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(guó)最大的固體廢渣，綜合利用率最低。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)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(zhǎng),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(fèi),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(guó)內(nèi)外在利用尾礦生產(chǎn)建材方面進(jìn)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(qiáng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等問題。近些年,隨著我國(guó)金屬礦山資源貧、雜、細(xì)特征的日益凸顯,選礦企業(yè)普遍提高了磨礦細(xì)度,并且在對(duì)尾礦中殘余有價(jià)組分進(jìn)行回收的過程中大都對(duì)尾礦進(jìn)行了再磨,導(dǎo)致再選后的尾礦越來越細(xì),這些過細(xì)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(duì)此類尾礦的開發(fā)利用需進(jìn)一步探究。有些尾礦因化學(xué)成分和礦物組成上的特殊性,磨細(xì)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(jià)值。鄭永超等研究了機(jī)械粉磨對(duì)鐵尾礦活性的影響,結(jié)果表明,磨細(xì)鐵尾礦可用作水泥活性混合材。本試驗(yàn)以某富硅鐵尾礦為對(duì)象,研究了鐵尾礦粉細(xì)度和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)。1原料和試驗(yàn)方法1.1尾礦的礦物組成(1)鐵尾礦。試驗(yàn)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(xué)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(zhǎng)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(dá)68.44%,其次是Al2O3、Fe2O3等,含量相對(duì)較低。(2)水泥為華新52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥(P·O);砂為中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂;水為自來水。1.2鐵尾礦的xrd圖譜和硅氧四面體無機(jī)材料化學(xué)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(xué)反應(yīng)活性高。從晶體化學(xué)觀點(diǎn)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(dāng)其受到機(jī)械力作用時(shí),不僅會(huì)引起顆粒尺寸減小,同時(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)室常用的5kg小型球磨機(jī)(型號(hào)為SMφ500×500,磨球?yàn)槟C(jī)出廠原配鋼磨球,采用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配和裝球量)粉磨至比表面積為504、751、1120m2/kg。比表面積測(cè)試參照《GB8074—1987水泥比表面積測(cè)定方法(勃氏法)》。1.3膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)用一定量的磨細(xì)鐵尾礦粉(相當(dāng)于水泥總量的0、10%、15%、20%、30%)替代水泥,按照《GB17671—1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn),膠砂比1∶3,水膠比0.5∶1,成型后的試件在溫度20±2℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)1d后脫模,然后將試件按表2的養(yǎng)護(hù)條件繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期,測(cè)定不同粉磨細(xì)度、不同鐵尾礦粉摻量、不同養(yǎng)護(hù)條件下試件的抗壓強(qiáng)度。1.4鐵尾礦粉在水泥混凝土中的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率對(duì)不同粉磨細(xì)度鐵尾礦粉在不同養(yǎng)護(hù)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(yàn)方法》中28d抗壓強(qiáng)度比概念———活性指數(shù)對(duì)其進(jìn)行表征(其中鐵尾礦粉與水泥質(zhì)量比為3∶7)。對(duì)不同摻量鐵尾礦粉在不同養(yǎng)護(hù)條件下對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng),引用蒲心誠(chéng)提出的比強(qiáng)度及強(qiáng)度貢獻(xiàn)率概念,推導(dǎo)出表征鐵尾礦粉在水泥混凝土中強(qiáng)度貢獻(xiàn)率及強(qiáng)度貢獻(xiàn)值的計(jì)算公式式中,Φ為磨細(xì)鐵尾礦粉的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率,即磨細(xì)鐵尾礦的比強(qiáng)度與水泥比強(qiáng)度的比率,%;Ri為磨細(xì)鐵尾礦粉的比強(qiáng)度,代表摻1%磨細(xì)鐵尾礦粉對(duì)試件的強(qiáng)度貢獻(xiàn)值,MPa;Rc為水泥的比強(qiáng)度,代表摻1%水泥對(duì)試件強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值,MPa;P為摻磨細(xì)鐵尾礦粉的膠砂試件的強(qiáng)度,MPa;P0為純水泥膠砂試件的強(qiáng)度,MPa;q為磨細(xì)鐵尾礦的摻量,%;PS為磨細(xì)鐵尾礦粉的強(qiáng)度貢獻(xiàn)值,MPa。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1鐵尾礦比表面積對(duì)紅樹莓原汁活性的影響鐵尾礦粉磨細(xì)度和試件養(yǎng)護(hù)條件對(duì)鐵尾礦粉活性的影響試驗(yàn)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(xì)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(jī)械粉磨有助于提高鐵尾礦活性,但粉磨細(xì)度達(dá)到一定值后,鐵尾礦粉的活性增加不再顯著;養(yǎng)護(hù)方式從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到90℃熱水養(yǎng)護(hù)、再到200℃高溫養(yǎng)護(hù),鐵尾礦粉的活性提高幅度不大,而1.1MPa蒸壓養(yǎng)護(hù)對(duì)鐵尾礦粉活性提高顯著,說明蒸壓養(yǎng)護(hù)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(qiáng)帶(1080~1100cm-1)擴(kuò)寬,中等譜帶(800cm-1附近)開始分裂尖銳化,這可能是顆粒細(xì)化及石英中Si—O化學(xué)鍵斷裂重組所致。