行業知識：關於尾礦微粉應用於混凝土中的一些思考

尾礦粉是什麼

一、尾礦綜合利用的意義與研究概況

尾礦，通常指的是在一定技術條件下，經選礦之後的殘留物，且大部分堆存於地表尾礦庫。尾礦地表堆存，不但佔用耕地，造成環境汙染，而且如設計不當尾礦壩坍塌還會造成人員傷亡等危害。所以對尾礦進行資源綜合利用，實現可持續發展，具有十分重要的現實意義和深遠的歷史意義。

研究表明，尾礦是一種複合礦物原料，尾礦中除含少量金屬組分外，其主要礦物成分為脈石礦物，如石英、輝石、長石、石榴石、角閃石等，黏土、雲母類鋁矽酸鹽礦物，以及方解石、自雲石等鈣鎂碳酸鹽礦物；其化學成分主要以矽、鋁、鈣、鎂、鐵等氧化物為主，並伴有少量硫、磷等。其粒度與建材領域所用原料十分接近，是一種已加工成細粒的天然混合材料。

國內自20世紀80年代開始研究如何利用廢棄的尾礦資源生產建築材料，經過三十多年的科研攻關，如今尾礦作為建築材料在社會的各個方面發揮著重要的作用。例如，利用尾礦生產水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、保溫建材等，同時還成功的地將尾礦用於生產混凝土用的摻合料和細骨料。同時，廣泛用作礦物摻合料的礦粉和粉煤灰資源在我國分佈不均，且隨著鋼鐵、熱電行業去產能，預拌混凝土行業所需的礦粉和粉煤灰資源供應日趨緊張。因此，在可替代、有效的作為混凝土摻合料的材料中尾礦微粉最為理想，且尾礦微粉用作混凝土摻合料不僅可以改善混凝土工作效能、降低水泥摻量、填充混凝土空隙的體積，還對節能降耗、保護環境、促進社會可持續發展等做出重要的貢獻。

二、尾礦的成分和性質

尾礦是選礦廠在特定經濟技術條件下，將礦石磨細、選取“有用組分”後排放的廢物，也就是礦石經選別出精礦後剩餘的固體廢料。一般是由選礦廠排放的尾礦礦漿經自然脫水後所形成的固體礦業廢料，其中含有一定數量的有用金屬和礦物，可視為一種“複合”的矽酸鹽、碳酸鹽等礦物材料，並具有粒度細、數量大、可利用性大的特點。而作為混凝土摻合料用的尾礦微粉是尾礦經過機械力活化和與學活化的方式生產出來的附加值比較高的產品。

無論何種型別的尾礦，其主要元素有O、Si、Ti、Al、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K、P等幾種，但他們在不同型別的尾礦中其含量差別很大，且具有不同的結晶化學行為。根據我國一些典型金屬和非金屬礦山的資料統計，各礦山尾礦化學成分見表1。

正因尾礦主要化學成分有矽、鋁、鈣、鎂等氧化物，其中矽、鋁含量較高，這為作為混凝土摻合料提供了先提條件。最重要的是當中部分化學成分具有潛在的水化活性。一類是含有大量CaO，同時含有活性Al₂O₃和SiO₂的尾礦，其本身沒有獨立的水硬性，但在CaSO4和CaO的激發下，其潛在的水硬性得到激發從而產生緩慢的水化作用，但此類尾礦總體佔比不大；一類是SiO₂含量較高的矽鋁或矽質氧化物，也被稱為具有火山灰性質，這類尾礦單獨遇水時並不能發生水化和硬化，但與Ca（OH）₂混合時，常溫下便能夠生成C-S-H凝膠，當有Al₂O₃時還會產生水化鋁酸鈣或具有膠凝性質的產物；再有一類便是化學成分不具備火山灰活性也不具備潛在水硬性，這類尾礦磨細到一定程度時，會產生類似於活性礦物摻合料的微集料效應、顆粒形貌效應和化學活性效應，在眾多尾礦中屬於此類的佔比較大。

