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用特细铁矿尾矿生产混凝土小型空心砌块的研究

信息来源:hunningtu.biz  时间:2009-05-11  浏览次数:132

  摘 要 利用铁矿采选过程中产生的围岩碎石及尾矿代替传统砌块生产中的粗细骨料试制混凝土小型空心砌块,通过对样品进行检测及经济分析表明,可以制成符合国家标准的承重混凝土小型空心砌块。这一成果,不仅给面临资源枯竭的矿山带来新的产业方向,而且有利于环境保护。
  关键词 尾矿 混凝土 砌块 环境保护
  一、前 言
  我国的金属矿和非金属矿在采矿过程中的尾矿及围岩大量堆积,占用土地,污染环境。仅以首钢的铁矿为例,其尾矿已堆积近3亿吨,每年新增尾矿1000万吨以上,如何利用这些废弃围岩及尾矿,使之变废为宝,一直是矿山寻求解决的难题。
  今年2月1日起实施的新国标GB/T14684-2001〈建筑用砂〉把人工砂列入为建设用砂源之一。这对尾矿的利用是一个好的机会。如首钢迁安铁矿的尾矿经旋流分选的一部分(细度模数大于2.2)就可以直接作为人工砂使用,但大部分尾矿细度模数仅为0.8左右,作为建筑用砂直接使用目前比较困难。为开发这部分的尾矿利用,我们通过对首钢密云铁矿围岩碎石及尾矿进行分析研究,认为它们可以代替传统混凝土生产中的粗细骨料来生产混凝土小型空心砌块(简称砌块)。
  砌块对骨料有较严格的要求,如质量稳定、粒度级配合理。通常的砌块生产中粗骨料为碎石,细骨料为建筑用砂,砌块的各项性能与混凝土的质量有着密切关系,而混凝土质量与它的组成材料和配合比直接有关,因此,为保证砌块产品的质量,原料的质量和配比必须合格与经济。
  二、原料性能
  为了从技术上证明该铁矿的原料是否可以利用,我们按生产砌块的粗细骨料要求,对原料进行了系统的性能检测。
  1.碎石
  作为粗骨料的碎石,为围岩破碎所得,成分为斜长角闪片麻岩、石英岩、角闪岩、辉绿岩,均为太古代变质岩,岩石坚固、耐用,化学成分合格、稳定。碎石的破碎加工方法将会影响到碎石颗粒形状及级配,从而影响制品的最终强度。最好的碎石形状是接近正方形的小立方体石块,片状或针形者都不宜用来拌制高标号混凝土。共制取样两次,第一次样品中针尖状、片状颗粒含量较多,而且粒径分布、级配不合理;第二次碎石中针片状颗粒及粒径分布状况有所改善,粒径主要分布在1cm左右,外观基本符合要求。
  性能检测内容见表1,结果表明碎石基本符合粗骨料对原料的要求。
  表1 碎石性能检测表
  项目
  测值
  标准
  JGJ52-92
  结论
  说明
  筛分mm
  *
  *
  *
  *
  含泥量%
  1.6
  小于2.0
  合格
  按小于C30评定
  泥块含量%
  0
  小于0.7
  合格
  同上
  针、片状含量%
  6.4
  小于25
  合格
  同上
  表观密度Kg/m3
  2670
  -
  -
  -
  堆积密度Kg/m3
  1380
  -
  -
  -
  压碎指标%
  11
  16
  合格
  按小于C35评定
  *该碎石级配按连续粒级公称粒级5-10mm评定:10mm筛余合格,5mm筛余比标准规定小17%,2.5mm筛余合格。最大粒径10 mm。
  2.尾矿
  砌块原料一般要求成分中硫含量(换算成SO3)小于0.5%,无活性硅(如燧石等),才能保证制品的长期稳定性。尾矿由透明和不透明矿物组成,主要为石英、长石、角闪石、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿等,对制作砌块的质量不会造成影响。
  该尾矿的化学成分为(重量百分比):
  SiO2 Al2O3 MgO CaO TiO2 P2O5 TFe SFe S
  73.41 7.34 2.93 3.55 0.17 0.24 3.91 3.14 0.057
