铁尾矿砂混凝土的泌水特性及对混凝土性能的影响本科学位论文.docx
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铁尾矿砂混凝土的泌水特性及对混凝土性能的影响本科学位论文
河北理工大学
本科生毕业论文
题目：
铁尾矿砂混凝土的泌水特性及对
混凝土性能的影响
英文题目：
TheBleedingBehaviorofConcretesPrepared
withFerrousMillTailingsandItsInfluenceon
PropertiesofConcretes
学院：
材料学院
专业：
无机非金属材料工程
班级：
06材3
姓名：
田素芳
学号：
200608010311
指导教师：
蔡基伟
2010年6月10日
摘要
尾矿是选矿厂选别矿石后产生的大量脉石废渣，通常以尾矿浆的形式排出。
目前所有矿山对尾矿的主要处理方式是就近修建尾矿库，将其堆存起来。
这样不仅占用大量土地，而且有很大的安全隐患。
人们对天然砂石的过度开采，严重破坏了自然环境，并且还影响到了建筑业的可持续发展。
为解决铁尾矿的堆存和天然砂的短缺这一对矛盾，同时为了解决铁尾矿砂本身保水性差，泌水量大的问题，本研究利用铁尾矿砂和铁尾矿粉为基本原材料，通过不同的矿物掺合料、减水剂、铁尾矿粉的掺入，配置出早快型、早慢型、晚快型、晚慢型四种泌水类型混凝土，通过测定不同类型混凝土抗压强度和孔结构特征，分析了对强度造成不同影响的具体原因。
试验结果表明，早快型泌水混凝土虽然泌水量大，孔隙率大，但由于塑性收缩，有害孔少，而且实际水灰比低，所以强度依然很高；早慢型泌水混凝土有害孔和多害孔比例高，强度低；晚快型由于加入铁尾矿粉作为微细集料填充，强度也很高，但因为表面开放型气孔多，可能抗渗性不好；晚慢型泌水泌水量少，气孔率低，有害孔少，强度最高，其他性能也最优良，是最佳混凝土泌水类型。
关键词：
铁尾矿砂，铁尾矿粉，泌水，混凝土，强度
Abstract
Theferrousmilltailingsisplantofgangueslagpulpchosenore-dressing,whichisoftenproposedintheformofthetail.Currently,themainmethoddealingwiththeferrousmilltailingsistoconstructtailingdamsforstorage.Thiswillnotonlytakeupmuchoftheland,butalsohavealotofsecurityrisks.Atthesametime,astheincreasesofconsumptionoftheconcretematerialsusedinconstruction,moreandmorenaturalaggregatesareneeded.Theexcessiveexploitationofnaturalsand,notonlyseriouslydamagesthenaturalenvironment,butalsoaffectsthesustainabledevelopmentoftheconstructionindustry.Inordertosolvethecontradictionofthestorageoftheferrousmilltailingsoreandtheshortageofnaturalsand,also,inordertosolvetheproblemthattheadhesivenessoftheferrousmilltailingsoresandisrelativelypoorandthebleedingratioishigh,thispapertakestheferrousmilltailingsoreinQian'an,TangshanasManufacturedFineAggregate（MFA）andmicrofines（powderytheferrousmilltailingsore）.Throughadding15%ofFAandGBRS,differentsuperplasticizeraswellasfinemilltailings,thebleedingofthemixturecanbeclassifiedinto4types,early-rapid,early-slow,late-rapidandlate-slowtypes.Thereasonfortheinfluenceontheconcreteperformanceisanalyzedbymeasuringpressurestrengthandporeindifferenttypeofconcrete.Theresultshowthatthoughthebleedingrateofearly-rapidtypeconcreteishighandtheporosityisbig,theharmfulporeislessduetoplasticshrinkage,alsobecauseofactualwater-cementratiodecreasing,thestrengthishigh.Theratioofharmfulporeishighinearly-slowconcretetype,sothestrengthislow.Thestrengthoflate-rapidishighbecauseofaddingmicrofinesasfineaggregatebutbecausetheporeinsurfaceisopen,mayaffectpenetration-proofquality.Late-slowtypesconcretehaslowporosityandlessharmfulpore,thestrengthishighest,andtheotherperformanceisgood.Itisoptimaltypeofconcrete.