三、尾礦微粉作為摻合料在混凝土中的作用機理與功效

尾礦的化學成分主要以SiO₂、Al₂O₃為主，其具有潛在的火山灰活性，但與玻璃質（粉煤灰）、高活性的天然火山灰不同，大部分尾礦是由晶質礦物所組成，其火山灰活性需要透過活化才能展現。利用活化的尾礦微粉作為混凝土的摻合料，是近年來尾礦綜合利用研究的一個重要方面，對緩解尾礦大量排放造成的環境汙染和安全隱患具有重要作用。

目前，活化尾礦主要採用機械力活化與化學活化。機械力活化是利用機械力破壞物質表面，減小顆粒尺寸，改變其晶體的結構及表面物理化學性質，同時使礦物的晶體結構發生畸變，結晶度開始下降，逐漸出現晶格錯位、缺陷、重結晶等現象，SiO₂和Al₂O₃表現出可溶性，形成包覆於顆粒表面而易溶於水的非晶態形式，使得水分子更容易進入其內部，加速水化反應。物理活化透過改善了顆粒形貌，使顆粒表面粗糙併產生晶格缺陷，提高了顆粒的“形態效應”，為進一步的化學活化提供了有利條件。化學活化是將不具備水化活性的物質或混合物透過適當的化學方法處理後轉變為具有膠凝性的材料，該過程透過新增各種激發劑，如鹼（石灰、水玻璃、NaOH）、熟料、硫酸鹽（CaSO4、Na2SO4 ）等，使聚合度較高的矽酸鹽網路發生解聚，解體後的矽、鋁陰離子團與水泥水化產物Ca（OH）₂作用，進一步生成水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石、等物質組成的C-S-H凝膠。

當尾礦微粉作為摻合料應用於混凝土中時，可部分替代水泥，顯著降低混凝土生產成本，在變廢為寶的同時，實現了經濟效益和社會效益的雙贏。尾礦微粉在混凝土體系中明顯改善了新拌混凝土的工作性，由於尾礦微粉的顆粒細度比水泥小，其比表面積大，吸附能力強，故在摻入尾礦微粉後，新拌混凝土的保水性和黏聚性得到顯著改善，摻量適當時，還可以提高混凝土拌合物的流動性。除此之外，尾礦微粉可以顯著降低水化熱，這對大體積混凝土溫度裂縫的控制十分有利。

總之在混凝土體系中應用尾礦微粉可以起到增加漿體體積功能、調節膠凝材料用量和膠凝過程的功能、填充漿體空隙功能、與水泥整體的協和功能等，使混凝土物理化學作用達到動態平衡，起到了使混凝土效能改善和質量提高的作用。

四、尾礦微粉作為混凝土摻合料需注意的問題與發展趨勢

尾礦微粉在作為混凝土摻合料時雖改善了混凝土的效能、提高了混凝土的質量，但也存在不足。首先尾礦微粉的活性一般低於礦粉和粉煤灰，作為摻合料主要起微集料和填充的作用。再者尾礦微粉在機械力活化磨細的過程中需使用助磨劑來協助研磨分散粒子，助磨劑的種類選擇至關重要，這決定了助磨劑、水泥、減水劑三元系統相容性。例如，應用對水泥水化反應起促進作用的助磨劑，尤其是干擾鈣礬石正常形成速度的早期水化反應，必然使得減水劑的吸附作用打折扣，阻礙減水劑效果的揮發。不同尾礦化學成分含量的不同與其活性的差異決定了尾礦微粉的質量。合適激發活性的方法、合適的研磨粒徑、合適的摻量是尾礦微粉作為混凝土摻合料質量控制的關鍵。

雖然尾礦微粉總體活性要低於礦粉和粉煤灰，但從混凝土的成本、混凝土的工作性及尾礦綜合利用的角度出發，透過採取與礦粉複合的辦法，可以製備出一種具有較高活性且經濟效應可觀的輔助膠凝材料。活化的尾礦單獨作為摻合料或與粉煤灰、礦粉復配應用於混凝土中是提高尾礦綜合利用效率的一種有效手段，同時也是緩解水泥行業環境汙染和降低能耗的一條重要途徑，能夠產生良好的環境效益和社會效益。

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