高摻量赤鐵礦尾礦燒結(jié)磚的制備及性能研究-

1、湖北鄂西高磷赤鐵礦是我國(guó)目前唯一未被開(kāi)發(fā)利用的巨型鐵礦床,其資源總面積約為3.3萬(wàn)km 2,儲(chǔ)量約22億t ,遠(yuǎn)景資源量可達(dá)30億40億t 。“十一五”期間,國(guó)家投入巨資給予重點(diǎn)支持,進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用研究。已有的系統(tǒng)工作結(jié)果表明,未來(lái)礦山開(kāi)發(fā)過(guò)程中,無(wú)論采取何種選礦方法都不可避免地將產(chǎn)生大量赤鐵礦尾礦。能否成功實(shí)現(xiàn)赤鐵礦尾礦的高效合理利用,避免大量尾礦帶來(lái)的環(huán)境壓力,已成為該項(xiàng)目能否順利實(shí)施的關(guān)鍵之一。尾礦資源化利用在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注,并在尾礦中回收有價(jià)金屬與非金屬元素、利用尾礦作為采空區(qū)充填材料、磁化尾礦做土壤改良劑、利用尾礦庫(kù)復(fù)墾植被以及尾礦制作建筑材料等方面已經(jīng)取得了一定的成果1-3,其中利用

2、尾礦制作建筑用磚是實(shí)現(xiàn)其大宗處理并資源化利用的有效途徑。為此,本研究在先期工作的基礎(chǔ)上,針對(duì)高摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%赤鐵礦尾礦燒結(jié)磚的制備工藝及其性能進(jìn)行研究,為大規(guī)模工業(yè)化赤鐵礦尾礦生產(chǎn)燒結(jié)磚提供技術(shù)與理論支撐。1試驗(yàn)1.1原材料及試驗(yàn)方法試驗(yàn)用尾礦取自湖北鄂西某礦業(yè)公司選礦廠(chǎng),外觀(guān)為紅色。按照T 011593篩分法進(jìn)行尾礦粒徑大小分析,利用LP-1000型塑性指數(shù)測(cè)試儀測(cè)定塑性指數(shù),用X 射線(xiàn)熒光光高摻量赤鐵礦尾礦燒結(jié)磚的制備及性能研究陳永亮1,張一敏1,陳鐵軍1,趙云良2(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢430081;2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢430070

3、摘要:在對(duì)鄂西赤鐵礦尾礦的基本特性進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上,以該尾礦為主要原料添加少量的黏土、粉煤灰進(jìn)行復(fù)配制備燒結(jié)磚,進(jìn)行尾礦燒結(jié)磚的制備工藝及其性能研究,并對(duì)燒結(jié)磚的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性能的形成機(jī)理進(jìn)行探討。結(jié)果表明,采用半干壓成型,在成型水分15%、成型壓力20MPa 、干燥溫度105下干燥68h 、燒成溫度1000保溫2h 的條件下,可制得尾礦摻量高達(dá)84%的燒結(jié)磚,其物理力學(xué)性能及耐久性均達(dá)到GB/T 51012003燒結(jié)普通磚中MU20的要求。關(guān)鍵詞:赤鐵礦尾礦;綜合利用;燒結(jié)磚;性能中圖分類(lèi)號(hào):TU522.1+9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-702X (201009-0022-04Pr

4、eparation and performances of fired bricks with high content of hematite tailingsCHEN Yongliang 1,ZHANG Yimin 1,CHEN Tiejun 1,ZHAO Yunliang 2(1.College of Resource and Environmental Engineering ,Wuhan University of Science and Technology ,Wuhan 430081,Hubei ,China ;2.College of Resource and Environm

5、ental Engineering ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,Hubei ,China Abstract :Fired bricks were made with hematite tailings from western Huibei as the main material based on comprehensive analysis of its basic characterizations ,together with clay and fly ash ,the process conditions and per

6、formances of fired bricks were studied ,the microstructure and the mechanism of forming strength of fired bricks were discussed.The results showed that the fired bricks with hematite tailings content as high as 84%can be prepared with forming water content 15%,forming pressure 20MPa in semi-dry pres

