鄂西低硅赤鐵礦制備蒸壓磚的試驗研究

鄂西低硅赤鐵礦制備蒸壓磚的試驗研究

高磷赤鐵礦儲量巨大。如何利用烏拉西礦產(chǎn)生的大量廢棄物，以及實(shí)現(xiàn)鄂西礦廢物的有效利用，是不可避免的重要課題。鐵尾礦綜合利用的途徑一般有有價元素的再選、制作建筑材料、利用尾礦充填采空區(qū)、制作功能材料、尾礦回填與復(fù)墾等。鄂西某選礦廠附近石灰石資源豐富且尚未開發(fā)利用,為實(shí)現(xiàn)該地赤鐵礦尾礦和石灰石資源的綜合利用,以它們?yōu)橹饕现苽湔魤捍u具有一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前,國內(nèi)外對粉煤灰制備蒸壓磚進(jìn)行了大量研究,但隨著粉煤灰的綜合利用程度不斷加深,粉煤灰價格也隨之升高,粉煤灰蒸壓磚的生產(chǎn)成本增加,以礦山尾礦為主要原料制備蒸壓磚成為了重要的研究課題。本研究在鐵尾礦特性分析的基礎(chǔ)上,利用其作為骨料和硅源,以鄂西當(dāng)?shù)刎S富而廉價的石灰石作為鈣源,再摻配適量黃沙,制備性能較好的蒸壓磚,以便為鄂西赤鐵礦尾礦高效大量利用提供新的途徑。1測試1.1試驗原材料和性能1.1.1礦物組成和粒度分析赤鐵礦尾礦取自鄂西建始縣某選礦廠,為強(qiáng)磁選尾礦。尾礦干燥后經(jīng)兩段顎式破碎機(jī)和一段對輥破碎機(jī)破細(xì)成粉狀,作為試驗用原料。以XiosadvancedX線熒光光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。由表1可知:該赤鐵礦尾礦SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.4%,屬低硅型鐵尾礦。采用D/Max-IIIA型XRD衍射儀對其進(jìn)行礦物組成分析,掃描速度為15(°)/min,步長為0.02°,靶材為Cu靶,電壓為40kV,電流為30mA,結(jié)果見圖1。從圖1可知:該赤鐵礦尾礦的礦物組成主要成分是赤鐵礦和石英,次要礦物為綠泥石和方解石等。用篩分分析法對其進(jìn)行粒度分析,結(jié)果見圖2。從圖2可見:鐵礦尾礦粒度較小,粒徑小于0.044mm的占50.44%,小于0.074mm的占82.14%,故鐵尾礦顆粒有較大的比表面積,有利于其硅質(zhì)成分在蒸壓過程中與氫氧化鈣充分反應(yīng)。同時,鐵尾礦顆粒中存在部分較粗顆粒,在復(fù)合體系中起到骨料的作用。1.1.2提高成型物料的塑性石灰為蒸壓反應(yīng)提供鈣源,與復(fù)合體系中的硅質(zhì)材料反應(yīng)生成各種水化產(chǎn)物,使制品獲得一定強(qiáng)度;另一方面石灰消化時可產(chǎn)生大量熱量,加強(qiáng)了水分子的熱運(yùn)動,提高成型物料的塑性。試驗所用石灰為自制煅燒石灰。石灰石取自鄂西建始縣某選礦廠附近,在煅燒溫度為1150℃、恒溫時間為30min條件下,所制得石灰的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.26%,消化溫度為99℃,消化時間為280s,滿足JC/T621—1996(《硅酸鹽建筑制品用生石灰》)一等品技術(shù)要求。1.1.3化學(xué)成分對蒸壓磚性能的影響由于所用鐵尾礦為低硅型鐵尾礦,為滿足制備蒸壓磚一定的鈣硅比和顆粒級配,摻入適量的硅質(zhì)材料——黃沙,試驗用黃沙粒度為0.9~1.6mm,其化學(xué)成分見表2。由表2可知:黃沙中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.60%。黃沙的摻入直接影響蒸壓磚的性能,表現(xiàn)在以下2個方面:(1)提供硅源。黃沙中的SiO2多以游離的石英態(tài)存在,在水熱條件下能更為迅速的溶解于Ca(OH)2飽和溶液,生成水化硅酸鈣,提高蒸壓磚性能;(2)改善粒級。黃沙在復(fù)合體系中充當(dāng)粗骨料,在加壓成型中,起到了傳遞壓力作用,克服較小鐵尾礦顆粒所造成的密度不勻、憋氣分層等現(xiàn)象,并提高了制品的強(qiáng)度。1.2蒸壓磚的制備將石灰石在一定溫度下經(jīng)XZ-13電阻爐恒溫煅燒30min,制得生石灰,冷卻后將其放入GJ-Ⅱ型密封式化驗制樣機(jī)中粉磨備用。