不同摻量細鐵尾礦砂對鋼渣基蒸壓加氣混凝土性能的影響

鐵尾礦（IOT）是鐵礦石經(jīng)過選礦、萃取鐵等工藝后產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物之一。目前，我國鐵尾礦大量產(chǎn)生，且主要以露天堆積的方式進行儲存。該種方式不僅占用大量的土地，而且會危害周圍居民的身體健康。因此，找到一種合理的方式處理鐵尾礦迫在眉睫。鐵尾礦是由金屬基材料和非金屬基材料組成的一種復(fù)合材料，其含有的元素主要有鋁、硅、鐵、鎂以及鈉和鉀等。鐵尾礦的主要礦物組成為石英、高嶺石、長石、褐鐵礦、赤鐵礦等。鐵尾礦根據(jù)粒度的不同可以分為粗鐵尾礦、細鐵尾礦和超細鐵尾礦。一般粒度大于4.74mm是粗鐵尾礦，粒度在0.16~4.74mm是細鐵尾礦，粒度小于0.16mm是超細鐵尾礦。鐵尾礦的資源化利用主要在以下幾個方面：鐵尾礦制備機制砂，金屬回收，水泥制備原料以及尾礦庫生態(tài)復(fù)墾等。但是鐵尾礦堆存量大，尾礦庫消庫的壓力促使固廢處置企業(yè)需求更多的資源化利用方式。蒸壓加氣混凝土是一種輕質(zhì)多孔建筑材料，其具有保溫和抗震性能好、易于加工、能耗低、耐火等優(yōu)勢，這使得蒸壓加氣混凝土被廣泛應(yīng)用于建筑材料等領(lǐng)域。為有效降低蒸壓加氣混凝土的原料成本，現(xiàn)階段更多地采用固廢作為蒸壓加氣混凝土的原料。一方面，實現(xiàn)固廢的資源化利用；另一方面，降低了蒸壓加氣混凝土的生產(chǎn)成本。目前，已有研究者利用鋼渣、鐵尾礦、磷石膏、煤矸石、稻殼灰、ZSM-5沸石以及風(fēng)冷渣等作為蒸壓加氣混凝土的原料來生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土。基于此，在本研究中我們用細鐵尾礦替代部分鋼渣制備新型蒸壓加氣混凝土。對蒸壓前的蒸壓加氣混凝土進行表征，研究了細鐵尾礦摻量對蒸壓加氣混凝土發(fā)泡效果、料漿的黏度和pH的影響。同時，研究了細鐵尾礦對鋼渣基蒸壓加氣混凝土礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。本研究為細鐵尾礦有效利用提供了一種新的途徑。1、實驗原材料及實驗方法1.1原材料本實驗所用的水泥為安徽海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，細鐵尾礦由生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所提供。失活的ZSM-5來自山東淄博的一家沸石生產(chǎn)商，其主要由92.78%的二氧化硅組成。鋼渣來自山東鋼鐵有限公司，其化學(xué)組成主要有41.23%氧化鈣和21.32%的二氧化硅。石膏和鋁粉由鹽城東吳化工有限公司生產(chǎn)的。鋼渣、失活ZSM-5、細鐵尾礦、水泥的化學(xué)成分如表1所示，粒度分布如圖1所示。鋼渣、失活ZSM-5、細鐵尾礦和水泥的D50分別為21.05μm、35.60μm、38.93μm和18.07μm。細鐵尾礦的XRD圖譜如圖2所示，從圖中可以看出其主要礦物是石英，次要的礦物是赤鐵礦、鈉長石、磁鐵礦和微斜長石。表1鋼渣、失活ZSM-5、細鐵尾礦、水泥的化學(xué)成分%圖1鋼渣、失活ZSM-5、細鐵尾礦和水泥的粒度分布圖2細鐵尾礦的XRD圖1.2配合比設(shè)計蒸壓加氣混凝土實驗配合比如表2所示。從表中可以看出，分別用6%、12%、18%和24%的細鐵尾礦替代部分鋼渣制備細鐵尾礦鋼渣基蒸壓加氣混凝土。水固比為0.78。表2蒸壓加氣混凝土的配合比%1.3樣品制備及檢測方法樣品制備的過程均參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》。首先，將實驗所需的原材料放入水泥膠砂攪拌機（JJ-5）中混合，緩慢攪拌2min，以確保原材料混合均勻。