7、sing ,drying time 68h at 105,sintering temperature 1000for 2h ,and the mechanical properties and durability of bricks were able to meet the requirements of MU20in Chinese standard “Fired Common Bricks ”GB/T 51012003.Key words :hematite tailings ;comprehensive utilization ;fired bricks ;performances

8、基金項(xiàng)目:“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2007BAB15B02收稿日期:2010-04-30作者簡(jiǎn)介:陳永亮,女,1977年生,湖北浠水人,講師,博士研究生,主要從事固體廢物處理與處置技術(shù)研究 。 全國(guó)中文核心期刊譜儀(XRF,型號(hào):AXIOS測(cè)定化學(xué)組成,用X射線(xiàn)衍射儀(XRD,型號(hào):D/MX-A測(cè)定礦物組成。試驗(yàn)用黏土取自湖北武漢市某地;粉煤灰取自湖北武漢市某電廠(chǎng),利用XRF對(duì)兩者的化學(xué)組成進(jìn)行了分析。1.2制作工藝流程尾礦燒結(jié)磚的制作工藝為:物料經(jīng)過(guò)磨細(xì)后按照配比在攪拌機(jī)中加水15%攪拌,使各物料混合均勻,之后在室溫下陳化2h,再在WE-30型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上以20MPa 壓

9、力壓制成型,將壓制成型的磚坯置于DHG-9241A型電熱恒溫干燥箱中,在105下干燥68h,制成半成品,然后將其置于X2-1-13型數(shù)控箱式電阻爐中燒制,燒成溫度為1000,保溫2h,最后自然冷卻至室溫,得燒成制品。1.3尾礦燒結(jié)磚性能檢測(cè)尾礦燒結(jié)磚的外觀(guān)質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、吸水率及密度參照GB/T25422003砌墻磚試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。選定最佳配比燒結(jié)磚樣品,采用XRD測(cè)試其礦物組成,SEM測(cè)試其微觀(guān)結(jié)構(gòu),探討其性能的形成機(jī)理。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1原料性質(zhì)分析2.1.1赤鐵礦尾礦鄂西赤鐵礦尾礦的XRD圖譜如圖1所示。圖1赤鐵礦尾礦的XRD圖譜由圖1可知,該尾礦的礦物組成主要為赤鐵礦、石英,少量

10、的綠泥石、方解石等,與黏土等建筑材料比較接近。鄂西赤鐵礦尾礦顆粒級(jí)配及化學(xué)成分分別見(jiàn)表1、表2。表1赤鐵礦尾礦的顆粒級(jí)配由表1可見(jiàn),該尾礦粒度較細(xì),粒徑小于0.044mm的占49.27%,小于0.074mm的占80.97%。一般粒度較細(xì)的原料塑性較高4,所以,該尾礦是制備普通燒結(jié)磚的理想材料。表2赤鐵礦尾礦的主要化學(xué)成分%對(duì)照普通黏土燒結(jié)磚的組成:SiO240%70%、Fe2O32% 9%、Al2O316%40%、CaO0.5%8%、MgO0.4%2%5,由表2可知,該尾礦中鐵的含量偏高,而硅的含量較低,其它成分均能滿(mǎn)足制磚要求。含鐵量高會(huì)增加燒結(jié)磚制品密度,含硅量低會(huì)降低制品的強(qiáng)度,從而影響

11、成品的質(zhì)量和銷(xiāo)路,因此,可考慮在配料中添加鐵含量低而硅含量高的原料。原料的可塑性是塑性成型最基本的工藝性能之一,不但影響成型性能,而且影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。該尾礦的塑性指數(shù)為13.9,可塑性中等,滿(mǎn)足燒結(jié)磚的成型要求。綜上所述,在粒度分布、可塑性等方面,該尾礦均滿(mǎn)足制備建筑用磚的基本要求,若添加一定量的高硅低鐵原料,制備燒結(jié)磚是可行的。2.1.2黏土和粉煤灰黏土具有顆粒細(xì)、可塑性強(qiáng)、結(jié)合性好、收縮適宜、耐火度高等工藝性能,是黏土磚廠(chǎng)制磚的最基本原料。由于黏土中含有較高的SiO2,可與低硅的赤鐵礦尾礦配比,增強(qiáng)原料的可塑性,提高燒結(jié)磚制品的強(qiáng)度,同時(shí)降低密度。粉煤灰是煤粉在鍋爐中高溫燃燒而成,

