第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
作为选矿过程中产生的工业固体废弃物，尾矿产出量大，综合利用率低[1]，已经成为我国经济社会发展中不可忽略的重要问题。大批尾矿堆积造成了资源的严重浪费，且对土壤、水、空气造成了污染，还占用大量的土地，更产生了极大的安全隐患[2-6]。从目前看，解决尾矿堆存引发的一系列问题的根本途径，必须依靠二次资源的大宗利用，这也是解决矿产资源短缺和发展矿山循环经济的有效途径，所以世界各国都很重视尾矿等二次资源开发利用[7-11]。我国关于尾矿的综合利用出台了《金属尾矿综合利用专项规划 (2010—2015 年)》等一系列文件，寻求提高尾矿尾矿资源综合利用率。以承德市为例进行说明。承德市矿产资源丰富，共发现矿产 98 种，已探明储量的矿种 55 种，已开发利用的 50 种[12]。在矿产开采、选矿过程中堆存了大量尾矿及废渣，开发了尾矿制备加气混凝土、硅钙板、微晶玻璃等高附加值建材产品。如王修贵等[13]利用承德地区的钒钛磁铁矿尾制备了耐硫酸盐侵蚀性能与抗渗透性能优良的高强混凝土制品；倪文等[14]用大庙钒钛磁铁矿型尾矿制作玻化砖；京能集团用宽城县孤山子钒钛铁尾矿作建筑细骨料。这些探索，都在寻找到大规模应用尾矿的途径，实现尾矿变废为宝。
用尾矿制备混凝土胶凝材料，是规模化应用尾矿的一个重要方面。现代建筑技术的发展对混凝土性能，如耐高温性能、耐久性、透水性等[15-17]，提出了更高要求。因.此，单一水泥组分的胶凝体系已不再满足现在混凝土技术要求，越来越多的科研人员提出了采用尾矿制备混凝土胶凝材料[18-20]。这些利用尾矿制备混凝土胶凝材料探索，有利于改善混凝土胶凝材料的性能，提高矿物掺合料使用率。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 铁尾矿的国内外研究现状
（1）国内尾矿的研究现状
铁尾矿的治理与综合利用一直是工业固体废弃物研究解决的一个重点问题[24]。目前，铁尾矿综合利用共有五个方向，一是尾矿再选，二是尾矿生产建筑材料，三是尾矿用于制作肥料，四是充填矿山采空区，五是尾矿库复垦[25]。其中，综合利用的主要途径是生产建筑材料和充填采空区，两者占总利用量的 96%，生产建筑材料和充填采矿区分别为 43%和 53%；回收有价组分为 3%；其他利用为 1%[26]。目前，这些方向的研究已经取得了较大成果。
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第 2 章 研究思路及方案
2.1 研究思路及目标
本实验以河北省承德县建龙矿业有限责任公司堆存的钒钛铁尾矿为研究对象，根据水泥混合胶凝材料的要求，结合固体废弃物粉煤灰、矿渣和钒钛铁尾矿微粉作掺合料制备出满足 GB/T 14902《预拌混凝土》国家标准要求的 C30 预拌混凝土为目标。本研究沿着“原料分析→特性分析→活性分析→宏观分析→微观分析→混凝土制备”的思路展开。凭借理论与实践，宏观与微观相结合的思路，运用实验、观察、规律总结、对比分析等方法和手段进行研究。具体如下：
（1）钒钛铁尾矿的矿物学特性分析。采用筛分法对钒钛铁尾矿的粒度组成进行分析；结合 XRD、XRF、SEM 等测试技术对钒钛铁尾矿的矿物组成进行分析。
（2）矿物掺合料的活化试验。采用实验室用小型球磨机，每次 5kg，对预拌混凝土所用的尾矿进行不同程度的粉磨。使用激光粒度分析仪分析磨细尾矿的粒度分布状况并用勃氏比表面积测定仪测定其比表面积，并通过胶砂块实验，选择合理的粉磨时间。
（3）胶凝材料的水化机理分析。结合 XRD、水化热分析仪、SEM 等测试方法对反应产物的种类进行判定，并对其形成机理进行分析，展示了钒钛铁尾矿水化产物的种类和形成过程。
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2.2 技术路线
本论文的技术路线如图 2-1 所示。
