富硅铁尾矿粉在水泥中的应用研究

富硅铁尾矿粉在水泥中的应用研究

最终矿是中国最大的固体废渣，综合利用率最低。据不完全统计,我国由于矿产资源开发而产生的尾矿累积堆存量已超过100亿t,目前正以12亿t/a左右的速度增长,年综合利用量不足2亿t。如此低的综合利用率不仅是资源的一种浪费,而且构成环境巨大威胁。尾矿理化性质与某些建筑材料十分相近,这为尾矿在建筑材料领域的广泛应用提供了可能。国内外在利用尾矿生产建材方面进行了大量有效的探索,主要包括生产水泥、建筑用砂、加气混凝土、砌块、免烧砖、烧结砖、陶瓷墙地砖、玻化砖、透水砖、微晶玻璃、保温材料、高强结构材料等产品。但是,目前尾矿利用还存在着综合利用率低、高附加值产品少和缺乏市场竞争力等问题。近些年,随着我国金属矿山资源贫、杂、细特征的日益凸显,选矿企业普遍提高了磨矿细度,并且在对尾矿中残余有价组分进行回收的过程中大都对尾矿进行了再磨,导致再选后的尾矿越来越细,这些过细的尾矿已不适合用于生产建筑用砂和砌块类产品。因此,对此类尾矿的开发利用需进一步探究。有些尾矿因化学成分和矿物组成上的特殊性,磨细后具有潜在活性,可用作水泥混合材和混凝土矿物掺合料,具有较高的综合利用价值。郑永超等研究了机械粉磨对铁尾矿活性的影响,结果表明,磨细铁尾矿可用作水泥活性混合材。本试验以某富硅铁尾矿为对象,研究了铁尾矿粉细度和养护条件对混凝土的增强效应。1原料和试验方法1.1尾矿的矿物组成(1)铁尾矿。试验用铁尾矿取自湖北某铁矿山选矿工艺流程,其XRD图谱见图1,主要化学成分分析结果见表1。从图1可以看出,该尾矿中主要矿物有石英、斜长石、磁铁矿、角闪石等。从表1可以看出,该尾矿中主要成分是SiO2,达68.44%,其次是Al2O3、Fe2O3等,含量相对较低。(2)水泥为华新52.5级普通硅酸盐水泥(P·O);砂为中国ISO标准砂;水为自来水。1.2铁尾矿的xrd图谱和硅氧四面体无机材料化学反应活性的高低主要取决于它的结构稳定性。一般而言,微观结构缺陷多、晶体的晶格畸变多或呈无定形状态的材料,其化学反应活性高。从晶体化学观点来看,既要求混合材有裂解的或可裂解的硅氧四面体骨架,又要求其有可以和硅氧四面体分离的铝氧四面体。从铁尾矿XRD图谱可以看出,铁尾矿主要矿物组成为晶体结构稳定的石英,因此,本身活性较低。而当其受到机械力作用时,不仅会引起颗粒尺寸减小,同时还可能引起晶体物质的晶格畸变、结晶程度的降低甚至变为无定形物质。因此,可通过机械粉磨改变铁尾矿微观结构,以提高其反应活性,用作混凝土掺合料。铁尾矿用水泥实验室常用的5kg小型球磨机(型号为SMφ500×500,磨球为磨机出厂原配钢磨球,采用标准级配和装球量)粉磨至比表面积为504、751、1120m2/kg。比表面积测试参照《GB8074—1987水泥比表面积测定方法(勃氏法)》。1.3胶砂强度试验用一定量的磨细铁尾矿粉(相当于水泥总量的0、10%、15%、20%、30%)替代水泥,按照《GB17671—1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行胶砂强度试验,胶砂比1∶3,水胶比0.5∶1,成型后的试件在温度20±2℃、相对湿度95%以上的标准养护箱中养护1d后脱模,然后将试件按表2的养护条件继续养护至规定龄期,测定不同粉磨细度、不同铁尾矿粉掺量、不同养护条件下试件的抗压强度。1.4铁尾矿粉在水泥混凝土中的强度贡献率对不同粉磨细度铁尾矿粉在不同养护条件下的活性,引用《GB12957—2005用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》中28d抗压强度比概念———活性指数对其进行表征(其中铁尾矿粉与水泥质量比为3∶7)。对不同掺量铁尾矿粉在不同养护条件下对混凝土的增强效应,引用蒲心诚提出的比强度及强度贡献率概念,推导出表征铁尾矿粉在水泥混凝土中强度贡献率及强度贡献值的计算公式式中,Φ为磨细铁尾矿粉的强度贡献率,即磨细铁尾矿的比强度与水泥比强度的比率,%;Ri为磨细铁尾矿粉的比强度,代表掺1%磨细铁尾矿粉对试件的强度贡献值,MPa;Rc为水泥的比强度,代表掺1%水泥对试件强度的贡献值,MPa;P为掺磨细铁尾矿粉的胶砂试件的强度,MPa;P0为纯水泥胶砂试件的强度,MPa;q为磨细铁尾矿的掺量,%;PS为磨细铁尾矿粉的强度贡献值,MPa。2试验结果与讨论2.1铁尾矿比表面积对红树莓原汁活性的影响铁尾矿粉磨细度和试件养护条件对铁尾矿粉活性的影响试验中铁尾矿替代水泥量为30%。