鐵尾礦渣代換碎石用于水泥混凝土的可能性研究

申鐵軍

(山西路橋建設(shè)集團有限公司 太原 030006)

引言

鐵礦尾礦是鐵礦石的伴生礦，成分復雜多變。鐵礦均采用物理選礦，無化學選礦的其他化合物混入。尾礦渣是選礦廠通過制砂設(shè)備將礦石篩選后，選取有用組分后所排放的固體廢渣，是金屬礦業(yè)開發(fā)造成環(huán)境污染的重要來源。直接將尾礦丟棄不僅占用大量土地，給自然環(huán)境造成極大損害，而且需投入大量的處理、維護費用。通過化學成分分析，本項目的鐵礦尾礦基本以硅鋁質(zhì)為主，SO3含量遠低于國家標準。根據(jù)鐵礦尾礦的分布、儲量、運距、成分分析及物相組成，開展鐵礦尾礦在水泥混凝土中應(yīng)用的研究工作。進行尾礦資源的綜合利用，不但可以二次利用礦產(chǎn)資源，延長其服務(wù)年限，擴大其利用范圍，同時也是保護生態(tài)環(huán)境與治理污染排放的有力手段。本文針對項目周邊鐵尾礦等工業(yè)固廢排放、儲存、環(huán)境污染、安全隱患以及綜合利用難度大等社會問題，緊密結(jié)合該項目石料資源供應(yīng)緊張的現(xiàn)實問題，對其開展相應(yīng)的研究，將會產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 鐵尾礦渣加工方案

根據(jù)工業(yè)固廢應(yīng)用需求，經(jīng)過多方論證考察，建立一套鐵礦尾礦渣加工生產(chǎn)線。該套設(shè)備由粗破移動站 KE760-1 和圓錐移動站KH-300破碎機兩部分組成。粗破移動站RE760-1,對原料種類不限，對原料規(guī)格大小有要求，需6cm以下原料方可進入破碎機。原料倒入料倉進入平板式振動給料機均勻進入顎破，顎式破碎采用目前最先進的歐版顎式破碎機，采用液壓調(diào)整排礦口大小，快捷方便吞吐量大，效率高，每小時可加工骨料150t～200t。通過主皮帶送入調(diào)節(jié)料倉，可存骨料100t左右。通過調(diào)節(jié)料倉下方振動給料機連續(xù)均勻的送入輸送機。輸送入圓錐破碎機進行二次破碎。圓錐破碎機型號為KH-300移動破碎篩分車，圓錐破采用高效液壓多缸全自動破碎特點是轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)量大、粒型好，調(diào)整方便。可通過電腦屏進行運程操控，方便快捷產(chǎn)量為180t/h～250t/h左右,通過輸送機進入振動帶,可篩分出回種成品，規(guī)格分為:0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm等規(guī)格。成品規(guī)格可通過更換篩網(wǎng)進行調(diào)整成品規(guī)格[1-3]。

2 鐵尾礦渣理化分析

2.1 化學分析及礦物組成分析

具體調(diào)查情況項目周邊5個礦點，鐵尾礦石母巖平均立方體強度為75～100MPa，取12個研究樣品做化學分析，鐵尾礦石共10個研究樣本，編號為1#～10#，鐵尾礦砂共2個研究樣本，編號為11#～12#，見表1、表2。

表1 鐵尾礦渣礦物組成表

表2 鐵尾礦渣化學成份表

表1、表2表明，該鐵尾礦渣基本上是以硅鋁質(zhì)為主，SO3含量遠低于國家標準。

2.2 物相組成(XRD法)

物相組成見圖1～圖6。

圖1 1#～2#XRD圖譜

圖2 3#～4#XRD圖譜

圖3 5#～6#XRD圖譜

圖4 7#～8#XRD圖譜

圖5 9#～10#XRD圖譜

圖6 11#～12#XRD圖譜

2.3 鐵礦尾礦渣堿集料分析

分析試驗按 JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的 T0324-1994集料堿活性試驗(巖相法)進行。結(jié)果表明，鐵尾礦石屬于斜長角閃巖，主要由角閃石(含量 40%～50%)、斜長石(含量 20%～30%)、黑云母(含量 5%～10%)、 石英(含量<10%)組成,副礦物主要由磷灰石(含量<3%)，極少量鋯英石和鐵質(zhì)礦物，巖石中礦物呈定向排列，顯示出片理結(jié)構(gòu)。通過巖相分析，未發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生堿集料反應(yīng)的活性物質(zhì)[1-6]。鐵尾礦石的巖相分析見圖7～圖12。

圖7 鐵尾礦石巖相分析圖(一)

圖8 鐵尾礦石巖相分析圖(二)

圖9 鐵尾礦石巖相分析圖(三)

