富硅鐵尾礦粉在水泥中的應(yīng)用研究

富硅鐵尾礦粉在水泥中的應(yīng)用研究

最終礦是中國最大的固體廢渣，綜合利用率最低。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國由于礦產(chǎn)資源開發(fā)而產(chǎn)生的尾礦累積堆存量已超過100億t,目前正以12億t/a左右的速度增長,年綜合利用量不足2億t。如此低的綜合利用率不僅是資源的一種浪費,而且構(gòu)成環(huán)境巨大威脅。尾礦理化性質(zhì)與某些建筑材料十分相近,這為尾礦在建筑材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可能。國內(nèi)外在利用尾礦生產(chǎn)建材方面進行了大量有效的探索,主要包括生產(chǎn)水泥、建筑用砂、加氣混凝土、砌塊、免燒磚、燒結(jié)磚、陶瓷墻地磚、?；u、透水磚、微晶玻璃、保溫材料、高強結(jié)構(gòu)材料等產(chǎn)品。但是,目前尾礦利用還存在著綜合利用率低、高附加值產(chǎn)品少和缺乏市場競爭力等問題。近些年,隨著我國金屬礦山資源貧、雜、細特征的日益凸顯,選礦企業(yè)普遍提高了磨礦細度,并且在對尾礦中殘余有價組分進行回收的過程中大都對尾礦進行了再磨,導致再選后的尾礦越來越細,這些過細的尾礦已不適合用于生產(chǎn)建筑用砂和砌塊類產(chǎn)品。因此,對此類尾礦的開發(fā)利用需進一步探究。有些尾礦因化學成分和礦物組成上的特殊性,磨細后具有潛在活性,可用作水泥混合材和混凝土礦物摻合料,具有較高的綜合利用價值。鄭永超等研究了機械粉磨對鐵尾礦活性的影響,結(jié)果表明,磨細鐵尾礦可用作水泥活性混合材。本試驗以某富硅鐵尾礦為對象,研究了鐵尾礦粉細度和養(yǎng)護條件對混凝土的增強效應(yīng)。1原料和試驗方法1.1尾礦的礦物組成(1)鐵尾礦。試驗用鐵尾礦取自湖北某鐵礦山選礦工藝流程,其XRD圖譜見圖1,主要化學成分分析結(jié)果見表1。從圖1可以看出,該尾礦中主要礦物有石英、斜長石、磁鐵礦、角閃石等。從表1可以看出,該尾礦中主要成分是SiO2,達68.44%,其次是Al2O3、Fe2O3等,含量相對較低。(2)水泥為華新52.5級普通硅酸鹽水泥(P·O);砂為中國ISO標準砂;水為自來水。1.2鐵尾礦的xrd圖譜和硅氧四面體無機材料化學反應(yīng)活性的高低主要取決于它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。一般而言,微觀結(jié)構(gòu)缺陷多、晶體的晶格畸變多或呈無定形狀態(tài)的材料,其化學反應(yīng)活性高。從晶體化學觀點來看,既要求混合材有裂解的或可裂解的硅氧四面體骨架,又要求其有可以和硅氧四面體分離的鋁氧四面體。從鐵尾礦XRD圖譜可以看出,鐵尾礦主要礦物組成為晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的石英,因此,本身活性較低。而當其受到機械力作用時,不僅會引起顆粒尺寸減小,同時還可能引起晶體物質(zhì)的晶格畸變、結(jié)晶程度的降低甚至變?yōu)闊o定形物質(zhì)。因此,可通過機械粉磨改變鐵尾礦微觀結(jié)構(gòu),以提高其反應(yīng)活性,用作混凝土摻合料。鐵尾礦用水泥實驗室常用的5kg小型球磨機(型號為SMφ500×500,磨球為磨機出廠原配鋼磨球,采用標準級配和裝球量)粉磨至比表面積為504、751、1120m2/kg。比表面積測試參照《GB8074—1987水泥比表面積測定方法(勃氏法)》。