薛忠言

（重钢西昌矿业有限公司）

长期以来，西昌矿业一直把综合利用固体废弃物作为企业生存发展的重要措施。从2008年开始，通过借鉴兄弟单位的经验以及与科研部门合作，探索开发建筑砂石料、混凝土免烧砖、混凝土路面砖、彩色地砖、墙体板等多种产品，目前，建筑砂石料加工已产业化。

受用户观念的限制，用钒钛磁铁矿废渣开发的砂石料产品虽然在技术质量上可行，但产品销售不畅，废渣利用率仅在15%左右，影响了综合利用开发的进程，矿山废石和尾矿废渣开发利用已成为当前公司研究的重要课题［1-13］。

1 采选废渣集料的来源及性能

1.1 采选废渣集料的来源

西昌矿业公司太和矿区采用露天开采，开采过程中需要剥离大量的岩石和低品位表外矿，这些低品位表外矿经破碎、干式磁选、高压辊磨机超细碎、湿式粗粒磁选获得干选碎石和中砂，湿式粗粒磁选精矿进入磨矿分级系统。矿石经破碎、磨矿、选别作业获得细尾砂。选矿厂年产碎石和尾砂近200万t。碎石和尾砂的主要成分是辉长岩，密度一般在2.8～3.1 g/cm3，孔隙度很小，压缩强度一般达200～280 MPa，耐久性高。

1.2 采选废渣集料的性能

按《建设用砂》（GB/T 14684—2011）、《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）和《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）标准检测，尾砂和碎石、废渣的性能检验结果见表1~表3。

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由表1～表3可知，碎石和尾砂的质量满足《建设用砂》（GB/T 14684—2011）和《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的要求；碎石和尾砂有害物质含量和放射性低，废渣吸水率、强度与普通集料相当，无铁分解和集料生锈现象，表观密度和堆积密度较常规混凝土集料大；碎石和尾砂表观密度比常规混凝土集料高10%左右；废渣集料堆积密度比常规混凝土集料高3%～7%。

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2 混凝土配合比设计

设计不同水胶比的混凝土，通过试配测试混凝土性能，确定废渣集料能够配制的混凝土最高强度等级。按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）规定计算、试配和调整，坍落度控制值为180±30 mm的废渣集料混凝土配合比见表4。

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集料中细尾砂密度越大，混凝土拌合物的和易性越差。集料密度大，说明材料的结构致密，吸附水的性能差；同时集料密度越大，其与混凝土拌合物中粉料的颗粒质量差异增大，混凝土拌合物更容易分层、泌水。研究发现，单独采用废渣机制砂，并掺入细尾砂，细尾砂与中砂按不同比例搭配使用，即使在高水胶比时，废渣集料混凝土拌合物的保水性仍然较差，易离析，不能满足混凝土的和易性要求。试验发现，采用废渣机制砂与天然河砂混合，或采用高增粘减水剂（即提高减水剂的增粘组分含量），废渣机制砂混凝土拌合物的分层、泌水得到改善，和易性能够满足要求。

废渣集料混凝土密度较普通集料混凝土大。全废渣集料泵送混凝土的密度在2 610 kg/m3，比普通集料混凝土高10%左右，按普通混凝土干表观密度的要求（2 000～2 800 kg/m3），全废渣集料混凝土属于普通混凝土。

3 混凝土的性能

3.1 混凝土的收缩

废渣集料混凝土与常规集料混凝土相比，28 d收缩率仅为后者的72%。2种混凝土含有等同的胶材，其收缩驱动力相同，阻碍收缩的集料体积分数相同，因此，其差异在于集料本身抵抗变形的能力，即集料的弹性模量不同，废渣集料具有更高的弹性模量，而其混凝土弹性模量比普通集料混凝土高出许多；在C30、C50配合比的2种集料混凝土收缩试验中，废渣集料混凝土收缩值均明显偏小，保守估计，废渣集料混凝土的收缩值比普通集料混凝土低20%左右。因此，废渣集料混凝土的体积稳定性更好，开裂概率更低，具备更好的耐久性。

3.2 混凝土的弹性模量

废渣集料混凝土抗压强度为48.3 MPa、弹性模量为3.62×104MPa，对比用常规集料混凝土抗压强度为48.1 MPa、弹性模量为3.22×104MPa，此抗压强度介于C35和C40之间，《混凝土结构设计规范》（GB/T50010—2010）中，C35、C40、C60混凝土的弹性模量值分别为3.15×104，3.25×104，3.60×104MPa，对比用普通集料混凝土的试验结果与国家规范相符，废渣集料混凝土的试验结果达到国家规范C60混凝土的要求。混凝土作为非匀质复合材料，其弹性模量取决于主要成分的体积分数、密度和弹性模量以及界面过渡区的特性，废渣集料混凝土和常规集料混凝土的水胶比分别为0.42、0.40，2种混凝土的抗压强度差异小，成分体积分数相同，对比用常规集料混凝土因水胶比更小而获得更密实的浆体，因此废渣集料混凝土弹性模量更高。究其原因，废渣集料具有更高的表观密度、更低的吸水率，这与其具有更高的密度和弹性模量相匹配，废渣集料混凝土收缩率更小，也显示其集料的弹性模量更高；废渣集料的高密度和高弹性模量使其混凝土具有高静力受压弹性模量，而这样的混凝土结构会有更大的刚度，更小的变形，对混凝土结构有利，同时，在预应力混凝土中会降低预应力损失。