  可以看出该尾矿为高硅、低硫(换算成SO3%为0.14%),其中硅以石英和硅酸盐形式存在,为非活性硅,化学成分基本符合原料要求。
  该尾矿筛分结果显示粒度较细,其细度模数刚刚达到特细砂的标准,远不符合生产砌块原料对砂的级配要求。如果以0.2mm为界,其筛上物(约占尾矿量的30%)的粒度级配基本接近细骨料级配要求中的细砂,但如果只利用0.2mm以上的颗粒,尾矿的整体利用量就会太小,不符合我们开发的初衷。因此试验中用来作为细骨料的尾矿没有再作筛分,一则可以较大量地利用尾矿,二则是避免增加生产工序,增大生产成本。
  其它性能检测见表2,结果表明尾矿作为细骨料在性能指标上基本合格。
  表2 尾矿性能检测表
  项目
  测值
  标准
  JGJ53-92
  结论
  说明
  筛分mm
  *
  *
  *
  *
  含泥量%
  2.9
  小于5.0
  合格
  按小于C30评定
  泥块含量%
  0
  小于2.0
  合格
  同上
  表观密度Kg/m3
  2610
  -
  -
  -
  堆积密度Kg/m3
  1420
  -
  -
  -
  *该砂细度模数为0.8,属特细砂。
  综上所述,密云铁矿的碎石和尾矿分别用作制混凝土小型空心砌块的粗细骨料,但由于原料本身在颗粒形态、粒度分布等方面的先天不足,为保证制品的最终强度,在设计配比时稍微提高了些水泥用量。
  三、混凝土试配
  混凝土试配配合比(固体料重量比)见表3,同时测定了其工作度(维勃度)并分别在养护3天、7天、28天后测试其抗压强度,试配结果各项性能指标均达到设计要求。
  表3 混凝土试配及28天抗压强度检测表
  混凝土设计强度等级
  水泥(%)
  尾矿(%)
  碎石(%)
  28天抗压强度(Mpa)
  C15
  14
  31
  55
  23.6
  C20
  15.9
  29.5
  54.6
  28.2
  C25
  18.5
  27.7
  53.8
  35.5
  三种配比的试验结果说明,用密云铁矿的围岩碎石和尾矿分别为粗细骨料配制的干硬性混凝土能完全达到设计强度,其各种规律与普通粗细骨料配制的混凝土基本一致。
  四、砌块试制
  本次试验砌块的设计强度等级为10Mpa。砌块成型在首钢一建三公司砌块厂完成,所用水泥为32.5普通硅酸盐水泥,成型方法为振动加压成型,一次成型3块,25秒成型一次。成型的为双排半通孔砌块,规格为390×190×190mm。共设计两种砌块配方,配比(固体重量比)见表4:
  表4 砌块配比表
  项目
  碎石(%)
  尾矿(%)
  水泥(%)
  配方1
  63.9
  20.6
  15.5
  配方2
  68.2
  15.3
  16.5
  两种配方砌块成型后自然养护28天,作常规检测,结果如表5:
  表5 砌块抗压强度检测表
  项目
  标准抗压值(Mpa)
  检测抗压结果(Mpa)
  评 定
  容重(Kg/m3)
  平均值
  单块最小值
  平均值
  单块最小值
  配方1
  ≥10.0
  ≥8.0
  10.9
  8.6
  合 格
  1360
  配方2
  ≥10.0
  ≥8.0
  14.7
  11.3
  合 格
  1560
  检测表明,上述两种配方的砌块抗压强度都达到设计要求,其它指标也满足标准,能生产出合格产品。
  五、经济分析
  以年产200万块标准砌块为例,每立方米为68块,则200万块为29412立方米,年所用原料见表6,
  表6 原料年用量
  项目
  碎石(吨)
  尾矿(吨)
  水泥(吨)
  水(吨)
  合计(吨)
  配方1
  25816
  8322
  6262
  4412
  44812
  配方2
  29667
  6656
  7178
  4412
