随着迅速发展的现代化生产及数量快速增长的矿山工业，加之我国钢铁产量连续几年世界第一，需要大量的铁精粉原料，促使选矿厂扩大选矿规模，排放尾矿越来越多，造成我国目前的尾矿堆积数量巨大。据2005年中国冶金矿山企业协会统计数据，我国铁尾矿产量约4亿吨，至2015年累计产生约59.7亿吨铁尾矿，其中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近1/3，成为堆存量最大、利用率较低的工业固体废弃物之一。矿山尾矿排放量和堆存量分布不均，按地区划分来说，我国铁尾矿主要分布于河北、辽宁、山东、山西、四川五省。 尾矿堆存需要占用大量土地，而且尾矿所含重金属离子和药剂，会随尾矿水流入附近河流或渗入地下，严重污染河流及地下水源；自然干涸后的表面细尾砂，遇大风形成扬尘、沙暴，吹到周边地区，对生态环境造成严重影响；坝体高度越大，危险性越高，特别是坝高超过100m的大型尾矿库，一旦发生垮坝事故，后果不堪设想，2008年9月8日山西襄汾尾矿库垮坝再次给人们敲响了警钟。 面对尾矿危害，国内外众多学者已进行了较多的研究，本文在大量阅读文献的基础上，介绍近几年将铁尾矿用于制备混凝土的研究进展，分析铁尾矿混凝土材料研究中存在的一些问题，提出今后铁尾矿混凝土研究的重点和方向。
2.1 配制思路 由于普通混凝土建筑材料广泛应用于现代化建设中，造成其砂石原材料紧缺，加剧了开山采石和挖河掘砂，而同时，铁矿厂产出的铁尾矿砂石堆积如山，对生态环境影响严重。综上考虑，提出了将铁尾矿用于制备混凝土的设想。经过多年的试验研究，国内外学者对铁尾矿混凝土配制技术进行了改善和发展，其配制思路有以下几方面：（1）利用铁尾矿废石代替原材料中粗骨料。（2）利用铁尾矿砂代替原材料中细骨料。（3）利用铁尾矿砂和废石或机制砂混合掺入普通混凝土。（4）利用铁尾矿粉作为混凝土中细骨料。 2.2 配制技术 何兆芳等用铁尾矿与天然砂组成混合砂，并以高效减水剂为外加剂，双掺矿粉和粉煤灰，制备了C60高强混凝土，试验结果表明，采用60%尾矿 40%细砂时，和易性最佳，有助于提高抗冻性、抗渗性，收缩性能相当。 陈旭峰等利用一定粒径的铁矿废石为粗骨料，一定粒径的铁矿废石和尾矿的混合砂为细骨料制备了混凝土，试验结果表明，尾矿细砂25%、0mm~5mm铁矿废石粗砂75%比例混合，制备出的混凝土具有良好的和易性，强度和耐久性更高。 郑永超等以铁尾矿为主要原材料制备出了抗压强度大于100MPa的高强混凝土结构材料，研究了尾矿细骨料、成岩剂掺量、蒸养温度对抗压强度的影响，结果表明，尾矿细骨料掺量50%、成岩剂掺量1.2%、蒸养温度90℃时，抗压强度最高。 长安大学景帅帅采用颗粒粒径小于0.15mm的细粉状铁尾矿粉作为骨料，用于制备泡沫混凝土，研究了铁尾矿粉泡沫混凝土新拌浆体的体积稳定性等，并运用压汞法对泡沫结构进行了试验分析。 合肥工业大学胡胜在适配普通自密实混凝土（SCC）基础上，用铁尾矿砂部分代替普通砂制备出了铁尾矿砂自密实混凝土（ISCC），试验研究表明，铁尾矿砂取代率低于60％时为好，ISCC-40%的砂率为43%时强度最大，工作性能最优。 武汉理工大学朱志刚进行了用铁尾矿砂代替石英砂制备活性粉末混凝土（RPC）的研究，得到了各组分对RPC性能的影响及最佳掺量，最后，利用梯级粉磨工艺制备的高硅铁尾矿-矿渣基胶凝材料（TSBC）代替常规胶凝材料制备了全尾矿RPC。 综上所述，将铁尾矿用于配制混凝土的研究较多，也已经取得了较为成熟的结论，总体而言，将铁尾矿废石、铁尾矿砂或粉用于制备普通混凝土是可行的，并且对于混凝土强度有一定的提高。但是，关于铁尾矿混凝土配合比设计研究较少，有待于进一步研究。