1.3膠砂強度試驗用一定量的磨細鐵尾礦粉(相當于水泥總量的0、10%、15%、20%、30%)替代水泥,按照《GB17671—1999水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行膠砂強度試驗,膠砂比1∶3,水膠比0.5∶1,成型后的試件在溫度20±2℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護1d后脫模,然后將試件按表2的養(yǎng)護條件繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期,測定不同粉磨細度、不同鐵尾礦粉摻量、不同養(yǎng)護條件下試件的抗壓強度。1.4鐵尾礦粉在水泥混凝土中的強度貢獻率對不同粉磨細度鐵尾礦粉在不同養(yǎng)護條件下的活性,引用《GB12957—2005用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗方法》中28d抗壓強度比概念———活性指數(shù)對其進行表征(其中鐵尾礦粉與水泥質(zhì)量比為3∶7)。對不同摻量鐵尾礦粉在不同養(yǎng)護條件下對混凝土的增強效應(yīng),引用蒲心誠提出的比強度及強度貢獻率概念,推導出表征鐵尾礦粉在水泥混凝土中強度貢獻率及強度貢獻值的計算公式式中,Φ為磨細鐵尾礦粉的強度貢獻率,即磨細鐵尾礦的比強度與水泥比強度的比率,%;Ri為磨細鐵尾礦粉的比強度,代表摻1%磨細鐵尾礦粉對試件的強度貢獻值,MPa;Rc為水泥的比強度,代表摻1%水泥對試件強度的貢獻值,MPa;P為摻磨細鐵尾礦粉的膠砂試件的強度,MPa;P0為純水泥膠砂試件的強度,MPa;q為磨細鐵尾礦的摻量,%;PS為磨細鐵尾礦粉的強度貢獻值,MPa。2試驗結(jié)果與討論2.1鐵尾礦比表面積對紅樹莓原汁活性的影響鐵尾礦粉磨細度和試件養(yǎng)護條件對鐵尾礦粉活性的影響試驗中鐵尾礦替代水泥量為30%。28d膠砂活性指數(shù)見表3,不同細度尾礦的紅外光譜見圖2,XRD圖譜見圖3。從表3可以看出,機械粉磨有助于提高鐵尾礦活性,但粉磨細度達到一定值后,鐵尾礦粉的活性增加不再顯著;養(yǎng)護方式從標準養(yǎng)護到90℃熱水養(yǎng)護、再到200℃高溫養(yǎng)護,鐵尾礦粉的活性提高幅度不大,而1.1MPa蒸壓養(yǎng)護對鐵尾礦粉活性提高顯著,說明蒸壓養(yǎng)護是激發(fā)鐵尾礦火山灰活性的有效手段。從圖2可以看出,隨著鐵尾礦比表面積增加,石英紅外光譜中最強帶(1080~1100cm-1)擴寬,中等譜帶(800cm-1附近)開始分裂尖銳化,這可能是顆粒細化及石英中Si—O化學鍵斷裂重組所致。當鐵尾礦粉磨至比表面積超過751m2/kg后繼續(xù)粉磨,鐵尾礦紅外光譜變化很小,說明鐵尾礦磨至一定細度后Si—O化學鍵不再變化。從圖3可以看出,隨著鐵尾礦比表面積的增加,其主要礦物成分石英的衍射峰高度有所變化,但不很明顯,說明隨著鐵尾礦變細,礦物晶體無定形化程度有所變化,但變化較小。結(jié)合圖2、圖3可以看出,機械粉磨主要引起鐵尾礦宏觀細度的顯著變化,而對礦物晶體狀態(tài)影響較小,因而這是鐵尾礦粉活性不隨其比表面積增加而提高的主要原因。試驗結(jié)果表明,鐵尾礦粉比表面積為751m2/kg時的活性較好,且磨礦成本較低,因此后續(xù)試驗以比表面積為751m2/kg的鐵尾礦粉為研究對象。