 63 2 49 3 )。、 +一 h 表2 9 不同水温下碎石的表观密度温度修正系数【2 6 】 t a b 29 a p p a r e n td e n s i t yt e m p e r a t u r ec o r r e c t i o nf a c t o ro ft h es c r e e 水温( o c )1 51 61 71 81 92 0 a 1 0 0 0 20 0 0 30 0 0 30 0 0 40 0 0 40 0 0 5 水温( o c ) 2 l2 22 32 42 5 a 【 0 0 0 50 0 0 60 0 0 60 0 0 70 0 0 8 2 3 7 干选废石的空隙率 碎石或卵石的空隙率( v ，) 按下式计算： 2 0 东北大学硕士学位论文第二章板石矿业废渣的性质研究 v ，= fl 一旦1 1 0 0 ( 2 1 0 ) 式中：p ，一碎石或卵石的堆积密度( k g m 3 ) ； p 一碎石或卵石的表观密度( k g m 3 ) 。 干选废石的空隙率为： 驴( ，一昝，o o = ( t 一器) l o s 。 综上所述，将试验用干选废杆的各项性能指标列表如下： 表21 0 干选废石性能检测表 t a b l e2 10t h ep e r f o r m a n c em e a s u r e so ft h ed r ys e p a r a t e dw a s t er o c k 2 4 水泥性质的研究 水泥，是指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空，e 和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料”。1 1 、“”1 。 对水泥的分类通常有两种：按组成分类和按用途及性能分类。 一般按组成分为六类：硅酸盐水泥系列、铝酸盐水泥系列、硫铝酸盐水泥 系列、铁铝酸盐水泥系列、氟铝酸盐水泥系列和其它水泥系列。 硅酸盐水泥是指由硅酸盐水泥熟料、o 5 石灰石或粒化高炉矿渣、适量石 膏磨细制成的水硬性胶凝材料。 硅酸盐水泥熟料是多种矿物所组成的集合体，也是水泥发生水化反应和j “ 生强度的丰要成分。熟料中主要矿物组成为：硅酸二钙( 3 c a o s i 0 2 ，缩写为 c 3 s ) ：它是硅酸盐水泥熟制中的主要矿物，其含量通常在5 0 以上。c 3 s 加水 东北大学硕士学位论文 第二章板石矿业废渣的性质研究 后水化速度很快，水化热很大，水化物早期强度很高，为硅酸盐水泥早期强度 的来源。硅酸i 钙是在常温下存在的介稳的高温性矿物，其结构不稳定。硅酸 二钙结构中，若进入了a 1 3 + 和m 9 2 + 粒子，并形成固溶体，固溶程度越高，则活 性越大。 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ，缩写为c 2 s ) ：在水泥熟料中主要是1 3 - c 2 s ，也是硅 酸盐水泥的主要矿物。含量通常在2 0 左右。c 2 s 加水后水化速度很慢，水化 热很小，水化物早期强度低，但在2 8 天以后，如果保持足够水分，其强度则显 著增长，可保证水泥的后期强度。在水泥熟料的实际生产中，通常采用急冷的 方法，所以硅酸二钙以1 3 - c 2 s 的形式存存的，它也是在常温下存在的介稳的高 温性矿物，结构上存在热力学不稳定。件。其中的c 矿具有1 i 规j j l | j 配位，故其具 有较高的活性，但1 3 - c 2 s 结构中不具有c 3 s 结构中的大尺寸“空穴”，导致其水 化速度较慢。 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ，缩写为( c 3 a ) ：在水泥熟料中含量一般为7 一1 5 ， 加水后水化速度极快，并能促进c 3 s 和其他矿物的水化，水化热很大并主要在 早期放出，但是水化产物强度很低。