3.1 流动性 混凝土流动性是指混凝土搅拌物在本身自重或机械振捣作用下产生流动，能均匀密实流满模板的性能，它反映了混凝土搅拌物的稀稠程度及充满模板的能力。混凝土的流动性是表征混凝土工作性能的重要指标。 文献中，按尾矿细砂25％、0mm~5mm75％比例混合，满足JGJ52《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求的Ⅱ区中砂，采用相同水泥、矿粉、粉煤灰和外加剂，进行了C30和C50两个强度等级的天然砂石和废铁矿混合砂的混凝土对比试验，结果见表1。 由表1中试验结果可见，使用铁尾矿砂石拌合物的坍落度和扩展度均小于使用天然砂石混凝土，由于铁尾矿砂为人工砂，其表面棱角较多，造成铁尾矿混凝土流动性较差。 3.2 抗压强度 文献中，以普通砂为细骨料配制的混凝土称为原状混凝土，记做Y1，按照不同铁尾矿砂粒径为分界，根据表2所示不同粒径，分别取代普通砂作为细骨料制备混凝土，粒径分别为≥2.36mm、≥0.60mm及≥0.15mm，所配制的混凝土分别记做Q1、Q2和Q3，参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，分别测定四组配合比试块7d、28d、90d抗压强度，试验结果取平均值，结果见表3。 从表3可以看出，以不同粒径铁尾矿砂取代相应粒径普通砂后的混凝土抗压强度都有所提高，其中，Q3组铁尾矿砂完全取代普通砂后混凝土抗压强度最高，随着取代普通砂砂率的提高，抗压强度也逐渐提高。结果表明，铁尾矿砂作为混凝土中细骨料，相对普通砂而言，对混凝土的抗压强度有一定增强作用。 3.3 轴心抗压强度 文献中，采用JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计》强度配制公式，利用迁安铁尾矿砂完全代替天然砂制备了不同强度等级混凝土，每组制作了3个150mm×150mm×150mm立方体试件和3个70mm×70mm×210mm棱柱体试件，均养护室标准养护，根据规范要求测定其抗压强度，试验结果如表4。 从表4中可见，铁尾矿砂混凝土立方体与棱柱体抗压强度均高于设计强度，且轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值集中在0.8~0.9之间，与普通混凝土相当。综上所述，铁尾矿砂混凝土抗压强度较普通混凝土有所提升，基本力学性能较好，但是关于铁尾矿砂混凝土的其他力学性能指标研究还不完善，有待于进一步研究其弹性模量、泊松比、动态力学性能等，关于铁尾矿砂混凝土构件力学性能试验研究也尚未见深入报道。
4.1 抗冻融性能 Jan研究了矿渣混凝土抗冻能力以及对除冰盐的抵抗能力，矿渣含量为57%（占总胶粘材料的），矿渣水泥混凝土由于结构上与普通水泥混凝土不同，从而具有更高的抗化学侵蚀的作用。 山东科技大学潘国锋根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能耐久性能试验方法标准》的规定，采用100mm立方体试块，标准养护24d再在20℃±2℃水中浸泡4d，再进行4h冻融循环试验，结果表明，冻融循环200次，铁尾矿掺量45％、35％混凝土质量损失小于铁尾矿掺量0%、25％质量损失，其中，掺量45％质量损失最小。 4.2 抗腐蚀性能 Bakharev等研究了碱活性矿渣混凝土（AAS concrete）在酸性环境中的耐久性，将混凝土浸入PH=4的酸液中，研究了浸泡后试样的抗压强度、微观结构的变化，发现AAS混凝土比普通混凝土具有较高的抵抗酸液腐蚀的能力。 4.3 抗碳化性能 田景松进行了C30、C40、C50和C60四个强度等级的铁尾矿混凝土试块28d快速碳化试验，结果表明，虽然C30与C40以上强度等级有明显差别，但铁尾矿混凝土与普通混凝土碳化深度基本相同。 潘晓强在一定CO2浓度气体介质中，采用干锯法测定3d、7d、14d和28d碳化深度，结果表明，碳化深度与水胶比、粉煤灰和铁尾矿砂掺量有关，铁尾矿砂中含有的铁尾矿粉，不仅可以起填充密实作用，还可以阻碍CO32-渗透，有益于提高铁尾矿混凝土抗碳化能力。 目前，关于铁尾矿混凝土耐久性方面的研究较少，根据已有试验研究成果，总体来看，铁尾矿混凝土的抗冻融、抗腐蚀等耐久性较普通混凝土性能有一定程度的提高，两者抗碳化性能相差不大，说明铁尾矿混凝土与普通混凝土耐久性性能基本相同。