KeyWords：
ferrousmilltailingsore,microfines,bleeding,concrete,strength
目录
第一章综述2
1.1铁尾矿砂的研究现状2
1.1.1尾矿的堆积及危害2
1.1.2铁尾矿的利用现状3
1.2建筑用砂的使用现状3
1.2.1天然砂的缺乏3
1.2.2人工砂的使用状况4
1.2.3铁尾矿砂作为人工砂的研究4
1.3泌水研究现状4
1.3.1泌水成因及影响因素4
1.3.2泌水对混凝土性能的影响。
5
1.3.3铁尾矿砂泌水特性研究6
1.4存在的问题6
第二章试验研究方案7
2.1研究思路7
2.1.1研究铁尾矿砂的基本性质的研究7
2.1.2研究铁尾矿粉及高炉矿渣、粉煤灰的基本性质7
2.2.3研究不同配比铁尾矿混凝土的坍落度大小。
7
2.1.4研究铁尾矿砂混凝土的泌水特性及类型7
2.1.5研究不同类型泌水对混凝土性能的影响7
2.1.6研究不同类型泌水影响强度的原及如何改善的方法7
2.3试验原材料及仪器设备9
2.3.1水泥9
2.3.2矿物掺合料9
2.3.3集料9
2.3.4水和外加剂9
2.3.5试验仪器设备9
2.4试验方法11
2.4.1铁尾矿砂基本性质的测定11
2.4.2碎石基本性质的测定11
2.4.3水泥基本性质的测定11
2.4.4铁尾矿粉基本性质的测定12
2.4.5矿渣、粉煤灰基本性能测定12
2.4.6不同配比混凝土的试验测定12
第三章试验结果与分析讨论15
3.1铁尾矿砂、碎石基本性质试验结果与分析15
3.1.1铁尾矿砂的化学成分与主要矿物组成15
3.1.2铁尾矿砂的颗粒形貌16
3.1.3铁尾矿砂的级配16
3.1.4石的级配17
3.2水泥的物理性质18
3.3铁尾矿粉的性质18
3.4铁尾矿砂混凝土的泌水特性18
3.4.1泌水时间的探究20
3.4.2泌水类型与强度的关系21
3.4.3泌水类型影响强度的原因24
3.4.4不同泌水类型混凝土的孔结构分析26
3.4.5压力泌水分析28
参考文献30
致谢31
引言
铁尾矿作为选矿的一种副产品，尾矿库堆积数量庞大，溃坝事件时有发生，并且占用大面积土地，严重污染环境，已经引起社会上高度重视。
如何消纳和利用尾矿砂，使之变废为宝，已经成为当今的热门研究课题。
对此，国内外都进行了很多研究，在提取有用元素，生产建筑材料等方面取得很多成就。
但真正消纳和利用尾矿砂，仍需要进一步研究。
当今天然砂短缺，铁尾矿砂是生产人工砂的很好原料。
本课题基于这个基础，研究铁尾矿砂的各种物理化学性能、粒度分布、表面特征等，在与天然砂对比的同时，研究各组铁尾矿砂混凝土的泌水特性。
初步分为早快型、早慢型、晚快型、晚慢型四种类型，并通过试验测定其对混凝土性能的不同影响，从而确定出最佳配比，为实现铁尾矿砂的最佳利用提供依据。
第一章综述
1.1铁尾矿砂的研究现状
1.1.1尾矿的堆积及危害
尾矿是选矿厂选别矿石后产生的大量脉石废渣，通常以尾矿浆的形式排出。
尾矿数量庞大，国内外一些大型选矿厂的尾矿常达数亿吨。
截止2007年，我国现有大大小小尾矿库10000多个，全部金属矿山堆存的尾矿高达60亿吨以上，而且以每年产出3亿吨尾矿的速度增加，其中仅铁尾矿就约占总量的1/3，唐山地区铁尾矿累计堆存就已达2亿吨以上[1]。