12、屬瘠性材料,主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3等,是一種成熟的制磚原料,由于其質(zhì)輕使得制成磚體密度較小6,因此,摻于尾礦中制備燒結(jié)磚,能有效降低制品密度。但是由于粉煤灰是瘠性材料,其摻量不可太高,若摻量過(guò)大會(huì)降低原料的可塑性,影響制品的強(qiáng)度。試驗(yàn)用黏土和粉煤灰的主要化學(xué)成分如表3所示。表3黏土和粉煤灰的主要化學(xué)成分%由表3可見(jiàn),該黏土和粉煤灰中TFe含量均較低(分別為4.35%和2.66%,SiO2含量高(分別為63.96%和48.41%,能夠滿(mǎn)足配料需求,且黏土中CaO含較低,僅為0.87%,有利于避免磚體體積膨脹而產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象,同時(shí),該粉煤灰Al2O3含量高達(dá)28.05%,有利于提

13、高燒結(jié)磚的強(qiáng)度。該黏土和粉煤灰是尾礦燒結(jié)磚的理想配料。2.2黏土摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響在成型水分15%、成型壓力20MPa、105下干燥68h、燒成溫度1000保溫2h的條件下,改變尾礦和黏土的配比,考察了黏土摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響(見(jiàn)表4。篩孔/mm 0.9000.4200.4200.3010.3010.1800.1800.1520.1520.1000.1000.0740.0740.044<0.044篩余/%1.73 2.07 3.07 2.63 3.43 4.9331.7049.27Fe2O3SiO2Al2O3CaO MgO P2O5K2O TiO2Na2O MnO S IL44.5

14、024.4010.95 6.200.99 2.780.860.420.280.240.106.95項(xiàng)目TFe SiO2Al2O3CaO MgO P2O5K2O Na2O IL黏土 4.3563.9616.930.87 1.640.19 2.350.90 5.59粉煤灰 2.6648.4128.05 5.780.590.32 1.340.439.12陳永亮,等: 高摻量赤鐵礦尾礦燒結(jié)磚的制備及性能研究表4黏土摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響從表4可以看出,制品外觀(guān)均規(guī)則、完整;并且隨著黏土摻量增加,燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度迅速逐漸增大,當(dāng)黏土摻量達(dá)到15%時(shí),其抗壓強(qiáng)度達(dá)到25.99MPa。原因是黏土的可塑性大,

15、 SiO2含量高,有利于制品強(qiáng)度的提高;同時(shí),燒結(jié)磚的吸水率和密度有所降低。2.3粉煤灰摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響在固定其它條件不變的情況下,改變尾礦和粉煤灰的配比,考察了粉煤灰摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響(見(jiàn)表5。表5粉煤灰摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響從表5可以看出,粉煤灰的少量摻入對(duì)制品外觀(guān)沒(méi)有影響,但隨著粉煤灰摻量的增加,制品的抗壓強(qiáng)度迅速降低,吸水率也逐漸增大,當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí),其抗壓強(qiáng)度下降至11.49MPa。這是由于粉煤灰塑性差,比較松散,從而成型效果差,密實(shí)度低,導(dǎo)致燒結(jié)制品強(qiáng)度降低,吸水率增大,但同時(shí)制品密度也明顯降低。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí),密度降至1.86 g/cm3,符合一般建筑用磚

