礦業(yè)廢渣生產(chǎn)混凝土砌塊技術(shù)研究

　摘要:主要介紹了礦業(yè)廢渣的危害、綜合利用現(xiàn)狀、用其制作混凝土砌塊的工藝流程；對(duì)孤山礦的礦業(yè)廢渣通過(guò)制作混凝土砌塊對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，證明礦業(yè)廢渣是可以用作混凝土骨料制作混凝土砌塊，并對(duì)礦業(yè)廢渣制作混凝土砌塊進(jìn)行了應(yīng)用前景展望。

　　1 前言
　　中國(guó)金屬礦山儲(chǔ)存的尾礦超過(guò)50億t，而且每年以3 億t 的數(shù)量增加。尾礦排入河道、溝谷、低地，污染水土大氣，破壞環(huán)境，乃至造成災(zāi)害。尾礦的治理和利用是十分緊迫的事情。尾礦綜合回收有價(jià)組分可創(chuàng)造巨大財(cái)富，要加強(qiáng)環(huán)保治理，實(shí)行整體利用；通過(guò)示范工程，技術(shù)攻關(guān)，建立高附加值的產(chǎn)業(yè)，變害為寶，推進(jìn)科技成果產(chǎn)業(yè)化。尾礦是礦山選礦后，在當(dāng)時(shí)條件下不宜再分選回收利用的礦山固體廢料，常堆放于尾礦庫(kù)中。中國(guó)現(xiàn)在較大規(guī)模的尾礦庫(kù)400 多座。

　　金屬礦山堆存尾礦達(dá)50 億t 以上。目前中國(guó)每年產(chǎn)生的尾礦將達(dá)到3 億t 以上，占全國(guó)固體廢料的1/3 左右，而尾礦綜合利用率僅為8.2%左右，到21 世紀(jì)，全國(guó)固體礦產(chǎn)采選業(yè)排出的尾礦將嚴(yán)重影響國(guó)土生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，引起全國(guó)人民的關(guān)注。由于尾礦多已磨至0.07～0.15 mm 以下，儲(chǔ)存在尾礦庫(kù)中或就近排入河道、溝谷低地，溢流滲透，刮風(fēng)揚(yáng)塵，污染水土大氣，造成環(huán)境污染，尾礦治理和利用已是十分緊迫的事情。尾礦量大，是由于中國(guó)大多數(shù)礦山的礦石品味低，多呈多組分共（伴）生，同時(shí)由于歷史原因，選礦回收率低，尾礦中蘊(yùn)藏著許多有用組分，隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用尾礦成為新的礦產(chǎn)資源，因此，尾礦資源化，將是治理尾礦污染環(huán)境、變廢為寶的積極方向。

　　尾礦含有大量可以利用的非金屬礦物，個(gè)別礦山早就將尾礦作為建筑材料、玻璃原料進(jìn)行利用，只可惜未能引起礦業(yè)界的普遍重視。隨著國(guó)家加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)土地管理，尾礦占地成為必須解決的迫切問(wèn)題，只回收有價(jià)尾礦仍然處理不了剩下的大量尾礦。為此，礦山科技工作者加強(qiáng)了對(duì)尾礦中的非金屬組分回收和全部尾礦整體利用的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究。

　　20 年來(lái)尾礦整體利用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，礦山廢石及選廠尾礦可作為鐵路、公路道渣、混凝土粗骨料。多種礦山尾礦可作為建筑用砂、免燒尾礦磚、砌塊、廣場(chǎng)磚、鋪路磚及新型墻體材料原料，有些礦山可制陶瓷墻地磚、瓦、輕質(zhì)材料；許多礦山尾礦已成為良好的水泥材料，有望形成尾礦水泥系列；高硅尾礦可作玻璃；不少尾礦可制微晶玻璃：有望成為新材料原料，日益得到社會(huì)承認(rèn)，成為社會(huì)新生產(chǎn)力的組成部分。

　　2 礦業(yè)廢渣綜合利用現(xiàn)狀
　　2.1 煤矸石的綜合利用
　　煤矸石是采煤過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，包括巷道掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)矸石、采煤過(guò)程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石。它是成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量低、比較堅(jiān)硬的黑色巖石，是由碳質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)砂巖、頁(yè)巖、粘土等組成的混合物。我國(guó)各地煤矸石化學(xué)成分相差很大。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，國(guó)外的主要煤炭生產(chǎn)國(guó)和我國(guó)都已有了數(shù)以億噸計(jì)的煤矸石，并且仍在繼續(xù)增加。煤矸石的堆積不但占用了大量土地，而且其中硫化物的散發(fā)會(huì)污染大氣和水源，其中的黃鐵礦易被空氣氧化放出熱量，甚至引起自燃，煙霧也污染環(huán)境。當(dāng)然，煤矸石也是一種可用的資源。含碳量較高的煤矸石可直接供沸騰爐作燃料；含碳量低的可用于磚瓦、水泥等建材的生產(chǎn)，含碳量極低的可填坑造地或用作路基材料。利用煤矸石還能制造一些化工產(chǎn)品。