而尾矿库的一起起溃坝事件也让人触目惊心。
根据有关报道：
2008年9月8日山西省临汾市襄汾县塔儿山铁矿发生了特别重大溃坝事故，坝高50米，垮塌后库区20万立方的泥浆形成了宽约300多米、长约2公里多的泥石流，吞噬了下游的一个农贸集市和两个村子，276人遇难，造成国家经济损失达1105万元。
而我们在震惊之余，回头看看，这些悲剧在过去屡见不鲜：
2007年11月25日，辽宁海城尾矿库溃坝，16人遇难；2006年4月30日，陕西镇安县黄金尾矿溃坝，17人遇难；1993年，福建省潘洛铁矿库区内发生山体大规模滑坡，14人遇难；1992年5月24日，河南滦川县赤土店乡钼矿尾矿库发生大规模坍塌，12人遇难；1985年8月25日湖南柿竹园有色矿牛角垄尾矿库溃坝，49人遇难；1962年9月26日云南锡业公司火谷都尾矿库溃坝，171人遇难……
尾矿堆积不仅具有很大的安全隐患，给国家和人民生命财产造成巨大损失，而且污染环境.最为典型的例子就是曾经资源丰富的鞍山，由于周边形成的30多平方公里的排岩场和尾矿库，这个全国最大的排岩场和尾矿库内几乎寸草不生，就像一个人工造就的巨大沙漠，它也成为鞍山最大粉尘污染源。
不仅如此，尾矿库的渗透水含有多种有害成分，污染水体。
随着尾矿堆积不断增加，占用土地面积越来越大，国土资源部发布的2007年度《中国地质环境公报》中指出“截止2007年全国矿业开发占用损坏的土地面积为165.8万公顷，其中尾矿堆放90.9万公顷”。
污染环境，占用土地，危害人民群众生命安全，给国家造成巨大经济损失，使得尾矿的合理有效处理及研究刻不容缓。
1.1.2铁尾矿的利用现状
目前，铁尾矿综合利用的途径主要有以下几个方面：
①铁尾矿再选与有价元素的综合回收，如铁、钛、硫、钴、金、银等有用成分；②利用铁尾矿充填矿山采空区；③复垦植被；④利用铁尾矿作土壤改良剂及微量元素肥料；⑤开发生产建材产品。
例如生产微晶玻璃、瓷砖、草坪砖、空心砖、河砂等。
对铁尾矿的开发研究，国外进行的较早。
早在60年代初，前苏联就开始了尾矿建材的研究和生产，主要是把尾矿砂进行适当分级后作为混凝土粗细集料，或者作为原料生产水泥。
加拿大除以尾矿墙体材料研究为特色外，魁北克矿山还用磨细的尾矿烧制出耐火硅砖。
美国绝大多数尾矿被用作混凝土填料和铺路材料。
日本有人将铁尾矿与10％的硅藻土混合，烧制成轻质骨料。
国外许多金属矿山都将二次资源进行了优化处理，并将剩余的尾矿用于制造尾矿砖和建筑材料等[2]。
国内外对尾矿砂的研究均投人了大量资金，并已取得了明显的经济效益和社会效益。
目前，我国高硅铁尾矿建筑材料利用主要集中在高标号水泥、建筑陶瓷、免烧砖和烧结砖、高档装饰材料、微晶玻璃、花岗岩等[3]。
马鞍山矿山研究院利用齐大山选矿厂尾矿加入一定的配料（碎石、砂子、粉煤灰及粘土）及石灰，经一定的处理后作为路面基料，并在沈阳至盘山的12km路段进行了工业试验，经公路部门的测定表明。
已达到了二级公路对路基的强度要求。
该院还利用齐大山、歪头山细粒尾矿研制免烧砖、饰面砖，其性能达到了100#标准[2]。
从20世纪80年代开始，我国对矿产资源综合利用工作加强了宏观管理，明确了指导方针。