16、密度1.61.9g/cm3的要求,但抗壓強(qiáng)度降至MU10以下,綜合考慮,應(yīng)控制粉煤灰摻量在10%以?xún)?nèi)為宜。2.4黏土和粉煤灰復(fù)配摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響在固定其它條件不變的情況下,改變尾礦、黏土和粉煤灰的配比,考察黏土和粉煤灰復(fù)配摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響,如表6所示。從表6可以看出,當(dāng)尾礦用量84%、黏土用量10%、粉煤灰用量6%時(shí),燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到20.35MPa,吸水率為17.79%,密度為1.85g/cm3,可達(dá)到GB51012003燒結(jié)普通磚中強(qiáng)度MU20的要求,且燒結(jié)磚的外觀(guān)質(zhì)量良好,無(wú)石灰爆裂和泛霜現(xiàn)象。故選擇m(尾礦m(黏土m(粉煤灰= 84106為最佳配比。表6黏土和粉煤灰復(fù)

17、配摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響2.5尾礦燒結(jié)磚的微觀(guān)分析為了解燒結(jié)磚的微觀(guān)礦物性能,對(duì)最佳工藝條件下制得的燒結(jié)磚樣品進(jìn)行了XRD和SEM分析,燒結(jié)磚樣品的XRD 圖譜如圖2所示,SEM形貌圖如圖3所示。圖2燒結(jié)磚樣品的XRD圖譜將圖2與圖1赤鐵礦尾礦的XRD圖譜比較可知,燒結(jié)磚樣品中方解石和綠泥石的特征峰已消失,說(shuō)明經(jīng)燒結(jié)過(guò)程后方解石和綠泥石均已分解,且燒結(jié)后樣品有新晶相鈣長(zhǎng)石和鱗石英生成,主晶相為赤鐵礦、石英、鈣長(zhǎng)石和鱗石英,這些晶相構(gòu)成了燒結(jié)磚的礦物骨架,從而賦予燒結(jié)磚強(qiáng)度。圖3燒結(jié)磚樣品的SEM形貌從圖3(a可以看出,樣品表面密實(shí),玻璃相均勻分布,相互連接,這既有利于樣品的平整性,也對(duì)樣品的強(qiáng)

18、度有很大的幫助;從圖3(b可以看出,晶體均勻生長(zhǎng),氣孔少,氣孔間有較多的細(xì)小晶相和玻璃相物質(zhì)填充,條狀和片狀晶體生長(zhǎng)呈網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu),從而保證了燒結(jié)磚樣品的優(yōu)良性能,使其具有尾礦/%黏土/%吸水率/%抗壓強(qiáng)度/MPa密度/(g/cm3外觀(guān)100020.3417.54 2.13規(guī)則、完整95519.7621.41 2.05規(guī)則、完整901017.3024.85 2.03規(guī)則、完整851516.3825.99 1.97規(guī)則、完整802016.4627.68 1.91規(guī)則、完整尾礦/%粉煤灰/%吸水率/%抗壓強(qiáng)度/MPa密度/(g/cm3外觀(guān)100020.3417.54 2.13規(guī)則、完整95521.

19、4911.49 1.93規(guī)則、完整901022.438.96 1.86規(guī)則、完整851524.768.67 1.75規(guī)則、完整802024.247.62 1.69規(guī)則、完整尾礦/%黏土/%粉煤灰/%吸水率/%抗壓強(qiáng)度/MPa密度/(g/cm3外觀(guān)1000020.3417.54 2.13規(guī)則、完整915420.3812.98 1.92規(guī)則、完整895620.5013.71 1.90規(guī)則、完整875820.6712.65 1.87規(guī)則、完整8610418.7516.78 1.90規(guī)則、完整8410617.7920.35 1.85規(guī)則、完整8210819.5016.28 1.82規(guī)則、完整81154

20、18.3418.18 1.88規(guī)則、完整797715156818.5019.0414.7515.161.831.80規(guī)則、完整規(guī)則、完整陳永亮,等: 高摻量赤鐵礦尾礦燒結(jié)磚的制備及性能研究(上接第18頁(yè)尾礦的效率高,故銀尾礦多摻1.11.2倍才能等量代替消石灰粉,以此計(jì)算得出每使用1t 銀尾礦可以節(jié)省60元。而且生產(chǎn)石灰時(shí)還會(huì)消耗大量的資源如石灰石、煅燒時(shí)的燃料、粉磨時(shí)的電能等。特別是石灰石分解產(chǎn)生的二氧化碳會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害,所以銀尾礦作為代替建筑砂漿中的石灰使用,不僅可減少尾礦對(duì)環(huán)境的危害,降低建筑成本,而且還有顯著的社會(huì)效益。3用銀尾礦代替石灰的工程試驗(yàn)在四平市海銀帝景小區(qū)建筑工程中對(duì)摻入

