低硅铜尾矿蒸压灰砂砖的制备及性能研究

低硅铜尾矿蒸压灰砂砖的制备及性能研究

灰砂砖具有强度高、防水性好、亲水性好等优点。在生产过程中，不需要消耗粘土资源。可以替代刚性粘土砖用于基础和其他建筑。这是环保建筑材料。生产蒸压灰砂砖的主要原料是砂和石灰,其中对于砂,要求SiO2含量高(>65%,质量分数,下同),并要有较好的颗粒级配。由于各地优质砂的分布不均匀,限制了蒸压灰砂砖在某些地区的生产和使用,一些本来砂资源较丰富的地区,也由于过度开挖、采捞,而使资源日趋匮乏。另外,冶金矿山开采过程中产生大量SiO2含量不等的砂粒状废弃物——尾矿砂,占用土地,污染环境,甚至危及人民生命财产安全,亟待处理或开发利用。利用尾矿代替江河砂等生产蒸压灰砂砖可能是一条经济有效的途径之一,已引起人们的重视,国内外均有相关研究报道,但一般是利用SiO2含量相对较高(>45%)的尾矿砂,对于利用SiO2含量低于40%的尾矿研制蒸压灰砂砖鲜见报道。铜尾矿是铜矿开采过程中经选矿后作为废弃物的粒状细矿砂,其主要化学成份为SiO2,Fe2O3和Al2O3。位于南京汤山风景区的九华山铜矿的铜尾矿,其SiO2含量不到35%,通过掺加适量河砂粉,研究各工艺参数对灰砂砖性能的影响,制备各项性能符合GB11945—1999《蒸压灰砂砖》规定MU15指标要求的铜尾矿蒸压灰砂标准砖。1实验1.1石灰粉的cao和mgo含量实验所用铜尾矿系南京九华山铜矿提供,其化学成分和粒径分布见表1和表2,矿物组成主要为钙铁榴石(Ca3Al1.333Fe0.667Si3O12)和少量石英(见图1)。选用一种用于路基处理的石灰粉,其有效CaO和MgO含量分别为69.5%和2.0%(质量分数,下同),消化时间为5min,消化温度95℃,灰渣含量15.3%。所用河砂粉的化学成分见表1,石灰粉和河砂的0.08mm方孔筛筛余分别为6.5%和7.3%。1.2蒸压工艺砖的制备将尾矿砂、砂粉、石灰粉按计量配合后用搅拌机混合3min,加适量水搅拌3min,放置3h使石灰消解,然后调整水量搅拌至适于压力成型(手捏能成团,放手后不松散,不湿手)。加压成240mm×115mm×54mm砖坯,成型压力20MPa。将砖坯在压蒸釜中按设定制度(蒸汽温度与时间)蒸压养护。根据GB11945—1999《蒸压灰砂砖》的要求,参照GB/T2542—2003《砌墙砖试验方法》中非烧结砖试验方法测定制品的力学性能和抗冻性。对部分制品取样,用X射线衍射(X-raydiffraction,XRD)和扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy,SEM)进行物相组成和显微结构分析,用HP1920型HPGeγ能谱仪测定灰砂砖的放射性。2结果与讨论2.1灰砂砖的力学性能石灰作为铜尾矿蒸压灰砂砖配料中的激发组分,对于灰砂砖的最终性能起着至关重要的作用。石灰掺量的确定从本质上决定了灰砂砖强度发挥的潜力大小。由于铜尾矿中具有蒸压反应活性的SiO2含量很低,因此拟通过掺加磨细砂粉来弥补此不足,砂粉成为与石灰发生蒸压反应的主要组分,石灰粉与砂粉质量比成为决定蒸压反应物CaO与SiO2质量比的主要因素。表3是固定配合料中铜尾矿含量为50%时,升温2h,到175℃(0.9MPa)保温8h,随压蒸釜自然冷却到低于40℃出釜的制度蒸压养护的灰砂砖制品的力学性能。由表3可以看出:当石灰粉与砂粉质量比小于1/2.5时,随着石灰掺量的增加,即石灰与砂粉质量比的提高,灰砂砖试件强度提高;当石灰掺量从10%(石灰与砂粉的质量比等于1/4.0)提高至14.5%(石灰与砂粉的质量比等于1/2.5)时,灰砂砖抗压强度和抗折强度分别从33.3MPa和5.8MPa增加到了41.0MPa和6.9MPa。所用石灰的CaO和MgO含量仅73%,不符合JC/T497《建筑石灰》合格品的要求,然而从表3试验结果可以看出,用这种石灰制备灰砂砖却可得到较高的强度。究其原因,可能是由于该石灰的原料——石灰石的黏土矿物含量较高,而煅烧黏土具有较高的活性,虽然在常温下其与石灰的反应较慢,但在蒸压条件下,煅烧黏土很易与石灰反应形成有较高强度的产物。石灰掺量的增加,不仅增加了反应物中有效CaO的含量,同时增加了活性较高的煅烧黏土矿物的含量,从而得到较高的灰砂砖强度。当石灰与砂粉质量比超过1/2.5时,灰砂砖强度有降低趋势,这可能与反应产物的CaO与SiO2质量比提高及可能存在未反应的Ca(OH)2有关。应该指出,基于力学性能考虑铜尾矿灰砂砖的最佳石灰与砂粉质量比,与所用石灰和砂粉的组成与物理性状和掺量、尾矿的组成与物理性状及压蒸制度等多种因素有关。