　　2.2 廢石及尾礦用作采礦充填料
　　采礦廢石用作充填料充填地下采空區(qū)，既可節(jié)省專(zhuān)門(mén)去開(kāi)采填充料的費(fèi)用，又可減少地表廢石堆的面積，還可以減少或消除廢石對(duì)環(huán)境造成的危害。國(guó)內(nèi)很多礦山都采取了這一措施，收到了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。我國(guó)鈾礦山的廢石已大都用充填料回填了采空區(qū)。

　　2.3 用尾礦粗砂作混凝土骨料
　　它是將尾礦的直接利用，未經(jīng)過(guò)再選規(guī)類(lèi)為非金屬用于制備建筑材料。這是本文討論的重點(diǎn)。

　　2.4 從廢石或尾礦中回收有用金屬
　　廢石及尾礦中常常含有多種有用元素，回收和提取這些元素，不但能在經(jīng)濟(jì)上帶來(lái)收益，而且可以減輕廢石和尾礦對(duì)環(huán)境的污染。

　　3 礦業(yè)廢渣制作混凝土砌塊工藝
　　3.1 混凝土的制備工藝
　　主要指的是混凝土拌和物的攪拌?；炷涟韬臀锏臄嚢?，除了能混合作用外，還能起到一定的塑化和強(qiáng)化作用。生產(chǎn)混凝土砌塊的混凝土，一般采用干硬性的普通混凝土或輕質(zhì)混凝土，干硬性混凝土由于水泥用量和加水量都比較少，集料難于自由拌和，故宜采用強(qiáng)制性攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。

　　混凝土的攪拌時(shí)間，對(duì)拌和物的勻質(zhì)性有明顯影響。攪拌時(shí)間過(guò)短，則拌和不勻，會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度和易性；攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅會(huì)影響攪拌機(jī)的效率，而且會(huì)使混凝土的和易性又重新降低或產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象?；炷翍?yīng)攪拌至各種組成材料混合均勻，顏色一致，對(duì)于高強(qiáng)度混凝土、干硬性混凝土尤應(yīng)注意。在拌和物的攪拌過(guò)程中，自全部材料裝入攪拌筒起，至混凝土由筒中開(kāi)始卸料時(shí)為止，延續(xù)的時(shí)間最短。

　　3.2 混凝土砌塊的成型工藝 
　　 成型是混凝土砌塊生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序。由于混凝土砌塊是半干硬性或干硬性混凝土（流動(dòng)性差），采用振動(dòng)加壓密實(shí)成型是比較理想的工藝方法。其優(yōu)點(diǎn)是：小砌塊成型質(zhì)量好、成型效率高、水泥消耗少、成本低、可以立即脫模養(yǎng)護(hù)，使砌塊生產(chǎn)方式具有較大的靈活性。主要缺點(diǎn)是：成型時(shí)振動(dòng)噪音大。

　　制作試件的試模由鑄鐵或鋼制成，具有足夠的剛度并拆裝方便。試模的表面應(yīng)通過(guò)機(jī)械加工，其不平度應(yīng)為每100 mm不超過(guò)0.05 mm。組裝后各相鄰面的不垂直度不超過(guò)±0.5°。制作試件前，將試模擦干凈并在其內(nèi)壁涂上一層礦物油脂或其他脫模劑。采用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型時(shí)，將混凝土拌和物高出試模上口。振動(dòng)沿試模在振動(dòng)臺(tái)上自由跳動(dòng)。振動(dòng)持續(xù)到混凝土表面出漿為止，刮除多余的混凝土，并用抹刀抹平。

　　3.3 混凝土砌塊的養(yǎng)護(hù)工藝
　　養(yǎng)護(hù)是混凝土砌塊生產(chǎn)的基本工序之一，它對(duì)混凝土砌塊的質(zhì)量影響很大。養(yǎng)護(hù)的目的是為了保證混凝土凝結(jié)硬化得以正常進(jìn)行，使砌塊能獲得所需要的物理力學(xué)性能和耐久性。養(yǎng)護(hù)是混凝土砌塊生產(chǎn)過(guò)程中時(shí)間最長(zhǎng)的工序，通常占整個(gè)生產(chǎn)周期的80%～90%，
　　混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)工藝有三要素，即養(yǎng)護(hù)濕度、溫度和養(yǎng)護(hù)延續(xù)時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件成形后應(yīng)覆蓋表面，以防止水分蒸發(fā)，并在溫度為（20±5）℃情況下靜置一晝夜到兩晝夜，然后編號(hào)拆模。拆模后的試件立即放在溫度為（20±3）℃，濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)試件應(yīng)放在架上，彼此間隔為10～20 mm，并避免用水直接沖淋試件?；炷猎嚰跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行試驗(yàn)。