21、銀尾礦代替石灰膏的砌筑砂漿和抹面砂漿做了實(shí)際工程試用。從試驗(yàn)結(jié)果可知,按表3配合比配制的砌筑砂漿,不僅滿(mǎn)足砌筑砂漿的各項(xiàng)指標(biāo)要求,而且可以提高其早期強(qiáng)度、改善砌筑砂漿的和易性。按m (水泥m (砂=12.5、銀尾礦摻量為60kg/m 3制備了抹面砂漿,在工程中做了內(nèi)、外墻的抹灰試用,證實(shí)銀尾礦代替石灰的良好效果。因抗裂性好、強(qiáng)度較高,可以免去混合砂漿抹面陽(yáng)角需要用水泥砂漿的麻煩,特別對(duì)混凝土砌塊墻面的抹面,用普通混合砂漿很容易產(chǎn)生裂縫,而采用銀尾礦抹面砂漿,裂縫情況明顯變好,具有大范圍推廣應(yīng)用價(jià)值。表3四平海銀帝景小區(qū)工程砌筑砂漿的配比及強(qiáng)度4結(jié)語(yǔ)四平昊融銀業(yè)有限公司排放的銀尾礦具有顆粒細(xì)小、

22、質(zhì)地細(xì)質(zhì)的特點(diǎn),加之銀礦浮選的過(guò)程中,需加入一定的表面活性劑,盡管在銀尾礦中殘留含量很低,但對(duì)改善建筑砂漿和易性有利。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和工程實(shí)踐檢驗(yàn)證明,該銀尾礦代替石灰制備建筑砂漿完全可行,不僅可以大量節(jié)省建筑用石灰,降低生產(chǎn)成本,而且還能減少碳排量。摻入銀尾礦砌筑砂漿的稠度、分層度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、含氣量、保水性和抹面砂漿的抗裂性能均滿(mǎn)足建筑砂漿規(guī)范要求。摻入銀尾礦的砌筑砂漿具有早期強(qiáng)度高、抹面砂漿抗裂性能好的特點(diǎn),銀尾礦摻量為60kg/m 3時(shí),M5.0、M7.5砌筑砂漿28d 抗壓強(qiáng)度分別為9.40、13.48MPa 。參考文獻(xiàn):1牛福蓮.尾礦綜合利用亟須破題N.北京:人民日?qǐng)?bào),200

23、9-06-15.2袁劍雄,劉維平.國(guó)內(nèi)尾礦在建筑材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景J.中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2005(1:13-16.3陳秀云.民用建筑抹灰砂漿配合比設(shè)計(jì)方法的探討J.技術(shù)研發(fā),2008(3:44-46.4蔣勇.浮選中央操作管理系統(tǒng)的研究及應(yīng)用J.有色金屬,2000,52(4:41-44.蕢設(shè)計(jì)等級(jí)P ·C32.5水泥/kg 機(jī)制砂/kg 銀尾礦/kg 水/kg 抗壓強(qiáng)度/MPa 7d 28d M5.0210157088310 5.58.1M7.52401570593107.613.4各方向的較高強(qiáng)度,且燒成品中的玻璃相較多,大量的晶相和玻璃相物質(zhì)填充于氣孔之間,使得氣孔不貫通,有利于樣品吸水率的降低以及強(qiáng)度的提高。3結(jié)論(1對(duì)鄂西赤鐵礦尾礦的主要化學(xué)成分、礦物組成、粒度分布及可塑性等研究表明,其可作為制備普通燒結(jié)磚的材料。(2添加少量黏土和粉煤灰對(duì)于提高尾礦燒結(jié)磚的性能起到積極作用,當(dāng)m (尾礦m (黏土m (粉煤灰=84106時(shí),在