一、尾矿综合利用的意义与研究概况
尾矿，通常指的是在一定技术条件下，经选矿之后的残留物，且大部分堆存于地表尾矿库。尾矿地表堆存，不但占用耕地，造成环境污染，而且如设计不当尾矿坝坍塌还会造成人员伤亡等危害。所以对尾矿进行资源综合利用，实现可持续发展，具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。
研究表明，尾矿是一种复合矿物原料，尾矿中除含少量金属组分外，其主要矿物成分为脉石矿物，如石英、辉石、长石、石榴石、角闪石等，黏土、云母类铝硅酸盐矿物，以及方解石、自云石等钙镁碳酸盐矿物；其化学成分主要以硅、铝、钙、镁、铁等氧化物为主，并伴有少量硫、磷等。其粒度与建材领域所用原料十分接近，是一种已加工成细粒的天然混合材料。
国内自20世纪80年代开始研究如何利用废弃的尾矿资源生产建筑材料，经过三十多年的科研攻关，如今尾矿作为建筑材料在社会的各个方面发挥着重要的作用。例如，利用尾矿生产水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、保温建材等，同时还成功的地将尾矿用于生产混凝土用的掺合料和细骨料。同时，广泛用作矿物掺合料的矿粉和粉煤灰资源在我国分布不均，且随着钢铁、热电行业去产能，预拌混凝土行业所需的矿粉和粉煤灰资源供应日趋紧张。因此，在可替代、有效的作为混凝土掺合料的材料中尾矿微粉最为理想，且尾矿微粉用作混凝土掺合料不仅可以改善混凝土工作性能、降低水泥掺量、填充混凝土空隙的体积，还对节能降耗、保护环境、促进社会可持续发展等做出重要的贡献。
二、尾矿的成分和性质
尾矿是选矿厂在特定经济技术条件下，将矿石磨细、选取“有用组分”后排放的废物，也就是矿石经选别出精矿后剩余的固体废料。一般是由选矿厂排放的尾矿矿浆经自然脱水后所形成的固体矿业废料，其中含有一定数量的有用金属和矿物，可视为一种“复合”的硅酸盐、碳酸盐等矿物材料，并具有粒度细、数量大、可利用性大的特点。而作为混凝土掺合料用的尾矿微粉是尾矿经过机械力活化和与学活化的方式生产出来的附加值比较高的产品。
无论何种类型的尾矿，其主要元素有O、Si、Ti、Al、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K、P等几种，但他们在不同类型的尾矿中其含量差别很大，且具有不同的结晶化学行为。根据我国一些典型金属和非金属矿山的资料统计，各矿山尾矿化学成分见表1。
表1我国几种典型矿床尾矿的化学成分
正因尾矿主要化学成分有硅、铝、钙、镁等氧化物，其中硅、铝含量较高，这为作为混凝土掺合料提供了先提条件。最重要的是当中部分化学成分具有潜在的水化活性。一类是含有大量CaO，同时含有活性AlO和SiO的尾矿，其本身没有独立的水硬性，但在CaSO4和CaO的激发下，其潜在的水硬性得到激发从而产生缓慢的水化作用，但此类尾矿总体占比不大；一类是SiO含量较高的硅铝或硅质氧化物，也被称为具有火山灰性质，这类尾矿单独遇水时并不能发生水化和硬化，但与Ca(OH)混合时，常温下便能够生成C-S-H凝胶，当有AlO时还会产生水化铝酸钙或具有胶凝性质的产物；再有一类便是化学成分不具备火山灰活性也不具备潜在水硬性，这类尾矿磨细到一定程度时，会产生类似于活性矿物掺合料的微集料效应、颗粒形貌效应和化学活性效应，在众多尾矿中属于此类的占比较大。