首先是对原始钒钛铁尾矿的处理，先用小型震动磨磨 200g，测试其密度；然后采用实验室用小型球磨机，每次 5kg，对混凝土所用的尾矿进行不同程度的粉磨（粉磨时间分别为 10、20、30、40、50min），并测试其比表面积，采用XRD、XRF、SEM、激光粒度等手段分析了不同粉磨时间段钒钛铁尾矿的粒度分布、均匀程度及形貌特征。其次是研究不同比表面积钒钛铁尾矿的活性指数。将粉磨不同时间的尾矿按照不同的比例和不同的参考标准设计和配制胶砂试块，测试其抗压强度及流动度。同时制备净浆试块，利用 XRD、扫描电镜、水化热等仪器，研究其水化形成过程、水化产物、水化速率。随后根据以上实验来确定尾矿在 C30 预拌混凝土中的掺量，研究各原料成分对预拌混凝土性能的影响，并对实验方案进行优化。研究预拌混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。最终根据工程实际情况确定方案应用在工程上。在工程中留样测试其力学性能，观察尾矿混凝土路面后期使用情况，使钒钛铁尾矿的综合效益最大化。
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第 3 章 钒钛铁尾矿特性及活化研究................................ 23
3.1 钒钛铁尾矿的特性研究....................................... 23
3.1.1 钒钛铁尾矿的产出...................................... 23
3.1.2 钒钛铁尾矿的物理特性................................. 23
第 4 章 钒钛铁尾矿制备预拌混凝土的研究.................................. 43
4.1 探索实验............................................. 43
4.1.1 胶凝材料的制备................................... 43
4.1.2 不同原料组成胶凝材料的物理性能........................... 44
第 5 章 尾矿混凝土的工程应用............................... 61
5.1 工程概况............................ 61
5.2 尾矿路面混凝土的成本计算................................ 61
5.3 尾矿微粉路面混凝土的配制............................... 62
第 5 章 尾矿混凝土的工程应用
5.1 工程概况
河北睿索固废工程技术研究院有限公司位于承德市高新区，承德恒盛混凝土有限公司使用北京建筑材料科学研究总院有限公司与河北睿索固废工程技术研究院有限公司合作开发的尾矿微粉制备混凝土进行 3000 平方米路面工程施工。共计使用 600 立方米 C30 路面混凝土，厚 20 厘米，宽 6 米的环型路面。尾矿微粉通过委托加工方式制备，共计 80 吨。图 5-1 是河北睿索固废工程技术研究院有限公司施工前地貌。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本课题研究以钒钛铁尾矿为出发点，以胶凝材料理论为基础，以制备 C30预拌混凝土为目标，沿着“原料分析→特性分析→活性分析→宏观分析→微观分析→混凝土制备”的主线展开。凭借理论与实践，宏观与微观相结合的思路，运用实验、观察、规律总结、对比分析等方法和手段进行研究。得出如下结论：
（1）钒钛铁尾矿的主要化学成分为 SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3，主要矿物组分为铁角闪石、透辉石。通过机械粉磨方式做活化处理，研究发现，钒钛铁尾矿在机械粉磨后，在一定粉磨时间段内，比表面积的增长，会随粉磨时间的不断增长而不断增大。超出一定粉磨时间之后，钢球的封锁能力逐渐降低，粉磨效率逐渐降低。
（2）因其矿物组成以铁角闪石、透辉石矿物相等为主，且硅铝质量含量较低，使用物理化学方法很难提高其水硬性能，钒钛铁尾矿微粉的活性指数，与矿渣粉和粉煤灰相比，低 16%。
（3）水化机理研究发现，尾矿-水泥体系的水化反应体系中，胶凝材料的水化程度降低的起因于尾矿的掺量的增加；早龄期与后龄期相比，尾矿-水泥体系随养护龄期的增加，Ca(OH)2的含量在降低，不论是钙钒石，还是 C-S-H 数量都会增加，整个龄期都会有石英和透辉石矿物残留。由此说明少量硅铝质矿物在机械力化学作用下被活化，证明了尾矿粉在体系内不仅能起到到优化颗粒级配以及简单的物理填充效果，还具有一定的活性。在整个胶凝体系里，发生了一定的二次水化反应。
参考文献（略）