并于1986年首次在《中华人民共和国矿产资源法》中将尾矿综合利用以法律的形式提出，这为开展铁尾矿的综合利用创造了条件。
以上研究都有着重要的经济效益和一定的社会效益，但要想大量消纳尾矿，解决大面积土地被占用情况以及有效缓解环境破坏，对尾矿砂的研究还有待深化。
1.2建筑用砂的使用现状
1.2.1天然砂的缺乏
在社会高速发展的21世纪，面对实施国家第十一个五年计划的新时期，建筑行业更是发展迅速，砂石在多数地区已面临着天然砂减少、短缺或枯竭。
为了满足建筑用砂需求，很多不法开采者对天然砂石集料地随意开采，滥采滥用，破坏农田、河床，造成桥梁塌陷等事故，造成很大经济损失[4]，而且还影响到建筑业的可持续发展。
现在全国各地已制订了一些政策、法规，如广东省颁布了《采石取土管理规定》、国土资源部发出了《关于清理整顿河道采砂的紧急函》、济南市颁发了《整顿地方建材生产加强生态环境自然景观保护的通知》、江西九江市政府作出决定“三百里长江今日起封江禁采”等。
如何开发新的混凝土骨料资源——人工砂，保证满足国家新时期建设之需要，已是摆在我们面前的一个严峻问题。
1.2.2人工砂的使用状况
人工砂在工程中的地位越来越重要，成为建筑用砂的重要来源。
目前国内人工砂生产主要有3种形式，一种是开矿产石的同时专门生产人工砂，这多属于大型企业（即年产砂石100万吨以上）；一种是在河道里用卵石生产机制砂，或配以少量天然砂生产混合砂，这多属于中型企业（即年产砂石50万吨左右）；再一种是利用各种尾矿生产的，经过简单再加工和筛分，或直接利用，这多属于小型企业（即年产砂石30万吨以下，甚至几万吨）。
国标允许使用人工砂，人工砂作为混凝土细集料有其固有的优势，主要有：
1.资源优势可利用各种尾矿废弃物生产，资源广泛，成本低。
2.由于产原固定，机械化生产，颗粒大小、级配可调，而且石粉的合理使用可以有效改善混凝土的性能[5]。
1.2.3铁尾矿砂作为人工砂的研究
铁尾矿是生产人工砂很好的原料，平均每吨尾矿可以生产60%-70%作为建筑用人工砂，这是将铁尾矿变废为宝的一个重要途径，也是消纳铁尾矿、实现矿产资源可持续发展的一个有效措施。
然而，利用铁尾矿代替天然砂作集料配制砂浆，还缺乏系统的理论研究以及工程应用实际经验的积累。
铁尾矿砂作为副产人工砂，其物理化学性能、粒度分布、表面特性等方面与天然砂有一定的差异，相对来说粘聚性保水性较差，用铁尾矿砂代替天然砂需要解决工作性，泌水性对混凝土强度等性能等问题[6]。
因此，本文将根据铁尾矿砂的基本性质，以铁尾矿砂作细集料，研究铁尾矿砂浆的泌水特性以及对混凝土性能的影响，为铁尾矿砂在建筑砂浆中的实际应用做一些基础的研究，使铁尾矿有更大的用武之地[7]。
1.3泌水研究现状
1.3.1泌水成因及影响因素
拌和物的离析指的是拌和物各组分分离，造成不均匀和失去连续性的现象。
通常离析指的是砂浆和粗集料产生分离。
这种分离有两种类型：
一种是较重的混凝土颗粒沉到新拌混凝土底部，另一种是混凝土和粗集料分离，通常这是由于不适当的成形和振动引起的
。
搅拌均匀的拌和物发生各类颗粒分离的直接原因，是颗粒之间发生可不同的运动而产生不同的位移。
例如，拌合物沿着一斜槽下落时，塑性拌合物表面部分比在滑槽底面部分的流动快，颗粒重的部分比颗粒轻的部分速度快，故此而发生离析。