在c 弧品体结构中，钙离子也具有不规则 配位，并具有变形的 a 1 0 4 r ，同时结构具有较大的“空穴”，使c 3 a 活性较大， 水化速度较高。 铁铝酸四钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 3 0 4 ) ，缩写为( c 4 a f ) ：含量为1 0 一1 8 ，加水 后水化速度仅次于c 3 a ，水化热小，且主要在水化后期放出，水化生成物强度 很低。铁铝酸【r q 钙和铝酸i 钙熔点较低，在水泥的熔化过程中一度牛成液相， 使硅酸三钙能够生成，故成为熔剂性矿物。在水泥中，铁锚酸四钙往往彳i 是纯 粹的化合物，而是固溶体的个成分，在锅原子取代铁原子时引起品格稳定性 的降低。 以上这四种矿物决定了硅酸盐水泥的各项性质，它们在水泥熟料中含量达 9 5 一9 6 ，其中硅酸盐占7 5 一8 2 ，溶剂性矿物占1 8 一2 5 ，它们的组成不同， 水泥的性质就会相应的不刊。例如提高熟料巾的c 3 s 和c 3 a 的含量，并相应的 提高石膏量和适当提高粉磨度，可以制造快硬高强水泥；适当降低c 3 s 和c 3 a 的含量或掺入活性混合材料，可以制造要求水化热低的大坝水泥；当要求水泥 有一定的抗硫酸盐的性质时，就要求控制c 3 s 和c 3 a 的含量等等。 除了上述主要矿物以外，玻璃相也是水泥熟料的个重要组成部分。它的 东北大学硕士学位论文第二章板石矿业废渣的性质研究 组成是不定的，主要成分是a 12 0 3 ，f e 2 0 3 ， c a o 以及少量的m g o 。其热力学 性质也是1 i 稳定的，具有一定的水化活性。水泥熟料中，还常含有少量的没有 和其他矿物结合的游离氧化钙，它在高温卜形成，呈死烧状念，常在水泥硬化 后才进行水化，造成体积增大并产生内应力，i t 重时，将导致水泥石产生裂纹 和破坏。 本试验中水泥采用大连小野田公司生产的华r 牌强度等级为4 2 5 的普通硅 酸盐水泥。 国家标准普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 1 9 9 9 ) 规定： 烧失量：普通水泥不得大于5 o ； 细度：普通水泥8 0 o n 方孔筛筛余不得超过1 0 ； 凝结时间：普通水泥初凝不得早于4 5 分钟，终凝不得迟于1 0 小时。 氧化镁：含量彳i 得超过5 o ； 三氧化硫：含量不得超过3 5 ； 安定性：用沸煮法检验必须合格； 强度：水泥强度等级按规定龄期的抗址强度和抗折强度来划分。 2 4 1 水泥熟料的化学成分及矿物成分 水泥熟料的化学成分及矿物成分分别见表2 1i 和表2 1 2 。 表21 1 水泥熟料的化学成分 y a b l e21 1c h e m i c a lc o m p o n e n to ft h ec e m e n tc l i n k e r 表21 2 水泥熟料的矿物成分 t a b l e2 12m i n e r a lc o m p o n e n to ft h ec e m e n tc l i n k e r 东北大学硕士学位论文第二章板石矿业废渣的性质研究 2 4 2 水泥的物理力学性能 分别测试了水泥的细度、凝结时间、安定性以及水泥的抗压、抗折强度等 主要性能指标。其结果见表2 1 3 。 表21 3 水泥性能试验指标表 t a b l e213p e r f o r m a n c et e s tr e s u l to ft h ec e m e n t 2 5 本章小结 ( 1 ) 本次试验所用板石矿业尾矿砂属i i i 区细砂，粗骨料为连续级配，最 大粒径2 5 m m 。 ( 2 ) 经检测，板石铁尾矿中不含各种有害物质，如云母、硫化物及硫酸盐， 也不含有机物，满足混凝土细集料关于有害物质的规定；其它各项性 能指标也满足混凝土细集料的要求，可以作为混凝土原材料使用。 ( 3 ) 经检测，干选废石的各项性能指标满足混凝土粗骨料的要求，可以作 为混凝土原材料使用。 ( 4 1 经检测，选用的4 2 5 水泥，各项性能满足标准要求。 东北大学硕士学位论文 第三章矿业废渣混凝土配合比研究 第三章矿业废渣混凝土配合比研究 3 1 概述 混凝土是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石和水，有时还加 入少量的各种添加剂，经过搅拌、注模、振捣、养护等程序后，逐渐凝【直| 硬化 而成的人工混合材料。各组成材料的成分、性质和相互比例，以及制备和硬化 过程中的各种条件和环境因素，都对混凝土的力学性能有不同程度的影响。所 以，混凝土比其它单一性结构材料( 如钢、木等) 具有更为复杂多变的力学性能”。、 2 1 虾、“ 为保证所生产的混凝上的质量符合要求，为混凝土的生产控制提供有关参 数，应通过设计计算和试配，确定混凝土配合比。考虑到混凝土组成材料对混 凝土性能波动的影u i 自，故规定了不仅要根据组成材料的有关参数进行设计计算 求得初步配合比，还应通过试配，调整以确定实际生产用的配合比，涉及计算 试配的目的是使根掘所定配合比牛产的混凝土能符合设计要求的强度等级和耐 久性以及施工工艺要求的稠度等质量指标，且能做到合理使用材料及节约水泥。 混凝土配合比设计，是采用计算与试验相结合的方法，即先根据结构物设 计的强度要求、材料情况及施工条什等，计算初步配合比，再用施工所用的材 料进行试配，通过试配与强度的检验，并进行调整，得出施工所需要混凝土配 合比。 影响普通混凝土强度的主要因素： ( 1 ) 水灰比 在完全密实的情况下，普通混凝土的强度主要取决于其内部起胶结作用的 水泥石的质量。而水泥石的质量又取决于所采用的水泥的特性和水狄比。 水泥石在水化过程中的孔隙率取决于水灰比。凶此，水狄l l $ 1 1 混凝土的振 捣密实程度两者都对混凝上内孔隙体积有影响。强度与总孔隙体积的关系，不 仅混凝土是这样，其它由于水分引起孔隙的脆性材料，如杆膏也是如此。 如图表示混凝七强度与水灰比的关系。当混凝土混合料能被充分捣实时， 混凝土的强度依水灰比公式随水灰比的降低而提高。但实际上目前的捣实方法 i 东北大学硕士学位论文 第三章矿业废渣混凝土配合比研究 的捣实能力都是有限度的。在水泥用量不变，水灰比减小的条件下，混合料】 作性降低，当工作性降低到某种方法( 例如人 ：捣实) 不能捣实时，水狄比的继续 降低，反而导致混凝土强度降低，如图l ，虚线所示。当用另一种捣实能力更强 的方法( 如振动) 时，混凝土的强度随水扶比降低又提高，但当水灰比又降低到这 种方法不能再捣实的程度时，混凝土强度随水灰比的脐低义再次降低。 f 蒌 水献比- 图31 混凝土强度与水灰比之间的关系 f i g31 r e l a t i o nb e t w e e nc o n c r e t ei n t e n s i t ya n dw a t e r - c e m e n tr a t i o 表示混凝土强度与水狄比的理论曲线如j ：图所示，近似于双曲线的形状。 ( 2 ) 粗集料 混凝土试件在单向压力荷载作用下，当倚载达到极限荷载的5 0 7 0 时，在 内部丌始出现垂直裂缝。这是用测量声波在混凝土中传播速度和超声脉冲技术 确定的。裂缝形成时的应力大多取决于祖集料的性质。光滑的卵石制成的混凝 土的丌裂应力较粗糙有棱角的缔石混凝土的为低。这可能是由于表面性质对机 械结合影响的缘故，粗集料的形状对机械结合也有一定程度的影响。 在弯曲试验中梁试件的受拉而卜的应变，和在单向受压试验中圆柱体试件 的侧向拉伸应变，存混凝七仞始丌裂时具有棚同的数值。这就是说，集料的性 质对混凝士的初裂抗压强度和抗弯强度的影响具有相同的方式，因此，两种强 度的关系与集制品种无关。另一方面，混凝十的极限抗j f i 强度和抗弯强度的关 系，则取决于粗集料的品种。这是因为集料的性质，特别是集料表面状况，对 2 6 东北大学硕士学位论文第三章矿业废渣混凝土配合比研究 极限抗压强度的影响较对抗拉强度或初裂抗压强度要小得多( 除高强混凝土外) 。 集料品种对混凝土强度的影响，又与水狄比有关。