其次，向上述混合物中加入水（20~25℃），先緩慢攪拌2min后快速攪拌4min，直到料漿混合均勻得到料漿1。然后，將鋁粉加入料漿1中攪拌50s得到料漿2，將其倒入100mm×100mm×100mm的模具中，放入65℃的數(shù)顯恒溫攪拌循環(huán)水箱中養(yǎng)護24h。最后，在210℃壓力為2MPa的條件下蒸壓10h，得到蒸壓加氣混凝土樣品，將該樣品放入65℃的干燥箱中烘干至恒重。蒸壓加氣混凝土的力學(xué)性能測試采用100mm×100mm×100mm的立方體試塊，參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11969—2020進行測試。樣品的礦物組成檢測所用的材料制備過程如下：將樣品放入乙醇中終止水化，水化終止時間為12h，然后放入65℃的干燥箱中烘干。烘干后的樣品采用瑪瑙研缽進行研磨，粉磨樣品顆粒尺寸低于45μm。采用BedeD1型X射線粉末衍射儀對樣品進行X射線衍射分析，該分析掃描采用Cu-Kα作為靶材，掃描速度為5°/min，掃描范圍為10°~80°。使用NEXUS670型傅里葉變換紅外光譜儀對蒸壓加氣混凝土粉末樣品進行紅外（FTIR）光譜分析，波長的范圍是400~4?000cm-1，分辨率為4cm-1。采用STA449C分析儀對樣品的水化產(chǎn)物組成進行了分析，在氮氣的保護下，以10℃/min的升溫速率將樣品從室溫加熱到1?000℃。用于微觀形貌檢測和孔結(jié)構(gòu)分析的樣品采用塊狀結(jié)構(gòu)，主要的制備過程如下：將樣品采用切割機切割為5mm的薄片，切割好的薄片放入乙醇中終止水化，終止的時間為24h，終止水化后的樣品放入65℃的干燥箱中干燥5h后取出備用。采用EVOMA18?40XVP掃描電子顯微鏡對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，加速電壓為10kV。使用AutoporeIV9500儀器對蒸壓加氣混凝土試塊的孔結(jié)構(gòu)進行分析。2、結(jié)果分析與討論2.1料漿的pH值料漿的pH值如圖3所示。由圖3可知，料漿的pH值隨細鐵尾礦含量的增加而降低，從12.58降低到12.42。鋁粉通常作為生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土的發(fā)泡劑，其反應(yīng)的實質(zhì)是鋁粉和水進行反應(yīng)產(chǎn)生氫氣泡，這個過程需要在一定的堿性環(huán)境下進行。細鐵尾礦是一種酸性材料，本實驗中雖然料漿pH值下降，但pH值下降的少，并不會顯著影響鋁粉在蒸壓加氣混凝土發(fā)泡過程中起到的作用。圖3料漿的pH值2.2漿料流動性的測定圖4為細鐵尾礦摻量對蒸壓加氣混凝土漿體流動度的影響。由圖4可知，F(xiàn)IOT6、FIOT12、FIOT18、FIOT24的流動度分別為195mm、201mm、212mm和220mm?？梢悦黠@看出，隨著細鐵尾礦摻量的增加，料漿的流動度逐漸升高。FIOT24與FIOT6相比，料漿的流動度升高了12.3%。細鐵尾礦的加入降低了體系中的膠凝材料的總量，并且體系中凝膠所需水的總量降低，從而提升了漿料的流動度。圖4不同細鐵尾礦含量漿料的流動度2.3料漿的發(fā)泡性能不同細鐵尾礦摻量的樣品的發(fā)泡性能見圖5。由圖5可知，料漿在40min之前快速膨脹，40min之后膨脹趨于緩慢，80min之后膨脹趨于穩(wěn)定。細鐵尾礦摻量高的樣品膨脹率高于細鐵尾礦摻量低的樣品膨脹率。這是由于細鐵尾礦摻量高導(dǎo)致料漿的流動度增大，氣泡上升的阻力變小，促進了料漿早期的膨脹。該階段膨脹的原因主要是：（1）鋁粉發(fā)氣；（2）氣體受熱從失活ZSM-5孔道中排出提升膨脹效果。