圖10 鐵尾礦石巖相分析圖(四)

圖11 鐵尾礦石巖相分析圖(五)

圖12 鐵尾礦石巖相分析圖(六)

2.4 鐵尾礦渣物理性能分析

鐵礦尾礦石、鐵礦尾礦砂物理性能檢測其各項指標試驗結(jié)果見表3～表5。

表3 鐵尾礦渣化學成份表

續(xù)表

表4 鐵尾礦石物理性能檢測表

表5 鐵尾礦砂物理性能檢測表

通過上述表中分析，鐵尾礦渣中，鐵尾礦石的物理性能較鐵尾礦砂的物理性能理想。

3 鐵尾礦渣代換碎石混凝土試驗分析

3.1 方案一

根據(jù)原材料的檢測情況，在室內(nèi)分別進行了 C25、C30、C35單摻與雙摻的配合比試驗，鐵尾礦石采用9.5～19mm，4.75～9.5mm兩種規(guī)格，試驗結(jié)果對比情況見表6。

表6 鐵尾礦石混凝土配合比(單、雙摻)匯總表

3.2 方案二

參照方案一的試驗情況，在不改變配合比的情況下，用石灰?guī)r碎石取代鐵尾礦碎石，分別進行了 C25、C30、C35、C50 單摻的合比試驗，石灰?guī)r采用9.5～19mm，4.75～9.5mm兩種規(guī)格，試驗結(jié)果見表7。

表7 鐵尾礦石混凝土配合比(單摻)匯總表

3.3 方案三

參照方案二的試驗情況，在不改變配合比的情況下，用鐵尾礦機制砂取代石灰?guī)r機制砂，分別進行了C30、C35 單摻的配合比試驗，試驗結(jié)果如表8。

表8 鐵尾礦砂混凝土配合比(單摻)匯總表

結(jié)果分析：

(1)無論單摻還是雙摻，鐵尾礦碎石和鐵礦尾礦細砂作為粗細集料均滿足混凝土從 C25 到 C50 的工作性和強度要求。

(2)在試拌混凝土過程中，鐵尾礦碎石混凝土與石灰?guī)r碎石混凝土拌合物的坍落度、經(jīng)時損失(1h、2h)、和易性、 泌水性、容重等各項指標大致相同?；炷恋牧W性能指標都能滿足設(shè)計要求，但鐵尾礦混凝土 28d 強度普遍比石灰?guī)r混凝土 28d 強度要高[7-8]。

(3)鐵尾礦細砂作為細集料摻入砂用量的 20%左右能有效改善粗砂混凝土的工作性，且降低混凝土成本。

(4)鐵尾礦機制砂在配制混凝土時出現(xiàn)外加劑摻量異常偏高，混凝土流動性差，泌水嚴重等現(xiàn)象，無法做為混凝土細集料使用。具體原因正在做進一步的研究。

4 應(yīng)用實例

山西省臨汾霍州至長治黎城界新建工程。主線全長76.845公里(k28+100～k104+945)，項目按雙向四車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度采用80km/h，整體式路基寬度 25.5m，分離式路基為2×9.75m。路基挖土方191.3747萬m3，路基挖石方191.0668萬m3，填方371.5399萬m3，防護工程59.7547萬m3，排水工程6.6892萬m3，路面 99.203 萬m3,水泥混凝土75萬m3。上述工程量均為鐵尾礦的使用提供了可能。用鐵尾礦渣進行了樁基C30水下混泥土澆筑試驗，澆筑時混凝土坍落度為210mm，和易性滿足施工要求。澆筑開始時間17:00，結(jié)束時間18:30，一切正常。進行了C25片石砼擋墻應(yīng)用尾礦料生產(chǎn)砼澆筑。拌合站檢測塌落度為180mm，經(jīng)1h運輸?shù)竭_施工現(xiàn)場后，塌落度為170mm，和易性良好。以上兩個應(yīng)用部位28d抗壓強度均滿足要求。

5 結(jié)束語

通過對山西省臨汾霍州至長治黎城界新建項目沿線鐵尾礦資源的調(diào)查，研究鐵尾礦的物理化學特性，研究鐵尾礦在水泥混凝土中的應(yīng)用，通過鐵尾礦在水泥混凝土中的工程應(yīng)用試驗，該項目鐵尾礦在水泥混凝土中的應(yīng)用已具備可行性。同時在實施過程中需要注意，工業(yè)固體廢渣本身就是成分復雜的復合體，不同地區(qū)、不同礦井，其排放的工業(yè)固體廢渣成分不盡相同。根據(jù)工業(yè)固體廢渣的應(yīng)用情況進一步拓新思路，從而達到逐步轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的普通建筑材料粗放利用方式的目的。