  47913
  碎石加工费用按15元/吨计,水泥按340元/吨计,工业用水按1元/吨计,尾矿不计成本,则原料成本为:(见表7)
  表7 原料成本
  项目
  碎石(元)
  尾矿(元)
  水泥(元)
  水(元)
  合计(元)
  元/块
  配方1
  387234
  0
  2129080
  4412
  2520726
  1.260
  配方2
  445008
  0
  2440384
  4412
  2889804
  1.445
  目前市场上承重砌块销售价为每立方米220元左右,合计每块售价为3.23左右,约是上述砌块配方原料成本的2-3倍,说明按该配比成型的砌块存在较大的利润空间。
  用水量在实际生产时会根据具体情况有所变化,但通过上述计算可以看出,密云铁矿的固体废料用来制作混凝土小型空心砌块在经济方面是可行的,其固体废弃物的最高利用量在原料配比中可达85%,其中尾矿用量可达20%以上。本着既要最大量地利用固体废弃物,又能使原料成本降为最低的目的,综合考虑各种因素,通过试生产阶段的调试,可以得出最佳的原料配合比来进行生产,把原料成本控制在最低限度。
  六、结 论
  综上所述,密云铁矿的围岩碎石和选矿后产生的尾矿可以分别作为混凝土小型空心砌块的粗、细骨料加以利用,在技术上和经济方面都是可行的。
  利用矿山的固体废料来生产混凝土小型空心砌块不仅变废为宝、给面临资源枯竭的矿山寻找出一条新的产业道路,而且减轻了尾矿堆存存在的安全隐患,保护了矿山的生产和生活环境,生产出的绿色建材产品正是国家大力提倡发展的新型墙体材料,市场前景广阔。
  在建筑中使用混凝土小型空心砌块作墙体材料,不仅能节约土地资源及能耗、保护耕地;而且可利用工业废渣、改善建筑功能、提高建筑施工工效等。目前不少地方政府已限制或禁止使用粘土砖。用矿山固体废弃物代替通常意义上的粗细骨料,不但可以降低砌块生产中的原料成本,而且可以走生态建材之路,为矿山寻找出废弃物再利用的途径,创造出新的经济价值。  摘 要 利用铁矿采选过程中产生的围岩碎石及尾矿代替传统砌块生产中的粗细骨料试制混凝土小型空心砌块,通过对样品进行检测及经济分析表明,可以制成符合国家标准的承重混凝土小型空心砌块。这一成果,不仅给面临资源枯竭的矿山带来新的产业方向,而且有利于环境保护。
  关键词 尾矿 混凝土 砌块 环境保护
  一、前 言
  我国的金属矿和非金属矿在采矿过程中的尾矿及围岩大量堆积,占用土地,污染环境。仅以首钢的铁矿为例,其尾矿已堆积近3亿吨,每年新增尾矿1000万吨以上,如何利用这些废弃围岩及尾矿,使之变废为宝,一直是矿山寻求解决的难题。
  今年2月1日起实施的新国标GB/T14684-2001〈建筑用砂〉把人工砂列入为建设用砂源之一。这对尾矿的利用是一个好的机会。如首钢迁安铁矿的尾矿经旋流分选的一部分(细度模数大于2.2)就可以直接作为人工砂使用,但大部分尾矿细度模数仅为0.8左右,作为建筑用砂直接使用目前比较困难。为开发这部分的尾矿利用,我们通过对首钢密云铁矿围岩碎石及尾矿进行分析研究,认为它们可以代替传统混凝土生产中的粗细骨料来生产混凝土小型空心砌块(简称砌块)。
  砌块对骨料有较严格的要求,如质量稳定、粒度级配合理。通常的砌块生产中粗骨料为碎石,细骨料为建筑用砂,砌块的各项性能与混凝土的质量有着密切关系,而混凝土质量与它的组成材料和配合比直接有关,因此,为保证砌块产品的质量,原料的质量和配比必须合格与经济。
  二、原料性能
  为了从技术上证明该铁矿的原料是否可以利用,我们按生产砌块的粗细骨料要求,对原料进行了系统的性能检测。
  1.碎石