2.2不同養(yǎng)護條件對膠砂試件抗壓強度的影響鐵尾礦粉摻量和養(yǎng)護條件對水泥膠砂抗壓強度影響試驗的鐵尾礦粉比表面積為751m2/kg,試驗結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,蒸壓養(yǎng)護條件下,鐵尾礦粉摻量為10%的膠砂試件各齡期的抗壓強度均最高;其他3種養(yǎng)護條件下,膠砂試件各齡期的抗壓強度均隨鐵尾礦粉摻量的增加而降低,這是因為隨著鐵尾礦粉替代水泥量的增加,體系中水泥熟料絕對量減少使水化產(chǎn)物數(shù)量減少,且體系中惰性的鐵尾礦粉與水泥漿體界面增多,而界面又是眾所周知的結(jié)合力的薄弱面,是混凝土遇外力破壞開始的地方,因此造成膠砂試件抗壓強度隨著鐵尾礦摻量的增加而降低。從圖4還可以看出,養(yǎng)護條件對膠砂試件的抗壓強度有顯著的影響,且影響規(guī)律與齡期有關(guān)。養(yǎng)護3d的試件的抗壓強度順序為蒸壓>200℃養(yǎng)護>90℃養(yǎng)護>標準養(yǎng)護;而養(yǎng)護28、56d的試件的抗壓強度順序為蒸壓>標準養(yǎng)護>200℃養(yǎng)護>90℃養(yǎng)護。2.3不同養(yǎng)護條件下鐵尾礦粉對混凝土的增強作用養(yǎng)護條件和鐵尾礦粉摻量對水泥膠砂強度貢獻效應(yīng)分析試驗的尾礦細度為751m2/kg,試驗結(jié)果見圖5。從圖5可以看出,標準養(yǎng)護、90℃熱水養(yǎng)護及200℃高溫養(yǎng)護下,隨鐵尾礦粉摻量的增大,鐵尾礦粉對膠砂試件的各齡期抗壓強度貢獻值呈先增后減的趨勢,而蒸壓下大致呈逐漸增加的趨勢。在鐵尾礦粉摻量為20%的蒸壓養(yǎng)護條件下,3、28、56d的強度貢獻值分別為14.02、20.08、22.86MPa。經(jīng)過計算得到的強度貢獻率分別為23.5%、27.3%、30.9%。從圖5還可以看出,在鐵尾礦粉摻量相同的情況下,鐵尾礦粉對各齡期的抗壓強度貢獻值以蒸壓養(yǎng)護條件下最高,說明蒸壓下鐵尾礦粉對混凝土的增強效應(yīng)要比其他3種養(yǎng)護條件下的顯著。這是因為蒸壓下,鐵尾礦對混凝土的增強效應(yīng)以火山灰化學效應(yīng)為主,其他3種養(yǎng)護條件下鐵尾礦對混凝土的增強效應(yīng)以微集料填充效應(yīng)為主?；钚該胶狭系摹盎鹕交曳磻?yīng)”一般發(fā)生在水泥水化后期,對試件后期強度有較大的提高。若鐵尾礦粉在標準養(yǎng)護、90℃熱水養(yǎng)護及200℃高溫養(yǎng)護中對混凝土的增強效應(yīng)以火山灰化學效應(yīng)為主,則后期對混凝土的強度貢獻值會比早期高很多,但由圖5可以看出,這3種養(yǎng)護條件下后期鐵尾礦強度貢獻值并沒有比早期有明顯提高,且在較佳摻量20%時鐵尾礦56d強度貢獻值還有所降低。因此,在非蒸壓下鐵尾礦粉對混凝土的增強效應(yīng)以微集料填充效應(yīng)為主;蒸壓下鐵尾礦粉活性很高,且隨著養(yǎng)護齡期的增加,鐵尾礦粉對抗壓強度貢獻值也不斷增加,因此蒸壓下鐵尾礦對混凝土的增強效應(yīng)以火山灰化學效應(yīng)為主。3養(yǎng)護條件對鐵尾礦粉的活性影響(1)適度粉磨有利于提高某富硅鐵尾礦的活性指數(shù),比表面積為751m2/kg的鐵尾礦粉在標準養(yǎng)護條件下的膠砂活性指數(shù)為69%,可用于水泥混合材或混凝土摻合料,進一步增加鐵尾礦粉的比表面積對其活性影響較小。(2)養(yǎng)護條件對鐵尾礦粉的活性影響明顯。鐵尾礦粉在標準養(yǎng)護、90℃熱水養(yǎng)護及200℃高溫養(yǎng)護下基本上不具備火山灰活性,對混凝土的增強效應(yīng)以微集料填充效應(yīng)為主;而蒸壓養(yǎng)護條件下具備明顯的火山灰活性,對混凝土的增強效應(yīng)顯著。摻入細度為751m2/kg、尾礦摻