泌水通常是由于处在新拌混凝土中的集料颗粒不能吸收所有的拌和水所引起的，实质上也是一种离析。
大部分的泌水发生在水泥水化的诱导期，这时胶凝材料还没有充分的水化。
在混凝土中用水量和水灰比是影响泌水的主要因素，增加用水量和水灰比也就是增加了泌水所能得到的水分。
普通混凝土的用水量增加五分之一，泌水量可增加两倍或一倍半
。
粉煤灰、磨细矿渣、硅灰及其他火山灰材料的掺入都会减小泌水，这不仅是胶凝材料含量的增加，而且也是由于这些矿物掺合料的微细集料作用明显，而且比表面积大，具有较好的保水性有关。
1.3.2泌水对混凝土性能的影响
在新拌混凝土表面产生有少量的泌水是正常现象，这对于新拌混凝土的质量也没有什么不利得影响，如缺少适当的泌水，混凝土表面则会产生塑性收缩开裂，或过干的表面也不易于抹面作业。
但是过度的泌水则会导致混凝土性能的下降。
1）泌水将导致浆体与集料以及与钢筋材料黏结的下降
混凝土的泌水是由下而上的运动，在运动过程，如遇到集料的话，这些水将受阻并在集料下富集起来，形成较大的宏观缺陷。
这些缺陷将成为裂纹形成的源泉和裂纹扩展的最短途径，将成为水及有害杂质进入的通道，也将成为冰冻的场所。
因此，会导致混凝土的一系列性能的降低。
在钢筋混凝土中，泌水还易于积聚在钢筋增强材料及其它预埋构件下面，过多的但过多的积水和孔隙的产生，则会减小钢筋的埋设强度、浆体与钢筋的黏结力，并且可能会导致锈蚀作用的增加。
这是因为钢筋未获得浆体的直接保护。
孔隙内的水分与碳化作用也会增大钢筋受锈蚀作用的危险[9]。
2）泌水将引起混凝土体积的变化及导致变形的不一致性
混凝土的离析泌水导致在混凝土底部或某些其他部位富集较多的集料，而表面富集将多的砂浆或水泥浆。
由于表面固体颗粒的位置被水所代替，固体物质的体积会相对减小。
即使在表面未观察到泌水的情况下，也会产生沉降。
另外，随着水泥的水化进行，富集较多集料的部位将产生较少的变形，而富集较多水泥浆或砂浆的部位将产生较大的变形。
这种变形的不一致性叫导致混凝土产生较大的内应力，严重时将导致混凝土开裂
。
1.3.3铁尾矿砂泌水特性研究
铁尾矿砂作为细集料，表面粗糙，棱角尖锐，比表面积大，彼此的啮合程度高，用它配制的混凝土的砂率比天然砂混凝土的砂率大，坍落度减小，粘聚性不如天然砂混凝土，保水性较天然砂混凝土差，易产生离析和泌水，泌水率明显的比天然砂混凝土大。
而且用铁尾矿砂配制的混凝土对外加剂的敏感程度比天然砂的要大[10]。
通过掺加合适的矿物掺合料和一定量的石粉可以有效改善铁尾矿砂混凝土的泌水情况，尽量消除泌水对于混凝土的不良影响，实现最合理利用。
1.4存在的问题
1）利用铁尾矿代替天然砂作集料配制混凝土，还缺乏系统的理论研究以及工程应用实际经验的积累。
铁尾矿砂是一种副产人工砂，与天然砂有很大差别，若直接按普通建筑混凝土配合比设计方法配制尾矿砂混凝土，可能会存在下列问题：
铁尾矿砂颗粒多棱角、表面较粗糙、级配不良等，会影响混凝土的工作性、强度及其它性能。
2）国内外对泌水的研究尚且不足，只进行定性分析而没有定量的研究泌水量及程度对混凝土性能的影响。
铁尾矿砂代替人工天然砂，由于级配不良，离析泌水严重，会对混凝土性能产生不良影响。