將赤鐵礦尾礦、石灰、黃沙和石膏按比例稱量后,在JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)中混合均勻(混合料含水率為15%),消化后裝入直徑為50mm的模具中,模具放置在YES-100數(shù)顯式液壓壓力試驗機(jī)中以20MPa的壓力成型,即制得磚坯。磚坯在YZF-2A型蒸壓釜中進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù),國外學(xué)者研究表明在飽和蒸汽正常的條件下恒壓時間和壓力的乘積為70~75kg/(cm2·h)就能獲得良好的制品,故試驗蒸汽選用壓力為1.2MPa,蒸壓時間為6h。磚坯出釜后,即得赤鐵礦尾礦蒸壓磚。蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度檢測按照GB/T2542—2003(《砌墻磚試驗方法》)的試驗規(guī)程進(jìn)行。2對結(jié)果的分析與討論2.1抗壓強(qiáng)度正交試驗試驗所用原料赤鐵礦尾礦、石灰、黃沙和石膏之間存在化學(xué)反應(yīng),在復(fù)合體系中是相互影響、相互制約,故試驗采用3因素4水平的正交試驗進(jìn)行配方設(shè)計。選取石灰、黃沙和石膏摻量為考察因素,以抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)進(jìn)行正交試驗,尋求最佳的配方,選用4水平的L16(45)正交表所設(shè)計的試驗方案進(jìn)行試驗。試驗所用的因素水平表見表3,正交試驗結(jié)果和極差分析分別如表4和表5所示。由表4和表5結(jié)果可知:影響赤鐵礦尾礦蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度從大到小的順序為石灰(A)、黃沙(B)和石膏(C),即A>B>C。綜合考慮赤鐵礦尾礦的利用率、原料成本和蒸壓磚性能,配方的適宜組合為A4B3C1,即石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,不摻入石膏,此時赤鐵礦尾礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。2.2蒸壓磚的成型物料塑性和蒸壓強(qiáng)度在一般情況下,傳統(tǒng)混凝土物料采用一次攪拌,即可達(dá)到技術(shù)要求。但是,由于本試驗所用石灰為自燒石灰,在加水?dāng)嚢钑r石灰開始消化,為提高石灰消化擴(kuò)散和成型物料塑性,考慮采用預(yù)攪拌和終攪拌的2次攪拌工藝,即增加預(yù)攪拌工序。在赤鐵礦尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%,石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%條件下,以未經(jīng)預(yù)攪拌和經(jīng)預(yù)攪拌的2種攪拌工藝分別制得赤鐵礦尾礦蒸壓磚,并對蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試,結(jié)果見圖3。由圖3可知:經(jīng)一次攪拌工藝的成型物料塑性指標(biāo)為2.1cm·kg,蒸壓磚抗壓強(qiáng)度為18.58MPa;經(jīng)2次攪拌工藝的成型物料塑性指標(biāo)為2.5cm·kg,蒸壓磚抗壓強(qiáng)度為21.20MPa,均高于一次攪拌,并將制品級別提高,從MU15提高到MU20。這是因為石灰在消化過程中會部分結(jié)塊形成假性顆粒,導(dǎo)致成型坯體不密實(shí),而2次攪拌工藝能很好地對消化物料起到粉碎作用。另外,第二次攪拌時加入少量水,并將這部分水均勻分布在尚未形成良好水膜的固體顆粒表面,有效地提高了成型物料的塑性和蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度。后續(xù)試驗全部采用2次攪拌工藝,工藝參數(shù)為:一次攪拌加水10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),二次攪拌加水5%。2.3成型壓力對蒸壓磚制品的影響壓制成型使硅源顆粒與鈣源顆粒緊密接觸以保證顆粒間的反應(yīng)高效進(jìn)行,同時為磚坯提供初始強(qiáng)度。