《铁尾矿及废石大掺量制备绿色混凝土》以实现铁尾矿和铁矿废石大掺量制备混凝土为目标，对铁尾矿基掺合料-全固废骨料混凝土的宏观性能与微观结构进行了系统的实验研究。《铁尾矿及废石大掺量制备绿色混凝土》内容包括：铁尾矿活化和三种不同铁尾矿基三元掺合料体系(IFG、ICS和IPL)的胶凝活性及其随铁尾矿活化条件、水胶比、水泥取代率、三元掺合料体系配合比等参数的变化规律；铁尾矿基掺合料-全固废骨料混凝土的抗压性能及其随掺合料掺量、水胶比、掺合料中铁尾矿的粒度分布、三元掺合料体系配合比等参数的变化规律。《铁尾矿及废石大掺量制备绿色混凝土》揭示铁尾矿基掺合料的水化机理及其对混凝土抗压性能的作用机理，得出铁尾矿基掺合料-全固废骨料混凝土的*佳配料设计。

第1章 绪论
　　1.1 研究背景
　　保持生态平衡，实现可持续发展，已成为当今世界各国关注的焦点。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布了我国实现碳达峰碳中和的总体目标。2021年9月22日，中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》(以下简称《意见》)，就确保如期实现碳达峰碳中和目标做出全面部署，明确了总体要求，确定了主要目标，部署了重大举措，指明了实施路径和方向。2021年10月26日，国务院发布了《2030年前碳达峰行动方案》(以下简称《行动方案》)，在目标、原则、方向等方面与《意见》保持有机衔接的同时，重点聚焦碳达峰目标。这两个文件的相继出台，既是顶层设计，又是举国行动指南。《意见》作为长远的纲领性文件，在碳达峰、碳中和“1+N”政策体系中发挥统领作用，与《行动方案》共同构成贯穿碳达峰碳中和两个阶段的顶层设计，成为各行业推进“双碳”工作的必然遵循，对确保如期完成碳达峰碳中和这一艰巨任务具有历史性意义。
　　我国建筑行业的年碳排放量约占全国年碳排放总量的40%、世界年碳排放总量的8%。就建筑全生命周期碳排放而言，建造阶段的碳排放量占全部碳排放量的24%左右，这一阶段的大部分碳排放来源于水泥和钢铁等高能耗建材的制备。因此，建材行业的降碳对实现“双碳”目标意义重大。
　　混凝土与水泥制品产业是建材工业的重要组成部分，也是生态保护、环保利废、应急抢险等重要的社会保障性产业。作为混凝土主要组分的水泥，在其生产过程中消耗大量不可再生资源，同时排放大量以CO2为主的温室气体。我国幅员辽阔、人口众多，基础设施建设规模大，对混凝土的需求量巨大，如何在保障混凝土供给的同时降低水泥用量，从而降低混凝土生产的碳排放，是混凝土科学研究领域面临的重大挑战。
　　我国金属矿产资源丰富，各种金属矿的开采总量巨大，在矿产加工过程中产生大量尾矿。尾矿的长期堆放造成环境污染、土地占用、生态损害以及资源浪费，严重影响建设资源节约型和环境友好型社会的战略目标的实现。为此，国务院、国家发展和改革委员会等部门联合发文，相继出台相关政策，大力推动固废资源综合利用与循环经济发展，倡导利用尾矿等大宗固体废物生产建材，鼓励发展新型胶凝材料。
　　我国铁矿资源的地质品位低、开采量大，所以铁尾矿产生量巨大，成为我国产生量*大、堆存量*多的大宗工业固体废弃物之一。据统计，2019年我国重点调查企业的铁尾矿产生量为4.4亿t，但综合利用率只有23.4%[1]。图1.1为辽宁省本溪市某铁尾矿库实景。因此，铁尾矿的高效、高值、规模化利用越来越受到各级政府和工业界的重视，已成为热点科研课题之一。
