蒸压制度对赤铁矿尾矿-石灰-黄海体系蒸压砖性能的影响

蒸压制度对赤铁矿尾矿-石灰-黄海体系蒸压砖性能的影响

蒸压护理是生产蒸压砖的重要过程。这是在湿热条件下对蒸汽进行物理和化学反应，形成各种水化产物并达到强度的必要条件。因此,蒸压制度成为国内外硅酸盐工作者研究的重点问题。本试验研究的赤铁矿尾矿蒸压砖是消耗大量选矿尾砂的新型墙体材料,具有政策和环保等方面的优势。由于试验用赤铁矿尾矿矿物种类复杂,为高效利用此类尾矿,制备高强度的蒸压砖,研究蒸压制度对赤铁矿尾矿蒸压砖强度的影响十分必要。1原料和试验方法1.1试验原材料1.1.1全矿化学成分分析赤铁矿尾矿取自鄂西建始县某选矿厂,为强磁选尾矿,-0.044mm粒级占50.44%,-0.074mm粒级占82.14%,化学成分分析结果见表1。由表1可知,该赤铁矿尾矿SiO2含量为24.4%,属低硅型铁尾矿。用D/Max-IIIA型XRD衍射仪对其进行矿物组成分析,结果见图1。从图1可知,该赤铁矿尾矿的矿物成分主要是赤铁矿、石英,次为绿泥石、方解石等。1.1.2产品的质量指标用鄂西建始县某选矿厂附近的石灰石锻烧而成,所得石灰中游离CaO含量为88.26%,消化温度99℃,消化时间4.7min,产品细度为-0.074mm占8.21%,满足《JC/T621—1996硅酸盐建筑制品用生石灰》一等品技术要求。1.1.3化学成分分析由于所用铁尾矿为低硅型铁尾矿,为满足制备蒸压砖所需的钙硅比和颗粒级配,掺入适量的硅质材料——黄沙,试验用黄沙粒级为0.9～1.6mm,其化学成分分析结果见表2。表2黄沙化学成分分析结果%表2黄沙化学成分分析结果%1.2砖坯的蒸汽养护将赤铁矿尾矿、石灰和黄沙按70∶15∶15的质量比给入JJ-5型水泥胶砂搅拌机中混匀(混合料含水率为15%),消化后装入ϕ50mm×120mm的模具中,模具放置在YES-100数显式液压压力试验机中以20MPa的压力压制ϕ50mm×23mm砖坯。砖坯在YZF-2A型蒸压釜中进行蒸汽养护,蒸汽压力0.8～1.8MPa,蒸压时间4～9h。砖坯出釜后,即得赤铁矿尾矿蒸压砖。2在热蒸压的作用下,要注意在热蒸压的基础上形成具有一定强度的材料制砖原料赤铁矿尾矿和黄沙中的SiO2和Al2O3均为非活性物质,在常温常压下不发生化学反应,只有在一定的湿热蒸压条件下才能被激活并与Ca(OH)2反应,形成具有一定强度的建筑材料。蒸压制度包括升压、恒压和降压3个阶段。2.1升温速度对抗压强度的影响升压阶段就是从开始蒸压到蒸压釜和制品达到规定的最高蒸汽压力的时段。升压过程中砖坯体系压力状态是非稳定的,砖坯内外存在较大的压力差,这种压力差对制品强度影响显著,因此升压阶段升压速度应适当。为了考查升压速度对赤铁矿尾矿蒸压砖强度的影响,压制成型的砖坯在蒸压釜中匀速升压至1.2MPa,再恒压6h,匀速降压3.5h,得到不同的蒸压砖,其抗压强度与升压时间的关系见图2。由图2可知,随着升压时间的延长,赤铁矿尾矿蒸压砖的抗压强度先增大而后减小,在升压时间为2.1h时抗压强度最大。升压阶段由于受到传热效率和坯体透气性能的影响,升压太快,坯体内外压差、温差和湿差过大,蒸压制品易产生裂缝,从而影响抗压强度的提高;升压太慢,过量地生成有害胶体结构的生成物,阻碍已溶解的组分扩散,对抗压强度的提高也不利。因此,适宜的升压时间为2.1h。2.2恒压阶段恒压阶段是指蒸压釜中制品内外压力达到平衡到开始降压的时段,是水化反应和强度增长的关键阶段。该阶段的主要控制参数为蒸汽压力和恒压时间。2.2.1蒸压砖的强度蒸汽压力决定着制品的水化产物的类型,对制品强度的形成起着至关重要的作用。一般来说,对于CaO-SiO2-H2O系统,当蒸汽压力达到0.8MPa时,水化反应才开始有效进行,故试验采用的蒸汽压力均大于0.8MPa。为了考查蒸汽压力对赤铁矿尾矿蒸压砖强度的影响,压制成型的砖坯在蒸压釜中经2.1h升压至不同的压力值,再恒压6h,降压3.5h,得到不同的蒸压砖,其抗压强度与蒸汽压力的关系见图3。由图3可知,随着蒸汽压力的升高,赤铁矿尾矿蒸压砖的抗压强度先增大而后减小,在蒸汽压力为1.2MPa时抗压强度达到最大值21.63MPa。研究表明:一方面,在高温水热介质下,体系中SiO2的溶解度随压力和温度的升高而增加,并与Ca(OH)2反应合成各种类型的水化硅酸钙,有利于蒸压砖抗压强度的增大;另一方面,压力和温度增大,各种水化反应的速度也加快,在蒸压时间一定的情况下,反应进行得越彻底,水化产物也越多,胶凝性也越强;但是,过大的蒸汽压力不利于提高制品强度的水化产物的形成。