FIOT6、FIOT12、FIOT18和FIOT24的最終膨脹率分別為120.1%、122.2%、121.9%和124.8%，可見細鐵尾礦的摻量對樣品的最終膨脹率影響較小，從而樣品的干密度的變化微乎其微。此外，細鐵尾礦摻量的增加會促使料漿的發(fā)氣時間逐漸增長。細鐵尾礦的替代量為6%時料漿的發(fā)氣時間為72min；當(dāng)細鐵尾礦的替代量為24%時，料漿的發(fā)氣時間為90min?？梢钥闯?，細鐵尾礦摻量的增加明顯延長了料漿的發(fā)氣時間。圖5料漿的膨脹率2.4樣品的抗壓強度和干密度樣品的抗壓強度和干密度如圖6所示。由圖6可知，F(xiàn)IOT6、FIOT12、FIOT18和FIOT24的干密度值分別為496kg/m3、498kg/m3、527kg/m3和496kg/m3。隨著樣品中細鐵尾礦摻量的增加，樣品的干密度值差異不大。由于影響樣品干密度變化的因素主要是漿料的發(fā)泡性能，細鐵尾礦摻量的變化對樣品的發(fā)泡性能的影響較小，與料漿的發(fā)泡性能的結(jié)果一致。FIOT6、FIOT12、FIOT18和FIOT24的抗壓強度值分別為2.1MPa、2.3MPa、2.7MPa和2.8MPa。樣品的抗壓強度隨著細鐵尾礦含量的增加而增加，抗壓強度從2.1MPa增加到2.8MPa。樣品強度增加的原因主要是：（1）蒸壓后鈣礬石分解形成了硬石膏；（2）托貝莫來石的形成。A2.5級蒸壓加氣混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如表3所示。最終所有樣品均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11968—2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》，樣品FIOT24達到B05級別。圖6樣品的抗壓強度和干密度表3A2.5級蒸壓加氣混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（GB/T11968—2020）2.5樣品的XRD分析圖7（a）為樣品FIOT6~FIOT24蒸壓前XRD分析圖譜?？梢钥闯?，蒸壓前樣品的水化產(chǎn)物主要有石英（SiO2）、方解石（Calcite）、鐵酸二鈣（C2F）、RO相、硅酸二鈣（C2S）、鈉長石（Albite）和鈣礬石（Ettringite）。石英衍射峰的強度隨細鐵尾礦摻量的增加而不斷增強，說明細鐵尾礦在蒸壓前不參與反應(yīng)。此外，蒸壓前樣品中還存在屬于鋼渣的礦物相鐵酸二鈣和硅酸二鈣，說明鋼渣的活性在蒸壓加氣混凝土養(yǎng)護期間較低。圖7（b）為樣品FIOT6~FIOT24蒸壓后XRD分析圖譜?？梢钥闯觯魤汉笾饕牡V物相為托貝莫來石（Tobermorite）、石英（SiO2）、方解石（Calcite）和硬石膏（Anhydrite）。托貝莫來石是蒸壓加氣混凝土中重要的結(jié)晶相，其主要影響蒸壓加氣混凝土產(chǎn)品的強度。圖7（b）中，托貝莫來石的衍射峰隨著細鐵尾礦含量的增加而逐漸變高變寬，說明托貝莫來石的數(shù)量與細鐵尾礦的摻量呈正相關(guān)。此外，石英衍射峰的強度在蒸壓后相較于蒸壓前明顯降低，說明在蒸壓的過程中細鐵尾礦與鈣質(zhì)原料反應(yīng)生成托貝莫來石。蒸壓后鈣礬石衍射峰消失，這是由于蒸壓的過程中鈣礬石分解形成了硬石膏。蒸壓后C2F的衍射峰強度的降低，是因為在蒸壓的過程中消耗了一部分C2F。蒸壓后樣品的XRD圖譜中發(fā)現(xiàn)方解石的存在，這說明了樣品在烘干的過程中發(fā)生了部分碳化。圖7樣品的XRD圖譜2.6樣品的FT-IR分析圖8顯示蒸壓后樣品的FT-IR光譜，樣品在3?480cm-1和1?632cm-1附近的振動峰是由于水分子的彎曲振動和O-H的對稱拉伸，這是由于樣品中存在層間吸附水。