当水扶比小于0 4 ，用碎 石制成的混凝土的强度较卵石的要商，两者的差值可高达3 8 。随着水狄比的 增大，集料的影响减小。当水狄比为o 6 5 时，用碎石和卵石制成的混凝土没有 发现有强度上的差异。 3 2 矿业废渣混凝土配合比设计 ( 1 ) 计算混凝上试配强度厶。 根据实际施j ：条件和混凝十质量水平，依据普通混凝土配合比设计规程 f j g j 5 5 2 0 0 0 ) 的规定，强度标准差值。选用4 o m p a ，按下式计算混凝土试配强 度： 疋= 厶 + 1 6 4 5 口 ( 3 1 ) ：。一混凝上立方体抗压强度标准值，这毋取2 0 m p a ：。0 2 2 0 + 1 6 4 5 x 4 0 2 2 6 5 8 ( m p a ) ( 2 ) 水灰比( 娶) 计算 l 根据工。，按下式计算水伙比： 里：型型 f 3 2 1 c ，。q 七a 。ah ，e ?j 式中的回归系数口。和应根据工程使用的水泥、集料通过试验，建立水灰 比和混凝土强度关系式而确定，当1 i 具备试验统计资料时，其回归系数刘碎石 混凝土d 。取0 4 6 ，取0 0 7 ；对卵石混凝土，口。取0 4 8 ，d 6 取0 3 3 。 本次试验选用的干选废石可看作是碎石，故回归系数口。取o 4 6 ，取0 0 7 。 o = n 4 6 疋。( c w o 0 7 ) ( 3 3 ) 堡一 丝：幺 ：! ：竺! ! ! ：o 7 0 7 c 二o + 甜。( z f 。 2 6 5 8 + o 4 6 o 0 7 4 3 取堡：0 7 。 l 。 ( 3 ) 确定用水量( m 。) 根据于选废石最大粒径2 0 r a m ，细砂及混凝士坍落度4 0 m m 的要求查用水 量选用表3 1 。 选用水量m 。= 1 9 5 k g m 3 。 东北大学硕士学位论文第三章矿业废渣混凝土配合比研究 ( 4 ) 计算水泥用量( m 。) 水泥用量按下式计算： m 。，= 等 p c 。= 瓮= 丽1 9 5 翊8 6 ( k g m 3 ) 。 表3 1 干硬性和塑性混凝土的用水量( k g m3 ) t a b l e31w a t e rc o n s u m p t i o no fs t i f fc o n s i s t e n c ya n dp l a s t i cc o n c r e t e ( 3 4 ) ( 5 ) 确定砂率( 反) 般应根据材料试验确定砂率，无试验资料时可按下表选驳。 表3 2 混凝土的砂率【2 6 l ( 1 t a b l e3 2s a n d r a t eo ft h ec o n c r e t ef 1 奉表中砂率系指砂与集料总量的重量比。本表数值适合中砂选用砂率，对 细砂或粗砂，l j j 相应的减小或增大砂率。只用一个单粒级孝集料配制混凝上时， 查! ! 垄主塑主主堡垒查 砂率应适当增大。 第三章矿业废渣混凝土配合比研究 查表3 2 ，选。= 4 0 。 ( 6 ) 计算砂、石用量( 珊。、。) 在已知砂率的情况下粗、细集料的用量可用重量法或体积法计算。 选用重量法计算： 原理：假定组成混凝土的水泥、砂、右、水等材料在密实状态卜- 的体积密 度为一个固定值。 砂石用量可用以下两个关系式计算： m + m + m 。，+ m 。= m ( 3 - 5 ) 。：一鳖一1 0 0 ( 3 6 ) m n n + 肌w ， m 。一每立方米混凝土假定质量( k g ) 这里取2 4 0 0 k g 。 代入得： f 2 7 8 6 + 1 9 5 + m ，o + m r o = 2 4 0 0 1 竺! ! 1 0 0 ：4 0 i m m + m r o j 眠o = 7 7 0 5 6 k g 仔：1 = 1 1 5 5 8 4 k g ( 7 ) 初步配合比 根据计算所求得各组成材料用量中以水泥为分博，砂、石和水用量为分了 算得配合比如下： 每立方米混凝土中各组成材料用量为： 水泥：砂：石：水= 2