因此,试验选取适宜的蒸汽压力为1.2MPa。2.2.2恒压时间对赤铁矿尾矿蒸压砖强度的影响恒压时间一定程度上决定着赤铁矿尾矿蒸压砖制品水化产物的种类、数量及结晶度,而水化产物的种类、数量与结晶度是影响蒸压制品强度的重要因素。对于确定的CaO-SiO2-H2O系统,在一定的蒸汽压力条件下,存在最佳的恒压时间。为了考查恒压时间对赤铁矿尾矿蒸压砖强度的影响,压制成型的砖坯在蒸压釜中经2.1h升压至1.2MPa,恒压一定时间后再降压3.5h,得到不同的蒸压砖,其抗压强度与恒压时间的关系见图4。由图4可知,随着恒压时间的延长,赤铁矿尾矿蒸压砖的抗压强度先升高后下降,恒压6h达到最高点,为21.63MPa。这是由于低溶解度的水化硅酸钙最先在硅质颗粒表面生成,然后逐步扩散到颗粒之间的空间内,随着恒压时间的延长,液相中水化结晶物质增多,并相互联接交织起来,结晶连生体数量和结晶度不断增加,当恒压时间超过最佳时间后,颗粒表面的包裹层逐渐增厚,越来越密实,晶体粒子越来越大,溶解的产物向外迁移的阻力也不断增大,最终导致蒸压砖强度降低。因此,适宜的恒压时间为6h。2.3降压时间对蒸压砖强度的影响降压阶段是从停止供汽开始,直到制品出釜为止的阶段。试验制品出釜温度与室内温度之差为40℃,降压阶段制品内部压力高于介质压力,不适宜的降压速度会导致制品孔隙的冷凝水迅速汽化产生大量蒸汽,破坏制品强度。为了考查降压时间对赤铁矿尾矿蒸压砖强度的影响,压制成型的砖坯在蒸压釜中经2.1h升压至1.2MPa,恒压6h后再匀速降压,得到不同的蒸压砖,其抗压强度与降压时间的关系见图5。由图5可知,随着降压时间的延长,蒸压砖的抗压强度逐步升高,当降压时间为3.5h时,蒸压砖的抗压强度为21.63MPa,可满足蒸压砖制品MU20的要求,进一步延长降压时间则会降低蒸压砖的生产效率。研究表明,降压阶段的热物理学特点是蒸压砖内部压力明显大于外部压力,使蒸压砖中充满的水分急剧汽化,若降压时间过短、降压速度过快将导致蒸压砖开裂,从而影响蒸压砖的强度。因此,适宜的降压时间为3.5h。3机械论采用XRD、DSC手段探讨了蒸压反应中物相的形成与转变,从微观层面解释了蒸压制度对蒸压砖抗压强度的影响。3.1蒸压过程对岩石结构的影响压制成型的砖坯在蒸压釜中经2.1h匀速升压至1.2MPa,恒压一定时间后再匀速降压3.5h,得到的不同蒸压砖用D/Max-IIIA型XRD衍射仪进行了物相分析,结果见图6。由图6可知,赤铁矿尾矿-石灰-黄沙体系在1.2MPa蒸汽压力下蒸压不同的时间,水化产物变化很大。未蒸压制品图谱中石英和消石灰的衍射峰明显;当蒸压进行2h时,石英的衍射峰减弱,消石灰的衍射峰消失,并出现了水石榴石和CSH(Ⅰ)的衍射峰;蒸压6h时,出现托勃莫来石和硬硅钙石的衍射峰;但当蒸压8h时,托勃莫来石的衍射峰消失,而硬硅钙石的衍射峰变得明显。可见赤铁矿尾矿-石灰-黄沙体系在1.2MPa蒸汽压力条件下蒸压反应首先生成了水石榴石,而后生成CSH(Ⅰ)凝胶和高强度的托勃莫来石,随着蒸压时间的延长,托勃莫来石逐渐转化成强度相对较低的硬硅钙石。这与图5所示随着恒压时间延长制品强度先增大而后减小的趋势一致。3.2蒸压砖的/h分析压制成型的砖坯在蒸压釜中经2.1h升压至1.2MPa,恒压一定时间后再降压3.5h,得到的不同蒸压砖进行了用Netzsch449F3型差示扫描量热仪热分析,升温速度为10℃/min,坩埚为Al2O3材质,空气气氛,结果见图7。由图7并结合检测分析可知,a曲线上420～450℃的吸热效应是Ca(OH)2脱去结构水转化为CaO所产生的,表示蒸压1h的蒸压砖中还残存有Ca(OH)2,而b、c、d曲线中无此吸热效应,表明随着蒸压的继续进行,Ca(OH)2均参与了水化反应;b曲线上830～850℃的放热峰是托勃莫来石转化为β-硅灰石所形成的,而c、d曲线上此峰明显减弱;c、d曲线上810～830℃的吸热峰为硬硅钙石脱水所产生,说明随着蒸压时间的延长,托勃莫来石逐渐转变为硬硅钙石,这与XRD物相分析结果一致。4恒压阶段对赤铁矿尾矿蒸压砖抗压强度的影响(1)原料中赤铁矿尾矿、石灰、黄沙的质量比为70∶15∶15,制砖水分掺量为15%,成型压力为20MPa的砖坯的适宜蒸压制度为:升压时间2.1h,蒸汽压力1.2MPa,恒压时间6h,降压时间3.5