　　图1.1 辽宁省本溪市某铁尾矿库周围环境及堆放状况
　　1.2 铁尾矿综合利用研究现状
　　我国是全球*大的铁矿消费国，消费量约占全球消费总量的2/3。而我国的铁矿资源以贫矿为主(约占总储量的80%)，原矿平均品位只有34.5%，远低于全球49.4%的平均水平[2]。此外，我国铁矿资源的禀赋条件较差，具有矿物嵌布粒度微细，矿石类型复杂，共(伴)生组分多，中、小型矿床多，大型、超大型矿床少等特点，导致国内铁矿开采难度较大，采选成本较高，尾矿产生量大。
　　尾矿是指在对原矿的品位提升过程中，由选矿厂排放的尾矿浆经自然脱水后所形成的固体废料。受选矿技术的限制以及当地经济发展水平的制约，这些尾矿得不到充分利用。一般情况下，选厂都将其排至尾矿库堆放。堆放的尾矿不仅占用大量的土地资源，而且会对周围的生态环境造成严重的损害，选矿残留的化学药剂和矿石中的重金属随着时间的推移和雨水的冲刷，会渗透到土壤中，导致土壤污染、种植功能退化、植被死亡；由于铁尾矿粒度很细，粒径分布多在0.075～0.15mm[3]，主要以细粒、微细粒的矿泥形式存在，风干后遇到暴风天气极易形成尾矿砂暴，造成严重的空气污染，危害人体健康；此外，大量堆放的尾矿也可能引发泥流灾害事故，造成生命财产损失。
　　铁尾矿是我国产生量*大、堆存量*多的大宗工业固体废弃物之一。2019年，我国重点调查工业企业的尾矿产生量为10.3亿t，综合利用量为2.8亿t(其中利用往年储存量1777.5万t)，综合利用率为27.0%；其中，铁尾矿产生量为4.4亿t，在各类尾矿中的占比*大[4]，但综合利用率仅为23.4%[1]。尽管我国铁尾矿综合利用率在不断提升，但发达国家综合利用率普遍超过60%，并且一些工业发达国家已把无废矿山作为矿山发展目标，把矿山固废综合利用程度作为衡量一个国家科技水平和经济发达程度的标志[5]。铁尾矿的利用极具复杂性，必须充分发挥规模效应、经济效应和生态环境效应才能促进铁尾矿综合利用率的提高。
　　1.2.1 铁尾矿种类与成分
　　我国铁尾矿以赤铁尾矿和磁铁尾矿为主，分布集中于内蒙古、四川、辽宁、河北、湖北等地区。按照铁尾矿的化学成分组成，可分为五种类型：高硅型、高铝型、高钙镁型、低钙镁铝硅型、多金属型。我国铁尾矿的全铁品位平均值为8%～12%，*高达27%。我国各地铁矿床的成矿条件与矿床成因不同，使得铁尾矿性质和种类繁杂。铁尾矿的主要矿物组成包括石英、长石、辉石、角闪石、石榴石、云母、绿泥石、蚀变矿物等脉石矿物以及少量的金属组分，是一种复合矿物原料，其化学成分以硅、铝、铁、钙、镁的氧化物为主，还伴有少量的硫、磷等。
　　我国铁尾矿按照伴生元素的含量，可以分为单金属类铁尾矿和多金属类铁尾矿两类。单金属类铁尾矿主要有四种：**种是高硅鞍山型铁尾矿，此类铁尾矿是数量*多的铁尾矿类型，特点是硅含量高(SiO2含量在73%左右)，平均粒度为0.04～0.2mm，不含伴生元素，如*钢密云，鞍钢东鞍山、齐大山、弓长岭、大孤山，本钢南芬、歪头山，唐钢石人沟、棒磨山，太钢峨口等矿山产生的尾矿都属于高硅鞍山型铁尾矿。第二种是高铝马钢型铁尾矿，此类铁尾矿排放量相对较少，主要分布在长江中下游宁芜一带，其特点是Al2O3含量较高，大多数不含有伴生元素，如马钢姑山、江苏吉山、南山和黄梅山等矿山产生的尾矿都属于高铝马钢型铁尾矿。第三种是高钙镁邯郸型铁尾矿，此类尾矿集中在邯郸地区，尾矿中主要伴生元素有S、Co及微量的Cu、Ni、Zn、Pb、As、Ag等，小于0.075mm粒级含量占70%左右，如玉石洼、玉泉岭、西石门、符山和王家子等矿山产生的尾矿都属于高钙镁邯郸型铁尾矿。第四种是低钙镁铝硅酒钢型铁尾矿，此类铁尾矿伴生元素主要有Co、Ni、Ge、Ga和Cu等，含有重晶石和碧玉等非金属矿物，粒度小于0.075mm的尾矿占70%左右。单金属类铁尾矿可以根据其含有的主要元素选择不同的利用途径。