为加快铁尾矿应用于实际工程中，2014年8月，我国发布了GB51032-2014《铁尾矿砂混凝土应用技术规范》作为行业标准，自2015年5月1日起实施，使铁尾矿的应用有法可依；河北省根据自身铁尾矿资源丰富优势，顺应绿色、环保混凝土材料发展趋势，制定了省地方标准DB13（J）/T164-2014《铁尾矿骨料混凝土应用技术规程》，自2014年11月1日起实施。 在承德双峰寺水库枢纽永久性建筑物碾压混凝土中，用粒径小于0.16mm的铁尾矿粉部分代替天然砂制备混凝土，共生产出38万m3碾压混凝土，结果表明，铁尾矿粉作为填充料可改善碾压混凝土和易性和可碾性，当铁尾矿粉替代量不多于30％时，可提高碾压混凝土工作性、早期抗压强度和后期强度，对于其抗冻性和抗渗性也有所提高。 从2008年开始，在市政、民建等工程中，应用了铁尾矿砂或铁尾矿砂与机制砂、天然砂组成合砂配制C10~C60等级混凝土，目前已在约80万m3各类混凝土中应用，使用铁尾矿砂约30万t，取得了良好的示范工程应用。 综上所述，我国对于铁尾矿混凝土的研究已有多年，充分利用铁尾矿代替天然砂，有着良好的应用前景。但是近几年，只有部分地区铁尾矿混凝土应用于民建、道路等工程中，还没有大范围的推广应用，缺少关于铁尾矿混凝土设计、施工及验收规范，有待于政府有关部门制定相关规范、章程，更加快速地推动铁尾矿混凝土的应用。
6.1 结论 （1）铁尾矿混凝土是由水泥、天然碎石或铁尾矿废石、铁尾矿砂或铁尾矿砂和天然砂组成的混合砂、外加剂和水按一定配比混合后，采用标准养护而成，具有与普通混凝土基本相同的抗压强度等力学性能，证明用铁尾矿砂代替天然砂配制混凝土是可行的。 （2）铁尾矿砂混凝土相对于普通混凝土来说，由于铁尾矿砂为机制砂，表面棱角较多，造成铁尾矿砂混凝土流动性较差，又由于铁尾矿砂表面积较天然砂大，使其与水泥石接触面多，铁尾矿砂混凝土抗压强度比普通混凝土较高。 （3）铁尾矿砂中含有粒径小于0.16mm的铁尾矿粉，其有助于阻断混凝土碳化途径，也起填充密实作用，可以改善混凝土的抗冻性能和抗腐蚀性能，总体来说，铁尾矿混凝土较普通混凝土耐久性有一定改善。 6.2 展望 近几年，随着经济的快速发展、钢铁产量连续多年位居世界第一，导致了现在尾矿堆存量巨大，对于生态环境、群众生命财产安全构成威胁，为了做到对尾矿的“资源化、无害化、减量化”，还应继续开展铁尾矿混凝土应用方面的研究工作。 （1）综合国内从事铁尾矿应用研究的科研院所和高校形成联盟，进行分工合作，交流学习各自研究成果，推动铁尾矿研究应用。 （2）针对于铁尾矿混凝土这种建筑材料，应进一步研究所用选矿厂的铁尾矿配制不同强度等级的铁尾矿混凝土配合比设计方法，以满足不同工程的需要。 （3）为了更快地将铁尾矿混凝土建筑材料应用于实际工程当中，还要对铁尾矿混凝土试件展开研究，建立起该种混凝土试件的设计计算理论和方法，为工程应用提供理论基础。目前 我国铁尾矿数量庞大，随着国家对生态环境越发重视，环境保护观念越来越强，进行铁尾矿研究工作显得意义更加重大，既利用工业废弃物，又保护环境，具有显著的经济效益和社会效益。 来源：《墙材革新与建筑节能》2016.8 |
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