  作为粗骨料的碎石,为围岩破碎所得,成分为斜长角闪片麻岩、石英岩、角闪岩、辉绿岩,均为太古代变质岩,岩石坚固、耐用,化学成分合格、稳定。碎石的破碎加工方法将会影响到碎石颗粒形状及级配,从而影响制品的最终强度。最好的碎石形状是接近正方形的小立方体石块,片状或针形者都不宜用来拌制高标号混凝土。共制取样两次,第一次样品中针尖状、片状颗粒含量较多,而且粒径分布、级配不合理;第二次碎石中针片状颗粒及粒径分布状况有所改善,粒径主要分布在1cm左右,外观基本符合要求。
  性能检测内容见表1,结果表明碎石基本符合粗骨料对原料的要求。
  表1 碎石性能检测表
  项目
  测值
  标准
  JGJ52-92
  结论
  说明
  筛分mm
  *
  *
  *
  *
  含泥量%
  1.6
  小于2.0
  合格
  按小于C30评定
  泥块含量%
  0
  小于0.7
  合格
  同上
  针、片状含量%
  6.4
  小于25
  合格
  同上
  表观密度Kg/m3
  2670
  -
  -
  -
  堆积密度Kg/m3
  1380
  -
  -
  -
  压碎指标%
  11
  16
  合格
  按小于C35评定
  *该碎石级配按连续粒级公称粒级5-10mm评定:10mm筛余合格,5mm筛余比标准规定小17%,2.5mm筛余合格。最大粒径10 mm。
  2.尾矿
  砌块原料一般要求成分中硫含量(换算成SO3)小于0.5%,无活性硅(如燧石等),才能保证制品的长期稳定性。尾矿由透明和不透明矿物组成,主要为石英、长石、角闪石、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿等,对制作砌块的质量不会造成影响。
  该尾矿的化学成分为(重量百分比):
  SiO2 Al2O3 MgO CaO TiO2 P2O5 TFe SFe S
  73.41 7.34 2.93 3.55 0.17 0.24 3.91 3.14 0.057
  可以看出该尾矿为高硅、低硫(换算成SO3%为0.14%),其中硅以石英和硅酸盐形式存在,为非活性硅,化学成分基本符合原料要求。
  该尾矿筛分结果显示粒度较细,其细度模数刚刚达到特细砂的标准,远不符合生产砌块原料对砂的级配要求。如果以0.2mm为界,其筛上物(约占尾矿量的30%)的粒度级配基本接近细骨料级配要求中的细砂,但如果只利用0.2mm以上的颗粒,尾矿的整体利用量就会太小,不符合我们开发的初衷。因此试验中用来作为细骨料的尾矿没有再作筛分,一则可以较大量地利用尾矿,二则是避免增加生产工序,增大生产成本。
  其它性能检测见表2,结果表明尾矿作为细骨料在性能指标上基本合格。
  表2 尾矿性能检测表
  项目
  测值
  标准
  JGJ53-92
  结论
  说明
  筛分mm
  *
  *
  *
  *
  含泥量%
  2.9
  小于5.0
  合格
  按小于C30评定
  泥块含量%
  0
  小于2.0
  合格
  同上
  表观密度Kg/m3
  2610
  -
  -
  -
  堆积密度Kg/m3
  1420
  -
  -
  -
  *该砂细度模数为0.8,属特细砂。
  综上所述,密云铁矿的碎石和尾矿分别用作制混凝土小型空心砌块的粗细骨料,但由于原料本身在颗粒形态、粒度分布等方面的先天不足,为保证制品的最终强度,在设计配比时稍微提高了些水泥用量。
  三、混凝土试配
  混凝土试配配合比(固体料重量比)见表3,同时测定了其工作度(维勃度)并分别在养护3天、7天、28天后测试其抗压强度,试配结果各项性能指标均达到设计要求。
  表3 混凝土试配及28天抗压强度检测表
  混凝土设计强度等级
  水泥(%)
  尾矿(%)
  碎石(%)
  28天抗压强度(Mpa)
  C15
  14
  31
  55
  23.6
  C20
  15.9
  29.5
  54.6
  28.2
  C25
  18.5
  27.7
  53.8
  35.5
