不同分选工艺铅锌尾砂制备混凝土及性能研究

许毓海，王明远＊，赵金三，苏振华，罗忠涛

（1. 广西中金岭南矿业有限责任公司，广西 来宾 546100；2. 中国建筑技术集团第一工程分公司，北京 100013）

0 引言

随着铅锌矿开采量的逐年提高，对环境的污染也日益加重。开展铅锌矿山固体废弃物综合利用与处置，实现铅锌矿山固体废弃物的“减量化、无害化、资源化”，化害为利、变废为宝，走资源开发与环境保护相协调的矿业可持续发展道路，是当今重要的研究方向。针对矿山尾矿综合利用的问题，国家发展改革委在《“十二五”资源综合利用指导意见》和《大宗固体废物利用方案》中明确提出要大力推进尾矿伴生有用组分高效分离提取和高附加值利用、低成本生产建材以及胶凝回填利用，开展生态环境治理，推进建设绿色矿山，提高矿产资源综合利用率[1,2]。本文研究了不同分选工艺铅锌尾砂制备混凝土的力学性能、后期耐久性、安全性，以及重金属浸出率等，探明分选工艺对铅锌尾砂制备混凝土性能的影响规律。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

试验中所用水泥为中国天瑞集团郑州水泥公司生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥（OPC）；粉煤灰为 F 类Ⅱ 级粉煤灰，巩义市怡晟粉煤灰加工厂；S95 级矿渣微粉，焦作市丹阳水泥有限公司；铅锌尾砂来自盘龙铅锌矿，根据不同分选工艺取两种，1 号尾砂为经分选后的细尾砂，2 号尾砂为不经分选的全尾砂，经 15min 球磨磨制后，1 号尾砂比表面积为 737m2/kg，2 号尾砂比表面积为 356m2/kg；砂为机制砂和细砂，细度模数分别为 2.8 和 1.0；石为 5～10mm、10～20mm 级配，压碎指标为 6.8%；减水剂为科之杰新材料集团有限公司生产聚羧酸类高性能减水剂，减水率为 25%；水为自来水。主要原材料分析见表 1 和表 2。

图1 和图 2 分别为 1、2 号铅锌尾砂的 XRD 测试结果。由图 1、2 可见，1 号铅锌尾砂主要含有的物质为CaMg(CO3)2，即白云石（白云石晶体属三方晶系的碳酸盐矿物。晶形为菱面体，晶面常弯曲成马鞍状，聚片双晶常见，多呈块状、粒状集合体。纯白云石为白色，因含其他元素和杂质有时呈灰绿、灰黄、粉红等色，玻璃光泽）；2 号铅锌尾砂中除 CaMg(CO3)2，还有部分SiO2。

表1 原料化学组成 %

表2 铅锌尾砂化学组成 %

表3 铅锌尾砂混凝土配合比 kg/m3

图1 球磨 45min 1 号尾砂 XRD 图谱

图2 球磨 45min 2 号尾砂 XRD 图谱

1.2 试验方法

本次试验以 C30、C40 混凝土配合比设计为主，具体配合比和流动性见表 3。

由表 3 可见，铅锌尾砂替代原有掺合料制备混凝土，1 号铅锌尾砂加入后 1C30-1、1C40-1，坍落度均有明显降低，主要原因在于其细度较细，需水量增加明显，影响混凝土流动性[3]。2 号铅锌尾砂加入后的2C30-1、2C30-2、2C40-1、2C40-2，其坍落度明显改善，尤其采用尾砂替代矿粉的 2C30-2 和 2C40-2 配合比，其坍落度及流动性表现良好。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土力学性能

混凝土力学性能试验结果见表 4 和图 3。

表4 混凝土抗压强度

图3 各配合比试件不同龄期抗压强度

图3 为各龄期铅锌尾砂制备混凝土的抗压强度，由数据可见，各龄期抗压强度均能达到规定要求的配合比为 1C30-1、2C30-1 以及 1C40-1、2C40-1，结合坍落度及和易性表现来看，能够符合实际生产的为 2C30-1 及1C40-1、2C40-1，其尾砂掺量为 20%，且宜等量替代粉煤灰，与矿粉复掺效果更好。