　　多金属类铁尾矿主要分布在我国攀西、内蒙古包头和武钢地区，其特点是矿物成分复杂，伴生元素相对较多。从价值来看，回收其中的伴生元素远超过回收其主金属铁。例如，大冶型铁尾矿中铁含量较高，并含有Cu、Co、S、Ni、Au、Ag和Se等元素，大冶、金山店、程潮、张家洼和金岭等铁矿所产出的尾矿都属于此类铁尾矿；攀枝花矿铁尾矿除含有V、Ti外，还含有Co、Ni、Se、Ga、S等元素；包钢铁尾矿属于典型的白云鄂博型铁尾矿，含有22.9%左右的铁矿物、8.6%左右的稀土矿物，其粒度小于0.075mm的尾矿占89.7%左右。表1.1列举了我国部分地区铁尾矿的主要成分[6]。
　　表1.1 我国部分地区铁尾矿主要成分的质量分数(单位：%)
　　1.2.2 铁尾矿综合利用途径
　　铁尾矿由于其成分复杂、产量大及分布广的特点，其综合利用是一项涉及多层次、多因素的重大课题。目前，铁尾矿综合利用方式主要包括有价元素及矿物回收、制备建筑及筑路材料、用于元素肥料及土壤改良剂、用于充填矿山采空区和尾矿库复垦等。其中，有价元素及矿物回收是尾矿资源的二次再选，其他方式是尾矿的直接利用。针对尾矿堆积引发的一系列严重问题，国内外学者广泛寻找适用于不同种类尾矿的多种利用途径，开展了一系列尾矿综合利用研究。
　　1. 有价元素及矿物回收
　　尾矿中有价元素及矿物回收是提高有价资源回收率的重要途径。目前，从铁尾矿中回收铁元素的技术相对成熟[7]，国外铁矿选厂主要采用高梯度磁选机，从弱磁选、重选和浮选尾矿中回收细粒赤铁矿。印度采用水利旋力和磁力分离技术从铁尾矿中回收含铁61%～65%的精矿，另外还可以从铁尾矿中回收钒、钛、钼、钴等多种有色和稀有金属元素[8，9]。美国的Sivas-Divrigi选矿厂采用浮选法，在*佳浮选条件下从铁尾矿中回收钴、镍和铜，回收率分别达到94.7%、84.6%和76.8%，还可以回收硫等非金属元素以及石英等矿物[10]。
　　国内对铁尾矿有价成分回收的研究起步较晚，但发展较快，主要是通过对工艺流程的改进来提高相应精矿和元素的回收率。李强等[11]对品位24.93%的铁尾矿采用强磁选抛尾-分级-摇床工艺处理后，获得的铁精矿品位和回收率分别为51.07%和40.90%。Chernysheva等[12]采用磁选-絮凝-反浮选工艺从品位19.97%的铁尾矿中回收铁，*终可得品位65.43%的铁精矿，回收率为53.34%。霍松洋等[13]采用1粗3精工艺流程从铁尾矿中回收磷、钛两种元素。王宇斌等[14]采用1粗1精2扫的闭路流程从铁尾矿中回收硫。万丽和高玉德[15]采用1粗3精3扫锌钼硫混浮、1粗4精1扫抑硫浮锌钼流程处理，获得锌钼混合精矿和硫精矿，锌、钼、硫品位分别为41.53%、0.797%、51.75%，回收率分别为92.87%、67.26%、91.51%。崔春利等[16]采用先脱硫后1粗5精浮钛的工艺流程从含硫2.05%的铁尾矿中回收钛精矿，获得的钛精矿品位为36.50%，回收率为61.01%。韦敏等[17]采用1粗、4精的工艺流程获得碳品位为65.29%的石墨精矿，回收率为52.85%。吕昊子等[18]采用1粗1扫5精的浮选闭路流程获得钾品位和回收率分别为7.82%和64.74%的云母精矿。回收铁尾矿中主要金属元素和部分矿物可有效提高资源利用率，对实现资源循环利用具有重要意义。