在1?799cm-1、1?486cm-1、1?452cm-1、1?428cm-1和876cm-1處的振動峰歸因于CO32-的振動，該吸收帶與碳酸鹽的不同振動模式有關(guān)，依次分別為組合帶2ν2[CO3]2-、ν3[CO3]2-、ν3[CO3]2-、ν3[CO3]2-和ν2[CO3]2-。蒸壓后樣品在971cm-1和937cm-1處的振動峰是由于Si-O的不對稱拉伸振動，該振動峰是托貝莫來石典型的振動模式。在751cm-1附近的振動峰是由于樣品中存在鈉長石。樣品在580cm-1附近的振動峰與Si-O的彎曲振動有關(guān)。452cm-1附近的振動峰與Si-O鍵的振動有關(guān)。圖8蒸壓后樣品的FT-IR圖譜2.7樣品的TG-DTA分析圖9為蒸壓后樣品的TG-DTA曲線。根據(jù)溫度將質(zhì)量損失分為四個階段，第一個階段在25~200℃之間，其質(zhì)量損失主要與C-S-H凝膠脫水有關(guān)；第二個階段在300~450℃之間，這部分質(zhì)量損失是因為托貝莫來石的脫水；隨著加熱的繼續(xù)進行，第三階段的質(zhì)量損失在600~750℃之間，該階段的質(zhì)量損失主要與方解石的分解有關(guān)；最后階段的質(zhì)量損失在750~900℃之間，其主要是由于C-S-H凝膠脫水轉(zhuǎn)化為硅灰石。圖9蒸壓后樣品的熱重曲線2.8樣品的SEM/EDS分析圖10為樣品的SEM圖像和EDS分析。從圖中可以看出，不同細鐵尾礦摻量的蒸壓加氣混凝土中托貝莫來石形貌有兩種，分別為草狀托貝莫來石和板狀托貝莫來石。圖10樣品的SEM/EDS圖像（a）FIOT6；（b）FIOT12；（c）FIOT18；（d），（e）FIOT24鈣硅比是托貝莫來石形貌發(fā)生變化的主要原因，草狀托貝莫來石是在低鈣硅比（Ca/Si<1）下形成，而板狀托貝莫來石是在高鈣硅比（Ca/Si>1）下形成，通常板狀托貝莫來石的結(jié)晶度高于草狀托貝莫來石。細鐵尾礦的摻量為6%時，體系中粉煤灰和鋼渣中的鈣和硅大量反應(yīng)，此時的鈣硅比較低，形成的托貝莫來石為草狀結(jié)構(gòu)。隨著細鐵尾礦含量的增加，體系中的鐵尾礦含量大幅增加，但參與反應(yīng)的鐵尾礦含量較少，因此參與反應(yīng)形成托貝莫來石的鈣硅比明顯增加，草狀托貝莫來石逐漸向更寬更厚的板狀托貝莫來石轉(zhuǎn)變，且彼此之間相互交錯形成了更加致密的結(jié)構(gòu)，有利于樣品強度的發(fā)展。對樣品FIOT24中的元素進行EDS分析，點掃描的托貝莫來石的Ca/Si比為0.845，高于純托貝莫來石礦物的Ca/Si比（0.83），且樣品中主要的元素為Ca、Si、O、Al、Fe和Mg。結(jié)合前面的分析，可以推測托貝莫來石的形成消耗了鋼渣中的一部分鐵相。圖10（e）顯示了樣品FIOT24中托貝莫來石和硬石膏相互交錯，提升了樣品的抗壓強度。2.9樣品的MIP分析蒸壓加氣混凝土是一種多孔型的建筑材料，該產(chǎn)品的孔隙結(jié)構(gòu)顯著影響蒸壓加氣混凝土產(chǎn)品的性能。本實驗運用壓汞法（MIP）對蒸壓加氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)進行分析，該方法操作簡單，已被廣泛應(yīng)用于確定大于0.1μm的孔徑分布。樣品的總孔隙率如表4所示，F(xiàn)IOT6、FIOT12、FIOT18和FIOT24的總孔隙率分別為69.58%、68.69%、65.71%和68.97%?？梢钥闯?，隨著細鐵尾礦替代量的增加，樣品的孔隙率降低。研究報道，孔隙率降低，抑制了料漿的發(fā)泡速率，其抗壓強度越高。圖11是樣品的累計孔隙體積，可以看出細鐵尾礦含量越高，樣品表現(xiàn)出較低的汞累積侵入量，表明樣品中形成了更細小的孔。蒸壓加氣混凝土產(chǎn)品的孔徑分布如圖12所示，從圖中可以看出，細鐵尾礦摻量為12%、18%和24%相較于6%，樣品的孔徑分布整體向左移動，說明了孔向更小孔徑方向發(fā)展。表4樣品的