三、尾矿微粉作为掺合料在混凝土中的作用机理与功效
尾矿的化学成分主要以SiO、AlO为主，其具有潜在的火山灰活性，但与玻璃质（粉煤灰）、高活性的天然火山灰不同，大部分尾矿是由晶质矿物所组成，其火山灰活性需要通过活化才能展现。利用活化的尾矿微粉作为混凝土的掺合料，是近年来尾矿综合利用研究的一个重要方面，对缓解尾矿大量排放造成的环境污染和安全隐患具有重要作用。
目前，活化尾矿主要采用机械力活化与化学活化。机械力活化是利用机械力破坏物质表面，减小颗粒尺寸，改变其晶体的结构及表面物理化学性质，同时使矿物的晶体结构发生畸变，结晶度开始下降，逐渐出现晶格错位、缺陷、重结晶等现象，SiO和AlO表现出可溶性，形成包覆于颗粒表面而易溶于水的非晶态形式，使得水分子更容易进入其内部，加速水化反应。物理活化通过改善了颗粒形貌，使颗粒表面粗糙并产生晶格缺陷，提高了颗粒的“形态效应”，为进一步的化学活化提供了有利条件。化学活化是将不具备水化活性的物质或混合物通过适当的化学方法处理后转变为具有胶凝性的材料，该过程通过添加各种激发剂，如碱（石灰、水玻璃、NaOH）、熟料、硫酸盐（CaSO4、Na2SO4）等，使聚合度较高的硅酸盐网络发生解聚，解体后的硅、铝阴离子团与水泥水化产物Ca(OH)作用，进一步生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、钙矾石、等物质组成的C-S-H凝胶。
当尾矿微粉作为掺合料应用于混凝土中时，可部分替代水泥，显著降低混凝土生产成本，在变废为宝的同时，实现了经济效益和社会效益的双赢。尾矿微粉在混凝土体系中明显改善了新拌混凝土的工作性，由于尾矿微粉的颗粒细度比水泥小，其比表面积大，吸附能力强，故在掺入尾矿微粉后，新拌混凝土的保水性和黏聚性得到显著改善，掺量适当时，还可以提高混凝土拌合物的流动性。除此之外，尾矿微粉可以显著降低水化热，这对大体积混凝土温度裂缝的控制十分有利。
总之在混凝土体系中应用尾矿微粉可以起到增加浆体体积功能、调节胶凝材料用量和胶凝过程的功能、填充浆体空隙功能、与水泥整体的协和功能等，使混凝土物理化学作用达到动态平衡，起到了使混凝土性能改善和质量提高的作用。
四、尾矿微粉作为混凝土掺合料需注意的问题与发展趋势
尾矿微粉在作为混凝土掺合料时虽改善了混凝土的性能、提高了混凝土的质量，但也存在不足。首先尾矿微粉的活性一般低于矿粉和粉煤灰，作为掺合料主要起微集料和填充的作用。再者尾矿微粉在机械力活化磨细的过程中需使用助磨剂来协助研磨分散粒子，助磨剂的种类选择至关重要，这决定了助磨剂、水泥、减水剂三元系统相容性。例如，应用对水泥水化反应起促进作用的助磨剂，尤其是干扰钙矾石正常形成速度的早期水化反应，必然使得减水剂的吸附作用打折扣，阻碍减水剂效果的挥发。不同尾矿化学成分含量的不同与其活性的差异决定了尾矿微粉的质量。合适激发活性的方法、合适的研磨粒径、合适的掺量是尾矿微粉作为混凝土掺合料质量控制的关键。
虽然尾矿微粉总体活性要低于矿粉和粉煤灰，但从混凝土的成本、混凝土的工作性及尾矿综合利用的角度出发，通过采取与矿粉复合的办法，可以制备出一种具有较高活性且经济效应可观的辅助胶凝材料。活化的尾矿单独作为掺合料或与粉煤灰、矿粉复配应用于混凝土中是提高尾矿综合利用效率的一种有效手段，同时也是缓解水泥行业环境污染和降低能耗的一条重要途径，能够产生良好的环境效益和社会效益。