　　2. 制备建筑及筑路材料
　　铁尾矿因其主要成分中含有SiO2、Al2O3等，可以作为煅烧水泥的原材料，也可以替代天然砂石作为混凝土的粗细骨料[19]。铁尾矿用于生产建筑材料原料是相对成熟的研究方向，研究主要集中于充分利用铁尾矿的同时，进一步提升建筑材料的性能。国外在20世纪60年代就将铁尾矿应用到建筑材料的生产中，我国也于20世纪80年代逐渐利用铁尾矿作建筑材料原料，经过近40年的发展，已经取得了一系列标志性成果。
　　用铁尾矿制备建筑原材料主要包括生产性能优异的铁尾矿水泥[20，21]，或将铁尾矿作为骨料制备不同种类砂浆或混凝土[22-24]。Young等[25]利用高镁低硅型铁尾矿替代黏土，采用常规烧结工艺生产水泥熟料。尽管生产出的水泥熟料力学性能与42.5R级相当，但铁尾矿掺量不足10%。Xiong等[26]的研究表明在铁尾矿水泥中加入BaCO3可以提高水泥的抗硫酸盐腐蚀性。Oladeji和Aduloju[27]发现，将铁尾矿粉加入三类水泥(Burham、Dangote和Elephant)中均可以提高水泥的抗压强度。
　　由于铁尾砂在水泥熟料中的掺量较少，因此为了提高铁尾矿的综合利用率，研究者将研究方向更多地聚焦于制备砂浆和混凝土。Fontes等[28]利用铁尾矿制备了多用途砂浆，与传统砂浆相比，尽管铁尾矿砂浆的容重稍有增加，但其力学性能得到显著改善。Carrasco等[29]通过破坏性实验对比了铁尾矿砂浆在静弹性模量与动弹性模量方面的变化，结果表明弹性模量变化是由动静值间的近似线性关系引起的。程云虹等[30]发现随着铁尾矿掺量的提高，混凝土抗碳化性能在不同龄期均降低；但混凝土抗硫酸盐腐蚀性能会由于二次水化反应的持续进行而随龄期增长得到提高。Shettima等[31]利用铁尾矿

目录
丛书序一
丛书序二
丛书前言
前言
第1章 绪论001
1.1 研究背景001
1.2 铁尾矿综合利用研究现状002
1.2.1 铁尾矿种类与成分003
1.2.2 铁尾矿综合利用途径004
1.3 铁尾矿活化研究现状009
1.3.1 机械活化009
1.3.2 化学活化010
1.3.3 热活化011
1.4 矿物掺合料制备混凝土研究现状011
1.4.1 矿渣粉012
1.4.2 粉煤灰013
1.4.3 硅灰015
1.4.4 铁尾矿粉015
1.5 绿色混凝土与固废混凝土研究现状017
1.5.1 绿色混凝土017
1.5.2 固废混凝土019
**部分 铁尾矿基掺合料性能研究
第2章 铁尾矿的机械化学耦合活化023
2.1 实验概况023
2.1.1 实验材料023
2.1.2 实验方案024
2.1.3 试件制备养护与强度测定025
2.2 铁尾矿粉颗粒特征025
2.2.1 比表面积与粒度分布025
2.2.2 微观形貌027
2.2.3 结晶构造与结晶度027
2.2.4 元素表面结合能029
2.3 铁尾矿活性指数032
2.3.1 力学性能032
2.3.2 水化产物SEM分析035
2.4 小结036
第3章 IFG三元体系的胶凝活性038
3.1 实验概况038
3.1.1 实验材料038
3.1.2 实验方案039
3.2 IFG三元体系活性分析040