  三种配比的试验结果说明,用密云铁矿的围岩碎石和尾矿分别为粗细骨料配制的干硬性混凝土能完全达到设计强度,其各种规律与普通粗细骨料配制的混凝土基本一致。
  四、砌块试制
  本次试验砌块的设计强度等级为10Mpa。砌块成型在首钢一建三公司砌块厂完成,所用水泥为32.5普通硅酸盐水泥,成型方法为振动加压成型,一次成型3块,25秒成型一次。成型的为双排半通孔砌块,规格为390×190×190mm。共设计两种砌块配方,配比(固体重量比)见表4:
  表4 砌块配比表
  项目
  碎石(%)
  尾矿(%)
  水泥(%)
  配方1
  63.9
  20.6
  15.5
  配方2
  68.2
  15.3
  16.5
  两种配方砌块成型后自然养护28天,作常规检测,结果如表5:
  表5 砌块抗压强度检测表
  项目
  标准抗压值(Mpa)
  检测抗压结果(Mpa)
  评 定
  容重(Kg/m3)
  平均值
  单块最小值
  平均值
  单块最小值
  配方1
  ≥10.0
  ≥8.0
  10.9
  8.6
  合 格
  1360
  配方2
  ≥10.0
  ≥8.0
  14.7
  11.3
  合 格
  1560
  检测表明,上述两种配方的砌块抗压强度都达到设计要求,其它指标也满足标准,能生产出合格产品。
  五、经济分析
  以年产200万块标准砌块为例,每立方米为68块,则200万块为29412立方米,年所用原料见表6,
  表6 原料年用量
  项目
  碎石(吨)
  尾矿(吨)
  水泥(吨)
  水(吨)
  合计(吨)
  配方1
  25816
  8322
  6262
  4412
  44812
  配方2
  29667
  6656
  7178
  4412
  47913
  碎石加工费用按15元/吨计,水泥按340元/吨计,工业用水按1元/吨计,尾矿不计成本,则原料成本为:(见表7)
  表7 原料成本
  项目
  碎石(元)
  尾矿(元)
  水泥(元)
  水(元)
  合计(元)
  元/块
  配方1
  387234
  0
  2129080
  4412
  2520726
  1.260
  配方2
  445008
  0
  2440384
  4412
  2889804
  1.445
  目前市场上承重砌块销售价为每立方米220元左右,合计每块售价为3.23左右,约是上述砌块配方原料成本的2-3倍,说明按该配比成型的砌块存在较大的利润空间。
  用水量在实际生产时会根据具体情况有所变化,但通过上述计算可以看出,密云铁矿的固体废料用来制作混凝土小型空心砌块在经济方面是可行的,其固体废弃物的最高利用量在原料配比中可达85%,其中尾矿用量可达20%以上。本着既要最大量地利用固体废弃物,又能使原料成本降为最低的目的,综合考虑各种因素,通过试生产阶段的调试,可以得出最佳的原料配合比来进行生产,把原料成本控制在最低限度。
  六、结 论
  综上所述,密云铁矿的围岩碎石和选矿后产生的尾矿可以分别作为混凝土小型空心砌块的粗、细骨料加以利用,在技术上和经济方面都是可行的。
  利用矿山的固体废料来生产混凝土小型空心砌块不仅变废为宝、给面临资源枯竭的矿山寻找出一条新的产业道路,而且减轻了尾矿堆存存在的安全隐患,保护了矿山的生产和生活环境,生产出的绿色建材产品正是国家大力提倡发展的新型墙体材料,市场前景广阔。
  在建筑中使用混凝土小型空心砌块作墙体材料,不仅能节约土地资源及能耗、保护耕地;而且可利用工业废渣、改善建筑功能、提高建筑施工工效等。目前不少地方政府已限制或禁止使用粘土砖。用矿山固体废弃物代替通常意义上的粗细骨料,不但可以降低砌块生产中的原料成本,而且可以走生态建材之路,为矿山寻找出废弃物再利用的途径,创造出新的经济价值。

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