3.3 混凝土的抗氯离子渗透性能

废渣集料混凝土与胶材浆体和集料体积分数相同的普通集料混凝土比较，二者抗氯离子渗透性能差异为3%左右。考虑到试验本身的误差，可以看出2种集料对氯离子电流的阻碍效果相近，集料本身的电导作用很低，为正常骨料。废渣集料混凝土C30、C35、C50的电通量与普通集料混凝土C30、C50的电通量都在相应强度等级的常规混凝土电通量范围内，且达到《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T193—2009）中的Q-Ⅲ级别，属较好。试验表明，使用高质量的粉煤灰，按常规配合比，废渣集料混凝土在常用的强度等级（C30～C50）能达到较好的抗氯离子渗透性能。

3.4 混凝土中钢筋的锈蚀、碳化深度

碳化是钢筋锈蚀的重要原因，因此将混凝土中钢筋的锈蚀、碳化深度2个试验结果进行统一分析和评价。废渣集料混凝土与对比用普通集料混凝土的28 d碳化深度分别为6.9，7.2 mm，差异极小，达到《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193—2009）中的T-Ⅳ级别，其抗碳化性能好，且远未达到钢筋锈蚀试验中钢筋保护层厚度（20 mm），钢筋锈蚀试验结果中失重率为0.06%，应属于试验误差。与用普通集料混凝土比较，废渣集料混凝土并未显示出不同的碳化或钢筋锈蚀情况。

3.5 混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能

在混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能试验中，水泥水化产物在硫酸盐环境下会生成膨胀性产物，当膨胀应力达到一定程度时就会造成混凝土开裂、剥落。配合比试验中，均掺入防腐剂来提高混凝土整体的抗硫酸盐侵蚀性能，作为抗硫酸盐侵蚀的防腐剂只改善浆体的抗硫酸盐侵蚀性能，并不会改善集料的性能；2种混凝土的强度损失差异很小，耐蚀系数接近，表明2种集料在此条件下的性能无差异，防腐配合比的C30废渣集料混凝土可经受KS90规定的循环要求，如果掺入防腐效果更好的矿粉，应可配制出更高等级的抗硫酸盐混凝土。

3.6 混凝土的抗冻性能

混凝土的抗冻性能对比试验表明，废渣集料混凝土的强度损失率明显高于对比用普通集料混凝土，证明混凝土中的废渣集料遭受到更大程度的冻害，其混凝土强度损失率为14.6%，远低于25%的临界值，可配制D200混凝土，属于耐冻融的集料；与河砂相比，废渣细集料在配制同等级混凝土时，引气剂的掺量更大。

3.7 混凝土的抗渗性能

在混凝土的抗渗性能试验中，废渣集料混凝土C30、C50的28 d抗水渗透等级分别达到P8、P12，表明在标准养护条件下，泵送配合比的废渣集料混凝土无需特殊措施即可达到常用的抗渗等级，与大多数普通集料混凝土一样。结合与渗透性相关耐久性试验——抗氯离子渗透、碳化和抗硫酸盐侵蚀，2种集料混凝土的结果差异均很小，表明废渣集料在混凝土中的过渡区与普通集料相比没有明显的缺陷或优势，废渣集料本身在常见的侵蚀环境下与普通集料一样显示出惰性，其耐冻性也能满足较高的要求，考虑到其收缩表现，废渣集料混凝土耐久性不会低于普通集料混凝土。

3.8 混凝土中集料的锈蚀

在混凝土中集料的锈蚀试验中，经60 d的观察，集料未出现锈蚀情况，说明废渣集料中铁的形态在碱性、空气和水环境下处于稳定状态。

4 结 论

（1）重钢西昌矿业公司太和矿区钒钛磁铁矿采选废石、尾砂可以用作建设工程普通混凝土的粗细集料。采选废石、尾砂的性能达到Ⅰ类建设用砂石的质量要求；废石、尾砂表观密度比普通集料高10%左右；废石集料堆积密度比普通集料高3%～7%。

（2）采选废石集料混凝土配合比可按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）规定进行。

（3）采选废石集料混凝土具有良好的力学性能和耐久性，无需特殊技术措施，该废石集料可以配制出强度等级为C60的混凝土；废石集料混凝土具有良好的抗氯离子渗透性、抗冻性、抗腐蚀性，废石集料混凝土耐久性不低于普通集料混凝土；废石集料混凝土收缩率比普通集料混凝土低30%左右；全废石集料泵送混凝土的密度比普通集料混凝土高10%左右，同时满足普通混凝土表观密度的要求。