铁矿尾矿与围岩的基本材性分析

铁矿尾矿与围岩的基本材性分析

大量废弃物和沉积层是矿山生产过程中产生的“废物”。如何使这些“垃圾”变废为宝、造福于民?长期以来科学工作者针对不同性质的尾矿和围岩提出了很多处理办法,但均由于处理量小,不能比较完全地解决这些“垃圾”问题。根据党中央国务院大力发展循环经济,构建节约型社会的指导思想,河南安钢集团舞阳矿业有限责任公司提出了“矿山无废料”的大胆设想,结合建筑业中广泛采用的天然砂石日益枯竭的现状,尾矿和围岩能否生产人工砂石,以替代天然砂石?河南安钢集团舞阳矿业有限公司与北京建筑工程学院联合进行了专题研究。从河南安钢集团舞阳矿业有限责任公司铁古坑采区的围岩性质看,这里蕴藏着大量的花岗质变质岩,具体为灰黑色花岗质条带状混合岩和肉红色花岗质混合岩。这种岩石质地坚硬、结构致密且抗压强度高,天然砂石中多数为此类岩石经长期风化、雨水冲刷、地表搬运形成,是理想的人工砂石的原料。尾矿是铁矿石经破碎筛分、磁选、过滤工艺选取铁精矿后形成的,主要矿物成分为:石英60%、辉石10%~30%、云母<1%、方解石<3%,其中Fe2O3为2%~10%,比天然砂石中Fe2O3含量略高,其它元素如Ca、Mg、Al等均有不同含量。通过全尾矿筛分实验得知其120网目以上直径的颗粒约占总尾矿量的60%左右。能否合理地把这部分废料作为资源用于砼骨料,笔者做了认真的探索与实践。1材料的质地1.1机制砂材料性分析铁矿围岩经破碎产生的人工砂简称机制砂。依据GB/T14684-2001《建筑用砂》,对安钢集团舞阳矿业有限责任公司的机制砂进行了基本材性分析。通过表1、表2可以看出,准备生产人工砂的原料是合格的,产品性质多数为I类,为今后生产高质量的机制砂打下了基础,并为今后生产颗粒级配符合标准的产品提供了理论依据。1.2潜在碱集料反应依据GB/T14684-2001《建筑用砂》,对两批尾矿砂进行了基本材性分析,结果见表3、表4。从结果分析,尾矿砂除细度模数(1.7)偏细,级配与3区比较略有超出(累计超标7),主要是大于1.18mm的砂太少(见表5),其它指标均符合建筑用砂标准要求,但被检测的样品有潜在碱集料反应,是否所有的尾矿砂都存在潜在碱集料反应,应进行普遍和定期检查,如有,在应用时要注意使用场合或采取相应的技术措施,避免发生混凝土的碱集料反应,除此之外,可以作为建筑用砂使用。细度模数偏细和表观密度略重是尾矿砂自身特点,一般不可能也没有必要去改变,只能去适应。分析砂略重的原因,又进行了一个简单的试验,把一定量的尾矿砂用磁铁吸附后,吸走的部分占原重的23.6%,说明在部分尾砂中仍有残余的铁,因此,增大了表观密度。对砂中含有残余的铁是否会在使用中带来锈蚀问题,将2kg尾矿砂加水润湿,放在相对湿度大于95%、温度20℃±1℃的养护箱中,并不断加水,观察其生锈情况,时间≮180d,结果未发现生锈情况,说明尾矿砂中的铁是以相当稳定的状态存在,使用中不会给混凝土或砂浆带来污染。2原料混凝土和砂浆的制备2.1机制砂配制混凝土试验结果考虑到既要保障机制砂应用后的工程质量,又要尽可能地多利用矿山废弃的资源,根据使用场合和要求,我们选取了一批相对质量较差的机制砂(改进工艺后这部分机制砂已不存在)样本作实验。由于C10混凝土一般使用于工程基础的垫层,M10的砌筑砂浆仅用于墙体砌筑,因此,机制砂中相对差的指标对其使用不构成影响,亦符合相关工程标准的要求,如果其和易性(工作性)和强度符合要求,试配成功,该产品仍可以利用。从表6、表7试配结果分析,用机制砂配制C10混凝土和M10砂浆是可行的,技术指标合格,经济分析也不超过天然砂的成本,可用在适当的场合,真正做到“矿山无废料”。机制砂配制混凝土试验结果见表8。从表8结果明显看出细度模数与颗粒级配对混凝土和易性和强度的影响,看出机制砂配混凝土的用水量要高于天然砂。本配比选用的是舞钢当地用强度等级32.5的水泥加天然砂配C20混凝土的配比:水泥用量341kg/m3,用水量为184kg/m3,砂率34%,实测坍落度为55mm,28d强度为28MPa。