因此，本文拟在研究铁尾矿砂泌水特性及对混凝土性能影响方面，分析早快型、早慢型、晚快型、晚慢型四种泌水类型产生原因，提出最佳配比，优化混凝土性能。
第二章试验研究方案
2.1研究思路
2.1.1研究铁尾矿砂的基本性质的研究
测定铁尾矿砂的化学成分、主要矿物组成、表观密度、堆积密度等，研究铁尾矿砂的级配分布特点及细度模数。
2.1.2研究铁尾矿粉及高炉矿渣、粉煤灰的基本性质
测定其密度，比表面积，并研究其各自不同掺量对混凝土泌水特性的影响以及对强度的影响。
2.2.3研究不同配比铁尾矿混凝土的坍落度大小
测定各组混凝土的坍落度大小，必要时进行坍扩度测量，来检验所配混凝土的工作性好坏。
2.1.4研究铁尾矿砂混凝土的泌水特性及类型
测定各组混凝土的普通泌水情况及个别组压力泌水情况，根据回归公式作图分析得出四种泌水类型：
早快型、早慢型、晚快型、晚慢型。
2.1.5研究不同类型泌水对混凝土性能的影响
测定每组混凝土的3天、7天、28天强度，并分析这四种泌水类型与强度的关系。
2.1.6研究不同类型泌水影响强度的原及如何改善的方法
分析不同泌水类型的成因，及对强度造成不同影响的原因。
找出最佳泌水类型，使铁卫矿砂的各项性能达到最佳。
2.2技术路线
2.3试验原材料及仪器设备
2.3.1水泥
试验用水泥为唐山冀东水泥厂生产的普通硅酸盐水泥（PO42.5）。
其化学组成见表2-1，物理性能见表2-2。
表2-1水泥的化学组成/%
样品名称
LOI
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
K2O
Na2O
Cl-
P·O42.5R水泥
3.75
21.72
6.50
2.93
57.44
3.02
2.46
1.09
0.15
0.02
表2-2水泥的物理性能
水泥品种
密度
细度
比面积
m2/kg
稠度
%
初凝min
终凝min
安定性mm
抗折（MPa）
抗压（MPa）
45
μm
80
μm
3d
28d
3d
28d
P·O42.5R水泥
3.05
4.0
0.5
387
26.2
184
238
0.83
6.7
9.2
29.6
58.2
2.3.2矿物掺合料
粉煤灰（FA）：
属于Ⅱ级粉煤灰，产自唐山电厂，密度为2.24g/m3比表面积为414m2/kg；
高炉矿渣（GBFS）：
产自鑫泉矿粉厂，比表面积411m2/kg；
尾矿粉：
用迁安尾矿砂粉磨30min，比表面积为444m2/kg。
2.3.3集料
试验用细集料主要为迁安尾矿砂，试验用粗集料主要为迁安碎石。
2.3.4水和外加剂
拌和用水为市供自来水。
外加剂为JF-9泵送剂。
2.3.5试验仪器设备
试验用一起设备见表2-3
表2-3主要仪器设备
仪器名称
型号
生产厂家
水泥胶砂搅拌机
水泥标准养护箱
水泥胶砂振实台
电热鼓风干燥箱
强制式单卧轴混凝土搅拌机
小球磨机
勃氏透气比表面积仪
恒温水浴锅
托盘天平
称
电子天平
李氏密度瓶
容量筒
坍落度筒
量筒3只
吸管
振动台
捣棒
砂浆稠度仪
数显式液压压力试验机
压力试验机
电动抗折试验机
泌水筒
压力泌水
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