铁尾矿在混凝土中的应用研究进展

摘要:矿石的开采和选矿过程中会产生大量的尾矿,我国利用最广､用量最大的铁矿石每年产生巨量的铁尾矿,铁尾矿砂作为一种废弃资源,在我国目前利用率仍较低,特别是铁尾矿资源的高效､高附加值利用方面｡将铁尾矿微粉作为掺合料应用于混凝土,既可以实现大量消纳铁尾矿的目的;减少混凝土中水泥用量,有利于节能减排减少碳排放,又可以缓解当前粉煤灰矿渣等矿物掺合料在许多地区出现的高品质掺合料供应不足的现象｡铁尾矿砂在混凝土中的应用已经受到广泛关注并取得很大进展｡

关键词:铁尾矿;混凝土;再利用

近年来,建筑结构得到发展,例如新的建筑材料和预制钢结构,但硅酸盐水泥和水泥将在今后几十年中继续成为基础设施建设的重要材料｡由于密集的混凝土工程,对大块混凝土的需求增加了,自然沙土资源是不可再生的,在许多地区,自然沙土资源已经大幅度减少,正在枯竭,天然混凝土已严重短缺｡在许多地方,破坏农业用地和河道以提取自然沙子对河流的稳定构成严重威胁,造成了严重后果,如土壤侵蚀和河流改道｡

1 国内为铁尾矿综合利用开发

铁尾料的开采引起了世界各地研究人员的注意,这既是为了减轻积累的压力,也是为了创造经济利益｡

1.1作为填充材料

将铁尾料用作地下填料很容易操作,而且费用低廉,从而降低了填充地雷的费用,减少了地雷的消耗,提高了

回收率｡

1.2对铁尾矿中所含有价元素回收利用

铁尾料含有矿石和金属材料等一些重要材料,可称之为硅酸盐､碳酸盐等化合物｡铁尾料中的稀有元素和重要矿物可以回收｡

1.3改良土壤

铁尾料通常含有维持植物正常生长所必需的痕量,如Zn､Mn､Cu､Mo､Fe和P.在土壤中引入磁性尾料可刺激土壤的物理活动,提高其磁性,改善土壤结构､多孔性和渗透性｡

1.4铁尾矿用作复垦植被

从1980年代末至1990年代初,各个国家开始收复矿场,在矿场种植植物方面取得了重大进展,这不仅防止了铁尾料被风吹走,而且防止了雨造成的侵蚀｡

1.5作建筑材料

铁尾矿中含有Al､Si､Ca和Mg等元素的氧化物,其矿物成分接近天然砂,对建筑材料工业非常有用:首先,这些氧化物可用于生产水泥熟料,并试图取代传统的硅材料｡将铁尾矿与其他化合物结合起来,生产符合标准的砖和陶瓷产品;第二,用铁尾矿与其他化合物结合生产砖和陶瓷制品,使其符合标准要求｡第三,用铁尾矿和磨细铁尾矿粉制作混凝土小型空心砌块以及泡沫混凝土和蒸压加气混凝土砌块｡

2 铁尾矿在混凝土中的可行性研究

关于迄今公布的研究结果,一些研究人员对铁尾矿作为混凝土掺合料相关领域做进行了研究,但研究仍然相对较少,而且不完整｡这一类研究主要集中在金属尾矿微粉的基本性质及其物理化学激发以及金属尾矿微粉用作混凝土掺合料对混凝土强度等宏观性能的影响方面｡

倪文等人利用扫描电镜(SEM)､场发射扫描电镜(FE-SEM)和激光粒度仪(LPS)对精细金属尾矿中的粒子形态和颗粒分布的研究,使用该比表面作为评估指标,将金属尾矿的敏感度与高温冷却后的炉渣的敏感度进行了比较｡金属比高冷却炉中的炉渣更容易研磨,其质量部分为62.60%,含有大量亚微米级和纳米级颗粒｡马雪英等人研究得到铁尾矿微粉的总体活性偏低的结论｡赵思儒等结果表明: 铁尾矿微粉的比表面积的改变对其活性影响相对较小,而养护条件对铁尾矿微粉活性的影响比较显著作用｡冯向鹏､孙恒虎等人研究发现,单独对铁尾矿进行热活化并不能提高铁尾矿的活性,要实现铁尾矿的高效利用需要采取其他活化方法对铁尾矿进行处理｡聂轶苗等通过碱激发的方法利用矿渣和铁尾矿来制备地质聚合物材料｡郑永超等人利用多物料梯级粉磨工艺将尾矿磨细成功的激发出了金属尾矿的活性,将金属尾矿微粉作为原材料利用其活性粉末效应制备出了高强结构材料｡蒙朝美等人的研究表明高硅型铁尾矿粉磨至粒径小于10μm时可作为辅助性胶凝材料用于制备混凝土｡

