铁尾矿加气混凝土的物理力学性能

铁尾矿加气混凝土的物理力学性能

铁渣是将铁从矿山排入渣工业固体残渣的工业废物。随钢铁行业的迅速发展,铁尾矿占工业固体废弃物的堆存比例增大,2007~2011年间,我国尾矿的堆存总量增长了62.89亿吨,而铁尾矿的增长了28.99亿吨,仅2011年铁尾矿增长了8.06亿吨。目前,我国尾矿的综合利用主要集中在有价元素提取、制作建筑材料和作为充填材料等,而全国2011年尾矿综合利用总量仅为2.6877亿吨。近年来,以铁尾矿为硅质原料制备加气混凝土,拓宽了其应用领域。李德忠等等利用密云磁铁石英岩型铁尾矿制备出铁尾矿掺量最高为62%,绝干抗压强度为6MPa的加气混凝土产品,但所使用的硅质原料属高硅低铁型尾矿,不能完全适用于其他类型尾矿制备加气混凝土的要求。为此,本文以山西灵丘豪洋矿业有限公司的低硅高铁型富含硅酸盐尾矿为硅质原料,采用铁尾矿-水泥-石灰工艺制备加气混凝土,研究各组分配比对加气混凝土的微观性能、强度形成机制的影响。1性能测试方法铁尾矿、硅砂、生石灰、水泥、脱硫石膏以及铝粉膏化学成分列于表1。实验使用的铁尾矿从选矿厂车间综合尾矿中分多次从流程中截取,经过沉淀、烘干、混匀、缩分,具有代表性的研究矿样。通过光学显微镜和X射线衍射分析,铁尾矿的主要矿物组成为:石英、铁闪石、普通角闪石和斜长石,少见黑云母、绿泥石,此外亦见粒度<10μm的呈粒状存在于脉石矿物之间的黄铁矿和磁铁矿晶粒存在。由表2可知,铁尾矿全铁含量为14.51%,其硅酸铁的含量为11.81%,因此,试验用的尾矿是低硅高铁富含硅酸盐的铁尾矿。硅砂的主要矿物组成有石英、钙长石和钠长石。生石灰的消解时间13min,消解温度66℃,符合国家标准JC/T621-2009规定的硅酸盐建筑制品用生石灰的要求。水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥,其初凝时间为118min,终凝时间190min。铝粉膏中活性铝含量为88%,固体含量为77%,发气率16min为91%、30min大于99%,200目筛余1.5%,水分散性好,无团粒,盖水面积5150cm2/g。以制备A3.5、B06级铁尾矿加气混凝土制品为目标,经过优化配比确定原料基本配方,按国标用100mm×100mm×100mm的试模测试加气混凝土性能。试样制备流程如下:利用SMue788500mm×500mm型球磨机对试验使用的硅质原料进行粉磨,球磨机采用标准级配的研磨介质,每次给料5kg。按配合比将粉磨后的硅质原料与石灰、水泥、脱硫石膏搅拌混匀后,加入55℃温水搅拌90s,而后加入铝粉膏搅拌40s。经过浇注、静停、脱模、蒸压养护流程后,得到加气混凝土制品。浇注模具采用三联模模具尺寸为100mm×100mm×100mm,发气和静停的环境温度为55℃,试件经过4h的静停养护后,其强度可以满足切割工序的要求,之后将坯体放入蒸压釜进行饱和蒸汽压力蒸压养护,蒸压制度为:升温2h,恒温恒压8h(蒸压最高压力1.25MPa,温度190℃),降温2h,出釜后得到加气混凝土制品。以生产铁尾矿加气混凝土绝干密度为600kg/m3的制品为研究目标(B06级产品)。试验中加气混凝土制品的绝干密度、抗压强度等性能测定方法参照国标《蒸压加气混凝土性能试验方法(GB/T11969—2008)》,制品抗压强度测试时的含水率控制在8%~12%。