由于机制砂粗,级配(表9)、粒型都不好,当砂率低时(34%,Z1#、Z2#),和易性差,流动度很低,要用大量的水泥浆改善,造成水泥和用水量增加;提高砂率(38%,Z5#、Z8#),略微可以降低水泥用量和用水量,但和易性和强度也比不上同等水泥用量下与天然砂配制的混凝土。因此,今后机制砂的生产一定要严格控制机制砂的级配,同时,要注意改善机制砂的粒型。2.2采用iv型黑砂技术制备混凝土、砂浆的工作性和强度2.2.1为尾矿砂制备混凝土的可行性2.2.1.加砂后的水灰比首先应用一般天然砂混凝土设计计算的公式和配比选用原则,试配后发现砂率(原为33%)明显偏低,加砂后(砂率为39%)和易性改善,随之用水量增加,当用水量加大到坍落度为120mm时,和易性仍然良好,0.67的水灰比28d强度达到30.7MPa,与天然砂无区别。2.2.1.充填混凝土的性能从表11、表12可以看出,尾矿砂配制混凝土除用水量大外,其它与天然砂配制混凝土的和易性和强度规律无区别,用同一强度等级水泥、近似的水灰比配制混凝土的强度也差不多。2.2.1.砂率对混凝土和易性能的影响分析尾矿砂配比试验4是进行的尾矿砂配制商品混凝土初步试验。从结果看,尾矿砂配制商品混凝土是可行的,和易性和可泵性满足施工要求,但砂率要有一定的范围,太低和过高都直接影响到混凝土的和易性。从数据分析,在相对大的水胶比(0.42)时,砂率在38%~42%之间合适,在相对小的水胶比(0.38)时,砂率在37%~40%之间较好。砂率对强度无明显影响。2.2.1.动弹性模量对混凝土耐久性的影响从尾矿砂混凝土抗氯离子渗透性结果、经384次、450次快速冻融循环后的相对动弹性模量的变化、质量损失情况可以发现,尾矿砂混凝土的耐久性指标较好。2.2.2尾矿砂充填砂浆从尾矿砂进行的配制砂浆的试验(表17)看出,然尾矿砂细度模数较细,但由于其级配不完全合于标准,小于300μm的部分较少,因此,在配制砂浆时,特别是水泥用量低的配比,其和易性不好,表现为泌水,解决的办法是加入一定量的粉煤灰(加细粉料亦可)。如果大量使用尾矿砂来配砂浆,从尾矿砂生产上,即其材性上亦可解决,办法是在尾矿砂生产线上增加粒径在-150μm的尾矿砂的筛出量,既增加了有用尾矿砂的产量,又减少了剩余尾矿的排出量,还提高了尾矿砂配制砂浆的和易性,一举多得。尾矿砂砂浆的强度表现较好,超出原设计指标。2.2.3粒级配对混凝土性能的影响根据机制砂材性研究结果,从长远看,必须解决加工设备和工艺,以使其细度模数能符合配制混凝土的要求,但为解决当时的应用问题和应对各种可能遇到的情况,加强对机制砂的认识,加深对细度模数与颗粒级配在混凝土试配中所起作用的了解,研究机制砂与尾矿砂混合后(重量比)对细度模数与颗粒级配的影响,有着重要意义。从表18看出,机制砂和尾矿砂各掺50%比例时细度模数与颗粒级配最为理想,可用于各种混凝土,包括高强度等级和高性能混凝土。用机制砂30%尾矿砂70%相掺,细度模数与颗粒级配亦可,适用于水泥用量低于350kg/m3的混凝土。从表19的结果分析,尾矿砂与混合砂的主要区别在于对混凝土坍落度的影响,原因在于砂各自细度模数的不同,混合砂的细度模数为2.9,尾矿砂为1.7,因此,尾矿砂需水量要多,造成坍落度偏低。强度方面各自有高有低,没有明显的规律。3尾矿砂施工性及应用效果2005年8月5日,在舞阳矿业有限责任公司人工砂生产新线的建筑工地上进行了尾矿砂的应用试配,浇筑对象为设备的基础,配比及试配结果见表20。从现场看,尾矿砂施工性完全满足要求,解决了人们的对用尾矿砂配制混凝土的认识问题。从尾矿砂现场浇筑混凝土强度分析,完全达到设计要求,从经济成本分析,也没有超出原配比的水泥成本,砂成本则大幅度降低,建议推广应用。4尾矿砂的使用(1)舞阳矿业有限责任公司用围岩等废料生产的机制砂,完全符合建筑用砂标准的技术要求,但应注意原料的筛选和生产工艺及设备的改进。可以广泛地应用于水泥混凝土和建筑砂浆中。对于筛选出的其它废料,可以区分情况加以限制的使用,做到真正的无废料矿山。(2)舞阳矿业有限责任公司用