2.2 混凝抗渗透性

采用美国 ASTM C1202 规定的氯离子渗透快速测定方法，按照表 3 混凝土配合比配制圆柱体（Ф100mm×50mm），每组 3 个试件，标准养护至 28d 龄期，在混凝土试件的轴向施加 60V 的直流电压，试件的正、负极两侧分别放置浓度为 0.3% NaOH 和 3% NaCl 溶液，记录 6h 内通过试件的电量 Q值。利用通过混凝土的电量计算出扩散系数 Deff。

对普通混凝土：Deff=0.0103× 10-8Q0.84。计算结果见表 5。

表5 氯离子渗透快速测定结果

随着混凝土强度等级的增加，其通过电量明显降低，由 C30 的 985C 降低到 C40 的 876C，主要在于混凝土胶凝材料增加引起其硬化结构密实度的提高，从而提高了其整体的抗渗透性。并且发现采用多组分复合胶凝组分的试样其抗 Cl-离子渗透性能略有下降，但仍满足工程中钢筋混凝土的应用范围，仍具有较高的耐久性。其抗渗性能略有降低的主要原因在于铅锌尾砂活性较低，形成的混凝土结构致密性不足[4]。

2.3 混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

将养护龄期为 28d 的混凝土试块浸泡于硫酸钠溶液中，硫酸钠的浓度为 5wt%，每 7d 更换一次溶液，模拟自然状态下混凝土的侵蚀环境，通过观察其外观形貌变化，并测定其质量损失来判断混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

2.3.1 外观变化

见图 2。经过 28d 的硫酸钠溶液浸泡，各试件外观无明显变化，边角清楚，无表皮脱落现象，说明其 28d龄期抗硫酸盐侵蚀性能良好。

图2 不同配合比混凝土硫酸盐侵蚀 28d 后外观

2.3.2 抗压强度变化

结果详见表 6，可见各混凝土试件养护 28d 后再被硫酸盐侵蚀，侵蚀早期 14d 之前，随着浸泡时间延长，各试件抗压强度有所增长，主要在于早期硫酸盐与混凝土试件水化释放的氢氧化钙反应形成硫酸钙附着于孔隙及毛细管道中，从而形成致密结构。而在 28d 时，形成的硫酸钙体积膨胀造成孔隙越来越大，新的硫酸盐溶液进一步侵入，从而导致其抗压强度明显下降，但下降幅度与空白样基本一致，其中 1C40-1 和 2C40-1 表现较好。

表6 硫酸盐侵蚀环境下试件各龄期强度变化

2.4 混凝土重金属浸出毒性

混凝土重金属含量结果见表 7。

表7 混凝土试件铅锌重金属浸出毒性

由表 7 可见，混凝土铅锌重金属浸出浓度远低于国家标准 GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》，说明当铅锌尾矿作为掺合料成型混凝土时，混凝土结构对铅锌尾矿中的铅锌重金属具有很好的固化作用，能起到固废资源化和降低环境危害的双重效果。

3 结论

分选工艺对铅锌尾砂特性较大，经分选的铅锌尾砂同等磨细时间下其比表面积远远大于全尾砂，铅锌尾砂粉的细度是影响其制备混凝土的力学性能及新拌混凝土流动性的主要因素。并且随铅锌尾砂掺量的增加，水泥砂浆及混凝土的抗压强度均逐渐降低。综合考量各试件抗压强度，氯离子渗透及抗硫酸盐侵蚀等后期耐久性等，推荐 1 号铅锌尾砂掺量应控制在 15% 以内，因其拌和性能较差所以建议制备对流动性要求不高的预制构件混凝土。2 号铅锌尾砂掺量应控制在 20% 以内，可用于制备普通混凝土。