磨细硅质材料的比表面积测定采用CZB-9型自动比表面积仪;力学性能的测试采用YES-300型数显液压压力试验机,其最大负荷为300kN,加荷速率为(2.0±0.5)kN/s;加气混凝土制品的XRD分析利用日本理学RigakuD/MAX-RC12kW,Cu靶,波长为1.5406nm,工作电压40kV,工作电流150mA的旋转阳极衍射仪;加气混凝土制品的水化产物形貌分析利用德国蔡司SUPRATM55场发射扫描电镜(FE-SEM)。2结果与讨论2.1铁尾矿细度对加压混凝土制品绝干密度的影响原矿铁尾矿的200目筛余为70.80%,不能直接用来生产加气混凝土,通过球磨机对原尾矿进行磨细和均匀化处理。控制铁尾矿磨料时间为15,20,25,30,35和40min,粉磨后其比表面积分别对应为243.73,285.60,311.25,345.37,384.76和428.81m2/kg。取不同粉磨细度的尾矿制备加气混凝土,测试浇注的稳定性和制品性能,确定铁尾矿的粉磨时间。试验中原材料配比为:铁尾矿60%,水泥10%,石灰25%,脱硫石膏5%,铝粉膏用量占干料总量的0.60‰,水用量占干料总量的57%,不同粉磨时间的铁尾矿在相同试验条件下其物理性能影响如图1所示。图1为不同细度铁尾矿对加气混凝土性能的影响,其粉磨时间为15,20,25,30,35和40min,对应的加气混凝土制品编号为G1、G2、G3、G4、G5和G6。由图1可知,随粉磨时间增加,制品的绝干密度先减小后增加,粉磨时间25min的G3制品的绝干密度最小,为600kg/m3,说明粉磨后铁尾矿细度对加气混凝土制品的发气过程影响较大。试验中G1、G2制品在浇注过程中,由于尾矿粉磨时间短颗粒较粗,料浆流动性一般,出现冒泡和轻微冒泡现象,而粉磨时间为25min的G3制品在浇注中料浆流动性很好,随着细度的变小,G4、G5、G6在浇注中料浆的稠度增大,整体流动性变差,G6制品在浇注中出现轻微冒泡现象,且加气混凝土制品的外观效果较差;而细度的变化,加气混凝土制品的抗压强度先增大后减小,粉磨时间为25min的G3制品抗压强度为最大为2.41MPa,说明粉磨时间越长,参加反应的尾矿颗粒表面积越大,其活性越高,但粉磨时间过长细度过小(几十微米以下),铁尾矿不能为加气混凝土制品提供良好的骨架结构,导致制品整体气孔结构较差。因此,尾矿经25min粉磨时,料浆流动性和浇注稳定性好,制品的抗压强度较高,粉磨增强效果达到极大值,制品的外观效果最佳。从经济和性能上考虑,确定后续试验过程中尾矿均经25min粉磨。采用的低硅尾矿若不掺加硅质材料,生成制品难以达到A3.5、B06级合格制品要求,故按照合理级配的原理需填加高硅材料硅砂细磨,以提高反应所需的SiO2,提供制品所需的骨架的骨料,从而提高加气混凝土制品的整体强度。2.2铁尾矿掺量对实际制品的影响为了最大限度地利用铁尾矿,粉磨25min后比表面积为311.25m2/kg掺量为60%~30%,粉磨后比表面积为333.57m2/kg的硅砂掺量为0~30%,水泥用量为10%,石灰用量为25%,脱硫石膏用量为5%,铝粉膏用量占干料总量的0.60‰,水用量占干料总量的57%,55℃温水搅拌,静停养护温度为55℃,不同掺量铁尾矿在相同试验条件下其物理性能影响如图2。图2为不同掺量铁尾矿对加气混凝土性能影响图,铁尾矿掺量分别为60%,55%,50%,45%,40%,35%和30%,对应的制品编号为A1、A2、A3、A4、A5、A6和A7。由图2可知,随着铁尾矿掺量的减小,加气混凝土制品的绝干密度先减小后增大,加气混凝土制品的抗压强度增大,当尾矿的掺量为45%时,制品的绝干密度和抗压强度分别为588kg/m3和4.07MPa,制品符合GB11968-2006标准规定的A3.5、B06的合格产品要求。