當(dāng)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(xì)度后Si—O化學(xué)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(xì),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(jī)械粉磨主要引起鐵尾礦宏觀細(xì)度的顯著變化,而對(duì)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(yàn)結(jié)果表明,鐵尾礦粉比表面積為751m2/kg時(shí)的活性較好,且磨礦成本較低,因此后續(xù)試驗(yàn)以比表面積為751m2/kg的鐵尾礦粉為研究對(duì)象。2.2不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)膠砂試件抗壓強(qiáng)度的影響鐵尾礦粉摻量和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)的鐵尾礦粉比表面積為751m2/kg,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下,鐵尾礦粉摻量為10%的膠砂試件各齡期的抗壓強(qiáng)度均最高;其他3種養(yǎng)護(hù)條件下,膠砂試件各齡期的抗壓強(qiáng)度均隨鐵尾礦粉摻量的增加而降低,這是因?yàn)殡S著鐵尾礦粉替代水泥量的增加,體系中水泥熟料絕對(duì)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(qiáng)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(hù)條件對(duì)膠砂試件的抗壓強(qiáng)度有顯著的影響,且影響規(guī)律與齡期有關(guān)。養(yǎng)護(hù)3d的試件的抗壓強(qiáng)度順序?yàn)檎魤?gt;200℃養(yǎng)護(hù)>90℃養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);而養(yǎng)護(hù)28、56d的試件的抗壓強(qiáng)度順序?yàn)檎魤?gt;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)>200℃養(yǎng)護(hù)>90℃養(yǎng)護(hù)。2.3不同養(yǎng)護(hù)條件下鐵尾礦粉對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用養(yǎng)護(hù)條件和鐵尾礦粉摻量對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度貢獻(xiàn)效應(yīng)分析試驗(yàn)的尾礦細(xì)度為751m2/kg,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5可以看出,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、90℃熱水養(yǎng)護(hù)及200℃高溫養(yǎng)護(hù)下,隨鐵尾礦粉摻量的增大,鐵尾礦粉對(duì)膠砂試件的各齡期抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)值呈先增后減的趨勢(shì),而蒸壓下大致呈逐漸增加的趨勢(shì)。在鐵尾礦粉摻量為20%的蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下,3、28、56d的強(qiáng)度貢獻(xiàn)值分別為14.02、20.08、22.86MPa。經(jīng)過計(jì)算得到的強(qiáng)度貢獻(xiàn)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(duì)各齡期的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)值以蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下最高,說明蒸壓下鐵尾礦粉對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)要比其他3種養(yǎng)護(hù)條件下的顯著。這是因?yàn)檎魤合?鐵尾礦對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)以火山灰化學(xué)效應(yīng)為主,其他3種養(yǎng)護(hù)條件下鐵尾礦對(duì)混凝土的增強(qiáng)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(duì)試件后期強(qiáng)度有較大的提高。若鐵尾礦粉在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、90℃熱水養(yǎng)護(hù)及200℃高溫養(yǎng)護(hù)中對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)以火山灰化學(xué)效應(yīng)為主,則后期對(duì)混凝土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)值會(huì)比早期高很多,但由圖5可以看出,這3種養(yǎng)護(hù)條件下后期鐵尾礦強(qiáng)度貢獻(xiàn)值并沒有比早期有明顯提高,且在較佳摻量20%時(shí)鐵尾礦56d強(qiáng)度貢獻(xiàn)值還有所降低。因此,在非蒸壓下鐵尾礦粉對(duì)混凝土的增強(qiáng)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(hù)齡期的增加,鐵尾礦粉對(duì)抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)值也不斷增加,因此蒸壓下鐵尾礦對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)以火山灰化學(xué)效應(yīng)為主。3養(yǎng)護(hù)條件對(duì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(jìn)一步增加鐵尾礦粉的比表面積對(duì)其活性影響較小。(2)養(yǎng)護(hù)條件對(duì)鐵尾礦粉的活性影響明顯。鐵尾礦粉在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、90℃熱水養(yǎng)護(hù)及200℃高溫養(yǎng)護(hù)下基本上不具備火山灰活性,對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)以微集料填充效應(yīng)為主;而蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下具備明顯的火山灰活性,對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)顯著。摻入細(xì)度為751m2/kg、尾礦摻