　　4 礦業(yè)廢渣制作混凝土砌塊力學(xué)性能測(cè)試
　　4.1 礦業(yè)廢渣混凝土配合比設(shè)計(jì)
　　本試驗(yàn)采用的馬鞍山鐵礦選礦后的尾礦，骨料都是用的尾礦，對(duì)尾礦進(jìn)行成分分析所得結(jié)果為：主要SiO2 和 Fe2O3，其中SiO2 含量60%，F(xiàn)e2O3 含量20%，還含有 Al2O3 、MgO、CaO 等。因此尾礦的主要含的有硅、鐵、鈣、鎂、鋁等，其中不含硫及其它有害成分。通過(guò)計(jì)算、試配和配和比的確定，本試驗(yàn)所采用的配合比見(jiàn)表1。
　　其中水灰比：W/C=0.7，混凝土的試配強(qiáng)度為20 MPa，細(xì)骨料是粒徑大于5 mm 的尾礦。

　　4.2 尾礦砂篩分析實(shí)驗(yàn) 
　　 尾礦砂篩分析試驗(yàn)所需篩的規(guī)格可根據(jù)需要選用相應(yīng)篩孔尺寸的圓孔或方孔篩。本試驗(yàn)細(xì)骨料所選用的最大孔徑為5 mm，粗骨料所選的最大孔徑為16.5 mm。

　　本試驗(yàn)取試樣500g，按0.630 mm 篩孔的累計(jì)篩余量為65%，屬Ⅱ區(qū)。石子顆粒配為公稱(chēng)粒級(jí)5～20 mm 的連續(xù)粒級(jí)。 

　　砂的視密度為3 438.4 kg/m3；石子的視密度為2815kg/m3；砂的堆積密度為1480kg/m3；砂的吸水率為7.7%；石子的吸水性能率為2.8%。

　　4.3 礦業(yè)廢渣混凝土試塊的力學(xué)試驗(yàn)
　　制作試塊的尺寸為150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)室常溫養(yǎng)護(hù)28d以后，在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，其抗壓強(qiáng)度比一般混凝土稍高，而且后期強(qiáng)度遠(yuǎn)高于一般混凝土。

　　5 混凝土砌塊工程應(yīng)用前景展望
　?。?）節(jié)地?；炷疗鰤K建筑能耗低，符合國(guó)家技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展政策。
　?。?）自重輕。減少了上部結(jié)構(gòu)的荷載，有利于建筑抗震。小砌塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，空心率為47%，重約18 kg，相當(dāng)于9.6 塊標(biāo)準(zhǔn)磚，墻體自重減少30%左右；
　?。?）施工速度快。1m2 的140m 厚磚墻用標(biāo)準(zhǔn)磚192塊；490 mm 厚的磚墻需用標(biāo)準(zhǔn)塊256 塊，大幅地降低了砌筑工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可提高砌筑速度40%～90%。
　?。?）節(jié)約砂漿。與粘土實(shí)心磚相比可節(jié)約砂漿60%左右；
　?。?）國(guó)外混凝土砌塊應(yīng)用和發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)大量混凝土砌塊配筋砌體的實(shí)踐證明；配筋和注芯不僅提高砌體的強(qiáng)度，還可以大大改善砌體變形的能力，把脆性材料變成了有較好延性的彈塑性材料，并且有較好的抗震性能；
　?。?）鋼材用量適中。與同等規(guī)模的磚混結(jié)構(gòu)相比，鋼筋用量增加30%左右，每m2 建筑面積的含鋼率為20～25 kg；
　?。?）節(jié)約投資。與功能相同其他形式的建筑相比，每m2建筑造價(jià)減少1%～8%，同時(shí)還可免除墻改費(fèi)、投資方向調(diào)節(jié)稅等，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

　　國(guó)內(nèi)試點(diǎn)工程及國(guó)外資料綜合分析表明：高層混凝土砌塊配筋砌體結(jié)構(gòu)與同等規(guī)范的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，工程造價(jià)降低10%～25%，三材（鋼材、水泥和木材）用量減少30%～50%，施工周期縮短1/3 以上。

　　綜上所述，砌塊建筑有諸多的優(yōu)越性。發(fā)展砌塊建筑要加大宣傳力度，政府企業(yè)并舉。國(guó)家從保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)出發(fā)制定了相關(guān)的政策法規(guī)，各級(jí)建委、規(guī)委、墻改辦的正確領(lǐng)導(dǎo)和支持，為砌塊建筑的發(fā)展提供了廣闊的空間。各個(gè)建設(shè)單位尤其是房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)企業(yè)還要改變觀念，做推廣砌塊建筑的主力軍。目前，北京市板式小高層建筑仍主要采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，砌塊建筑仍處于試驗(yàn)階段。砌塊實(shí)際使用量不足現(xiàn)有產(chǎn)量的1/3，這表明，傳統(tǒng)的觀念還沒(méi)有改變，宣傳的力度不夠，普通百姓對(duì)砌塊還不夠了解，砌塊建筑給社會(huì)帶來(lái)的綜合效益還未被認(rèn)可。