随尾矿掺量的继续减小,加气混凝土制品的抗压强度继续增加,体积密度变化制品的抗压强度变化不大。为了最大限度利用尾矿,降低成本,从经济和性能上考虑,故确定铁尾矿掺量为45%,硅砂掺量为15%的制品A4为较优方案。2.3c-s-h凝胶为了验证A4号配方的可靠性,采用X射线衍射分析对样品A4的微观结构进行了初步研究,测试结果如图3所示。经过蒸压养护后,A4制品中主要物相为0.9nm托贝莫来石(Ca5Si6O18H2)、1.1nm托贝莫来石(Ca5Si6O17·5H2O)和1.4nm托贝莫来石(Ca5Si6O18H2·8H2O)、石英、铁钙闪石、硬石膏和方解石。制品在高温蒸压过程中,随着铁尾矿和硅砂两种硅质原料中的硅不断溶出,与石灰等钙质原料反应生成水化产物托贝莫来石,多种结合水含量托贝莫来石的形成可能是与加气混凝土制品的组成(包含水分)以及颗粒大小的不均匀性有关,它的形成说明在自然界中也存在不同结合水含量的托贝莫来石共存的现象。制品中的铁钙闪石Ca2Fe3Al2(Si6Al2)O22(OH)2为双链状结构,由于制品中添加了活性CaO和Al粉膏,在高温蒸养条件下,Ca2+和Al3+分别与铁闪石(Fe7Si8O22(OH)2)中的Fe2+和Si4+发生了离子置换,形成了铁钙闪石。尾矿中的原有的脉石矿物斜长石、普通角闪石,绿泥石、黑云母物相经过蒸压养护后分解,进入到托贝莫来石结构,形成了新的矿物相,这些新的矿物相对制品强度的发展极为有利。石英的衍射峰强度明显下降,制品中部分残余的石英在制品中作为主要骨料存在。由于体系中加入了起缓凝作用的石膏,所以制品蒸压后出现了硬石膏的矿物相。制品中形成了新的物相方解石,是由于制品在制备和蒸压中Ca(OH)2碳化的原因。此外,由图3可知,图中在2θ为26°~34°之间的衍射峰下面有宽泛的“凸包”背景,说明A4制品中存在着大量的无定形(无衍射性)的非晶态和结晶度极低物质存在于制品之中,制品中一些小的颗粒尺寸,导致衍射峰宽化,并入XRD衍射背景当中。经高温蒸压的加气混凝土制品水化产物形貌(FE-SEM)分析见图4,由图4(a)可知,水化产物密集丛生,试样断面上生成结晶比较差的C-S-H凝胶(见图4a中A处)和大量结晶度比较好柳叶状或叶片状的托贝莫来石(见图4a中B处),而C-S-H凝胶作为“粘结剂”将这些密集的水化产物相互胶结在一起,形成良好的网络状框架结构,该结构能够改变制品气孔结构,较好的抵抗外界的荷载,在应力作用下,不易引起应力集中,对制品的强度提高起到了一定作用[15,16,17,18,19,20],制品中C-S-H凝胶说明了2θ为26°~34°之间的衍射峰下面有宽泛的“凸包”背景的原因。从图4(b)对图4(a)中B处的放大图片中可以看出,水化产物托贝莫来石良好的结晶形态,同时板状或片状物得周边有未反应的石英颗粒的存在,由于视域的选择不同,石英颗粒数量也存在差异。A4制品的组成和形貌分析表明,加气混凝土制品中水化产物的类型主要为托贝莫来石和低结晶度或无定形的C-S-H凝胶,两种水化产物相互粘结在一起,形成良好的网络状框架结构结晶形态,因而A4表现出优异的蒸压性能———绝干密度低和抗压强度高。3铁尾矿硅砂水泥石膏水泥矿的制备工艺优化1)铁尾矿是由石英、铁闪石、普通角闪石、斜长石、黑云母、绿泥石、黄铁矿和磁铁矿组成的富含硅酸铁的低硅磁铁尾矿,全铁含量14.51%,可制备出合格的A3.5、B06级加气混凝土;2)铁尾矿生产加气混凝土的优化方案:尾矿粉磨时间25min,配料质量比为:铁尾矿∶硅砂∶石灰∶水泥∶石膏=45∶15∶25∶10∶5,铝粉膏的质量分数为