28d胶砂活性指数见表3,不同细度尾矿的红外光谱见图2,XRD图谱见图3。从表3可以看出,机械粉磨有助于提高铁尾矿活性,但粉磨细度达到一定值后,铁尾矿粉的活性增加不再显著;养护方式从标准养护到90℃热水养护、再到200℃高温养护,铁尾矿粉的活性提高幅度不大,而1.1MPa蒸压养护对铁尾矿粉活性提高显著,说明蒸压养护是激发铁尾矿火山灰活性的有效手段。从图2可以看出,随着铁尾矿比表面积增加,石英红外光谱中最强带(1080~1100cm-1)扩宽,中等谱带(800cm-1附近)开始分裂尖锐化,这可能是颗粒细化及石英中Si—O化学键断裂重组所致。当铁尾矿粉磨至比表面积超过751m2/kg后继续粉磨,铁尾矿红外光谱变化很小,说明铁尾矿磨至一定细度后Si—O化学键不再变化。从图3可以看出,随着铁尾矿比表面积的增加,其主要矿物成分石英的衍射峰高度有所变化,但不很明显,说明随着铁尾矿变细,矿物晶体无定形化程度有所变化,但变化较小。结合图2、图3可以看出,机械粉磨主要引起铁尾矿宏观细度的显著变化,而对矿物晶体状态影响较小,因而这是铁尾矿粉活性不随其比表面积增加而提高的主要原因。试验结果表明,铁尾矿粉比表面积为751m2/kg时的活性较好,且磨矿成本较低,因此后续试验以比表面积为751m2/kg的铁尾矿粉为研究对象。2.2不同养护条件对胶砂试件抗压强度的影响铁尾矿粉掺量和养护条件对水泥胶砂抗压强度影响试验的铁尾矿粉比表面积为751m2/kg,试验结果见图4。从图4可以看出,蒸压养护条件下,铁尾矿粉掺量为10%的胶砂试件各龄期的抗压强度均最高;其他3种养护条件下,胶砂试件各龄期的抗压强度均随铁尾矿粉掺量的增加而降低,这是因为随着铁尾矿粉替代水泥量的增加,体系中水泥熟料绝对量减少使水化产物数量减少,且体系中惰性的铁尾矿粉与水泥浆体界面增多,而界面又是众所周知的结合力的薄弱面,是混凝土遇外力破坏开始的地方,因此造成胶砂试件抗压强度随着铁尾矿掺量的增加而降低。从图4还可以看出,养护条件对胶砂试件的抗压强度有显著的影响,且影响规律与龄期有关。养护3d的试件的抗压强度顺序为蒸压>200℃养护>90℃养护>标准养护;而养护28、56d的试件的抗压强度顺序为蒸压>标准养护>200℃养护>90℃养护。2.3不同养护条件下铁尾矿粉对混凝土的增强作用养护条件和铁尾矿粉掺量对水泥胶砂强度贡献效应分析试验的尾矿细度为751m2/kg,试验结果见图5。从图5可以看出,标准养护、90℃热水养护及200℃高温养护下,随铁尾矿粉掺量的增大,铁尾矿粉对胶砂试件的各龄期抗压强度贡献值呈先增后减的趋势,而蒸压下大致呈逐渐增加的趋势。在铁尾矿粉掺量为20%的蒸压养护条件下,3、28、56d的强度贡献值分别为14.02、20.08、22.86MPa。经过计算得到的强度贡献率分别为23.5%、27.3%、30.9%。从图5还可以看出,在铁尾矿粉掺量相同的情况下,铁尾矿粉对各龄期的抗压强度贡献值以蒸压养护条件下最高,说明蒸压下铁尾矿粉对混凝土的增强效应要比其他3种养护条件下的显著。这是因为蒸压下,铁尾矿对混凝土的增强效应以火山灰化学效应为主,其他3种养护条件下铁尾矿对混凝土的增强效应以微集料填充效应为主。活性掺合料的“火山灰反应”一般发生在水泥水化后期,对试件后期强度有较大的提高。若铁尾矿粉在标准养护、90℃热水养护及200℃高温养护中对混凝土的增强效应以火山灰化学效应为主,则后期对混凝土的强度贡献值会比早期高很多,但由图5可以看出,这3种养护条件下后期铁尾矿强度贡献值并没有比早期有明显提高,且在较佳掺量20%时铁尾矿56d强度贡献值还有所降低。因此,在非蒸压下铁尾矿粉对混凝土的增强效应以微集料填充效应为主;蒸压下铁尾矿粉活性很高,且随着养护龄期的增加,铁尾矿粉对抗压强度贡献值也不断增加,因此蒸压下铁尾矿对混凝土的增强效应以火山灰化学效应为主。3养护条件对铁尾矿粉的活性影响(1)适度粉磨有利于提高某富硅铁尾矿的活性指数,比表面积为751m2/kg的铁尾矿粉在标准养护条件下的胶砂活性指数为69%,可用于水泥混合材或混凝土掺合料,进一步增加铁尾矿粉的比表面积对其活性影响较小。(2)养护条件对铁尾矿粉的活性影响明显。铁尾矿粉在标准养护、90℃热水养护及200℃高温养护下基本上不具备火山灰活性,对混凝土的增强效应以微集料填充效应为主;而蒸压养护条件下具备明显的火山灰活性,对混凝土的增强效应显著。掺入细度为751m2/kg、尾矿掺