3 国内外铁尾矿用于混凝土中的应用

国内外对铁尾矿砂做细集料运用于砂浆和混凝土时其常规性能和物理耐久性进行了大量研究,也认识到铁尾矿粉磨后可以用作混凝土掺合料,但铁尾矿中含有的部分磁铁矿对水泥砂浆和混凝土的影响,以及在水泥碱性环境中磁铁矿的化学稳定性和耐久性方面的研究却很少｡铁元素是一种多用途元素,磁铁矿对混凝土性能的影响与铁尾矿应有所不同｡铁能够在水泥碱性环境中作出化学反应,混凝土结构的使用和耐久性可能会持续几十年甚至几百年,并会产生积极或消极的影响｡

田景松､覃维组等针对铁尾矿砂的配制进行了试验,认为铁尾矿砂属于特细砂,当运用于水泥混凝土中时｡需采取低砂率或在减水剂中添加适宜的增稠剂或引气剂组分,将40%至60%的铁尾矿砂混合部分机制砂对混凝土的工作性能和力学性能有积极作用｡李涵等认为铁尾矿砂中存在颗粒尺寸小于0.15mm的颗粒,以铁尾砂取代部分天然砂可以加强砂浆和混凝土的结构,同时降低砂

浆的生产成本,而不影响砂浆的质量｡铁冯永存等研究了铁尾矿磨细后作为掺合料运用于混凝土中｡分析了铁尾矿粉的易磨性､活性以及混凝土的耐久性､体积稳定性等｡

4 铁尾矿用于混凝土中的改进方案

关于铁尾矿微粉的研究结果发现,铁尾矿微粉在一定的条件激发下可以获得一定的活性,但活性普遍较低,因此,将铁尾矿砂作为一种非活性掺合料使用是比较科学和客观的,符合节能减排可持续发展的思路｡

贾鑫等人对北京密云金属尾矿的化学组成､矿物组成及物理力学等性能进行了详尽研究,得出了铁尾矿砂可以作为矿物细掺和料用于混凝土的结论｡并且他们得出了随着尾矿砂掺量的增大,混凝土抗压强度降低的结论｡

宋强等人重点研究金属尾矿粉作为惰性掺和料对混凝土的力学性能､抗冻性能和抗渗性能的影响｡研究结果表明:金属尾矿粉掺量为23%时,混凝土强度发展较快｡相对于基准混凝土,28d强度增长了29%; 掺金属尾矿粉的混凝土的抗冻性能和抗渗性能均有不同程度的改善｡

王怀成等人在大掺量金属尾矿研究中,将首钢密云铁矿尾矿分级,取0.08mm粒级与水泥熟料､脱硫石膏通过三级混磨形成胶凝材料,制备高强混凝土｡试验结果表明第三级混磨时间是影响制品抗压强度的主要因素;在一定条件下,金属尾矿掺量达到70%强度仍可达90MPa以上｡

Mohammad等通过粉煤灰和水泥改进天然尾矿砂,并且将其抗压强度作为评估在土方工程中的适用性的指标和标准｡

Luo L等选取某尾矿坝铁尾矿砂,通过物理分析环境分析和机械试验研究表明,以取代率为80%的铁尾矿等量替代天然骨料用于联锁混凝土铺路材料,其物理力学性能优于传统材料,且所有的性能均比交通规范标准要高｡

5 结论

绿色高性能混凝土的研究不断深入和应用以及低碳混凝土技术的持续发展,非活性掺合料越来越受到人们的重视｡越来越多的学者和研究人员意识到发展尾矿等非活性掺合料复合胶凝材料对推动绿色高性能混凝土的､发展和提高混凝土产业可持续发展能力的重要性｡因此,开展铁尾矿微粉作为非活性矿物掺合料研究,可以为混凝土产业开辟新的资源,有利于推动绿色高性能混凝土发展,提高混凝土产业可持续发展能力;为铁尾矿微粉非活性掺合料生产和应用提供理论基础和技术要点,同时可以促进矿山循环经济,为生态恢复和资源综合利用作出贡献｡

孟祥荫 全晓旖 闫强强

(西京学院土木工程学院,陕西西安710123)

想了解更多关于冶金固废方面的内容吗？阅读下方