从本实验结果可以看出石灰粉与砂粉质量比以1/2.5左右为宜。2.2石灰粉与砂粉混合物含量对灰砂砖强度的影响尾矿灰砂砖配合料中石灰粉与砂粉混合物含量确定由2个方面因素决定:一是尽可能地提高尾矿用量;二是保证铜尾矿灰砂砖的强度不低于15MPa。基于此原则,根据表3试验结果确定石灰粉与砂粉质量比为1/2.5不变,研究不同石灰粉与砂粉混合物含量对灰砂砖强度的影响。由表4试验结果可知,随着配合料中石灰粉与砂粉混合物含量的减少,灰砂砖强度显著降低。这主要是由于铜尾矿中所含游离态的SiO2很少,与石灰反应的活性较低,灰砂砖的强度主要源于石灰粉与砂粉的反应,石灰粉与砂粉混合物含量的减少也导致了反应产物的含量的减少。此外,砂粉的颗粒较小,能有效地填充灰砂砖的孔隙,使得内部结构更致密,提高灰砂砖强度。从表4结果可以看出,在本试验条件下,铜尾矿用量为配合料的65%时,灰砂砖的力学性能仍能满足GB11945—1999中MU15级灰砂砖的要求。2.3压蒸温度对灰砂砖抗压强度的影响图2为升温2h,保温8h,随压蒸釜自然冷却到低于40℃出釜的压蒸制度下不同石灰粉与砂粉混合物含量灰砂砖的抗压强度随压蒸温度的变化。由图2可知:在本试验压蒸温度范围内,各组成灰砂砖的抗压强度均随压蒸温度的提高而增加,尤其铜尾矿用量较大时,适当提高压蒸温度可使尾矿灰砂砖强度有较大幅度的提高,但温度高于180℃(1.0MPa)后灰砂砖强度增加不大。2.4铜尾矿含量对灰砂砖及其粉体的影响图3是表4所列不同铜尾矿用量灰砂砖经(–18±2)℃冻5h,(15±2)℃融3h冻融循环15次后的抗压强度和干质量损失率,同时给出了冻融试验前灰砂砖的抗压强度。由图3可见:随着铜尾矿含量的增加,灰砂砖冻融后的强度降低幅度和干质量损失率均增大,但当铜尾矿含量不超过65%时,灰砂砖的冻后强度高于16MPa,干质量损失率小于1.6%,均能满足GB11945—1999中MU15级灰砂砖的技术要求。表5是铜尾矿含量为70%的铜尾矿灰砂砖F470的放射性测定结果。铜尾矿灰砂砖的内照射系数IRa和外照射系数I均小于1.0,符合GB6566—2001《建筑材料放射性核素限量》对A类建筑材料的要求,其产销和使用范围可不受限制。2.5托勃莫来石的成分图4是铜尾矿灰砂砖F250和F450及铜尾矿的XRD谱。由图4可见:铜尾矿灰砂砖中主要组成仍为钙铁榴石,说明钙铁榴石颗粒基本上不参与石灰的水热反应,在其中主要起骨料的作用。掺有砂粉的铜尾矿灰砂砖的反应产物主要是0.9nm托勃莫来石(Ca5Si6O18H2)、1.1nm托勃莫来石(Ca5Si6O17·5H2O)和1.4nm托勃莫来石(Ca5Si6O18H2·8H2O)晶体,不同结合水含量的托勃莫来石共存的现象在自然界也存在,本试验中形成多种结合水含量不同的托勃莫来石可能是由于砖坯中的组成(包括水分)和颗粒大小的不均匀性有关。从图4可以看到:F450中各类托勃莫来石的含量明显高于F250,这是由于前者配料的石灰与砂粉质量比较高,在一定的范围内,较高的石灰与砂粉质量比可导致形成较多的水热反应产物——托勃莫来石,有利于灰砂砖强度的提高。尽管铜尾矿中所含少量石英也可以与石灰反应形成托勃莫来石等,但由于铜尾矿中的主要组分钙铁榴石颗粒基本上不参与石灰的反应,不足以提供足够的强度,因此,生产铜尾矿蒸压灰砂砖时必须掺加适量江河砂或砂粉以提高具有压蒸活性SiO2的含量。图5为铜尾矿蒸压灰砂砖F450和F250的SEM照片。从图5a和5b可以看出,铜尾矿蒸压灰砂砖F450中存在大量竹叶状和薄片状的托勃莫来石晶体,这是由于掺加了部分砂粉,砂粉与石灰的均匀混合和良好接触有利于水热反应的进行和托勃莫来石晶体的形成。正是这些托勃莫来石晶体的相互交叉穿插,联接砂粒和尾矿砂颗粒,保证了铜尾矿蒸压灰砂砖具有较好的力学性能。不同形态的托勃莫来石晶体,是否对应于XRD谱中的不同水含量的托勃莫来石,仍有待于进一步研究确定。F250中也生成了大量托勃莫来石,但其水热反应产物数量显然少于F450,形貌上似乎也有微小差异(见图5c)。水热反应产物数量相对较少显然是F45的强度比相对较低的主要原因。图6是铜尾矿蒸压灰砂砖F450中一颗钙铁榴石晶粒及其周围反应产物的SEM照片。由图6可见:钙铁榴石颗粒几乎不与石灰反应,与周围反应产物的结合也较差,因此,在受荷载作用时,反应产物与钙铁榴石颗粒的结合最易被破坏。3铜尾矿蒸压灰砂砖(1)通过掺加适量砂粉,在175~190℃蒸压反应,可制得配合料中低