在赤鐵礦尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%,石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,采用2次攪拌工藝不變的條件下改變成型壓力,分別為10,15,20,25和30MPa,考察成型壓力對蒸壓磚制品的影響,結(jié)果見圖4。由圖4可知:制品的抗壓強(qiáng)度和凍融后抗壓強(qiáng)度隨著成型壓力的增加先快速增加,當(dāng)成型壓力達(dá)到20MPa后趨于平緩;抗折強(qiáng)度隨著成型壓力的增加并不太明顯,當(dāng)成型壓力分別為5MPa和10MPa時,凍融后質(zhì)量損失在1%以上,當(dāng)成型壓力大于20MPa時,凍融后質(zhì)量損失明顯降低并趨于緩和。這是由于在成型壓力低于一定值時,物料的孔隙率很大,顆粒間的內(nèi)摩擦力小,成型壓力的增加能顯著地提高物料顆粒的緊密程度,有利于蒸壓反應(yīng)的充分進(jìn)行和磚坯的初始強(qiáng)度提高;但當(dāng)壓力達(dá)到一定值時,顆粒間摩擦力增大,同時,顆粒間未排出的氣體壓縮導(dǎo)致反膨脹力增大,此時,成型壓力的增加并不能有效地提高顆粒間的致密度。故試驗選取20MPa作為適宜的成型壓力。2.4抗壓強(qiáng)度檢測將上述各試驗所得結(jié)果組合成優(yōu)化試驗方案制備一批赤鐵礦尾礦蒸壓磚,并參照GB11945—1999(《蒸壓灰砂磚》)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測,優(yōu)化試驗方案及抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果見表6。從表6可知:在優(yōu)化試驗方案條件下制備的蒸壓磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到GB11945—1999(《蒸壓灰砂磚》)規(guī)定的MU20級的要求,這說明利用鄂西赤鐵礦尾礦及當(dāng)?shù)厥沂Y源并摻入適量黃沙,制備性能較好的赤鐵礦尾礦蒸壓磚是可行的。3蒸壓磚的物相及體系為研究制備的蒸壓磚的強(qiáng)度形成機(jī)理,對在赤鐵礦尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%,石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,采用2次攪拌工藝,成型壓力為20MPa,蒸汽壓力為1.2MPa,蒸壓時間為6h條件下制備的蒸壓磚進(jìn)行XRD和SEM分析,結(jié)果分別見圖5和圖6。從圖5可以看出:蒸壓磚的主要物相有赤鐵礦、石英、方解石、水石榴石、托勃莫來石和Ⅰ型水化硅酸鈣。這說明在1.2MPa的蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下,赤鐵礦尾礦和黃沙中的SiO2溶解,并與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)生成了Ⅰ型水化硅酸鈣、托勃莫來石和水石榴石,這些水化產(chǎn)物填充在骨架的孔隙中,賦予蒸壓磚強(qiáng)度,尤其是托勃莫來石具有良好的物理力學(xué)性能,為蒸壓磚的高強(qiáng)度提供了保證。由圖6(a)看到:蒸壓磚的結(jié)構(gòu)致密,孔隙少且小,顆粒級配合適,顆粒之間的連接緊密,水化產(chǎn)物很好地包覆在赤鐵礦尾礦及黃沙顆粒表面,蜂窩狀的水化硅酸鈣交織填充在孔隙中,這為蒸壓磚強(qiáng)度的發(fā)揮提供了很好的條件。圖6(b)中,薄片狀的托勃莫來石,纖維狀的Ⅰ型水化硅酸鈣以及未分解完全的水石榴石聚集在一起,相互交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時水化產(chǎn)物在顆粒上附著,并膠結(jié)赤鐵礦尾礦和黃沙顆粒形成緊密和堅固的骨架,使整個復(fù)合體系結(jié)構(gòu)更加致密,孔隙率降低,從而使蒸壓磚具有較高的強(qiáng)度。4蒸壓磚的制備工藝(1)利用鄂西赤鐵礦尾礦及當(dāng)?shù)厥沂Y源并摻入適量黃沙為原料制備蒸壓磚。在赤鐵礦尾