3.2.1 铁尾矿活化条件对活性的影响040
3.2.2 水胶比对活性和工作性能的影响042
3.2.3 水泥取代率对活性的影响045
3.2.4 三元体系配合比对活性的影响046
3.3 IFG三元体系的水化机理051
3.3.1 水化产物DTA-TG分析051
3.3.2 水化产物微观形貌SEM分析057
3.3.3 孔结构MIP分析061
3.4 小结063
第4章 ICS三元体系的胶凝活性064
4.1 实验概况064
4.1.1 实验材料064
4.1.2 实验方案065
4.2 ICS三元体系活性分析066
4.2.1 铁尾矿活化条件对活性的影响066
4.2.2 水胶比对活性和工作性能的影响068
4.2.3 水泥取代率对活性的影响070
4.2.4 三元体系配合比对活性的影响072
4.3 ICS三元体系的水化机理077
4.3.1 水化产物DTA-TG分析077
4.3.2 水化产物微观形貌SEM分析080
4.3.3 孔结构MIP分析083
4.4 小结085
第5章 IPL三元体系的胶凝活性087
5.1 实验概况087
5.1.1 实验材料087
5.1.2 实验方案088
5.2 IPL三元体系活性分析089
5.2.1 铁尾矿活化条件对活性的影响089
5.2.2 水胶比对活性和工作性能的影响091
5.2.3 水泥取代率对活性的影响093
5.2.4 三元体系配合比对活性的影响095
5.3 IPL三元体系的水化机理100
5.3.1 水化产物DTA-TG分析100
5.3.2 水化产物微观形貌SEM分析102
5.3.3 孔结构MIP分析106
5.4 小结107
第二部分 铁尾矿基掺合料-废石骨料混凝土抗压性能研究
第6章 全铁尾矿砂-废石骨料混凝土的抗压性能111
6.1 实验概况111
6.1.1 实验材料111
6.1.2 配合比及试件制作114
6.1.3 坍落度测试115
6.1.4 抗压强度测试115
6.2 实验结果与分析116
6.2.1 水胶比对抗压强度和流动性的影响116
6.2.2 减水剂掺量对抗压强度和流动性的影响117
6.2.3 砂率对抗压强度和流动性的影响117
6.2.4 粗骨料级配对抗压强度和流动性的影响118
6.3 小结119
第7章 IFG三元体系掺合料对混凝土抗压性能的影响120
7.1 实验概况121
7.1.1 试件的混凝土组分配合比设计121
7.1.2 抗压强度测试122
7.1.3 MIP测试122
7.1.4 扫描电镜测试123
7.2 实验结果与分析125
7.2.1 抗压强度125
7.2.2 孔结构130
7.2.3 界面过渡区134
7.2.4 相关性分析139
7.3 小结140
第8章 ICS三元体系掺合料对混凝土抗压性能的影响142
8.1 实验概况142
8.1.1 试件的混凝土组分配合比设计142
8.1.2 测试144
8.2 实验结果与分析144
8.2.1 抗压强度144
8.2.2 孔结构149
8.2.3 界面过渡区152
8.3 小结154
第9章 IPL三元体系掺合料对混凝土抗压性能的影响156
9.1 实验概况156
9.1.1 试件的混凝土组分配合比设计156
9.1.2 测试158
9.2 实验结果与分析158
9.2.1 抗压强度158
9.2.2 孔结构163
9.2.3 界面过渡区167
9.2.4 相关性分析174
9.3 小结175
参考文献177