靈丘鐵礦尾礦制備加氣混凝土的試驗研究

王長龍，倪 文，李德忠，王 爽

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083; 2.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

靈丘鐵礦尾礦制備加氣混凝土的試驗研究

王長龍1，2，倪 文1，李德忠1，王 爽1

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083; 2.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

為綜合利用固體廢棄物鐵尾礦，以山西靈丘低硅鐵尾礦作為主要原料，鋁粉作為發(fā)氣劑，成功制備出了符合GB/T11968—2006標準的A3.5、B06級加氣混凝土.考慮最大限度使用鐵尾礦的情況下，通過試驗得出生產(chǎn)鐵尾礦加氣混凝土的優(yōu)化方案:尾礦粉磨時間25 min，硅砂粉磨時間為30 min，配料質(zhì)量比為m(鐵尾礦)∶m(硅砂)∶m(石灰)∶m(水泥)∶m(脫硫石膏)為40∶20∶24∶10∶6.由X射線衍射測試分析可知，成品中主要的礦物成分為托貝莫來石，此外還有硬石膏和尾礦中殘留的石英等.掃描電鏡和能譜分析結(jié)果顯示，成品中形成C-S-H凝膠和托貝莫來石相互致密交織的顯微結(jié)構(gòu)，這是加氣混凝土獲得較高強度的重要原因.

鐵尾礦;加氣混凝土;粉磨時間;抗壓強度;托貝莫來石

目前，金屬礦山尾礦的處理多采用堆存方式，隨著金屬礦山開采規(guī)模的擴大，尾礦的堆存量也逐年增加［1］.據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2010年底我國由于礦產(chǎn)資源開發(fā)而產(chǎn)生的尾礦堆存量達到100億噸，其中堆存的鐵尾礦量占全部尾礦堆存總量的近1/3［2-4］.大量堆存的鐵尾礦對礦區(qū)當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴重的危害［5-6］.近年來，尾礦的綜合利用，已成為各礦山、知名高校、研究院所研究的重要課題之一［7］，而利用鐵尾礦生產(chǎn)加氣混凝土的研究相對較少.

加氣混凝土是以硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料為主要原料，通過化學(xué)反應(yīng)方式形成的多孔混凝土，是集保溫、防火、隔音、施工方便等優(yōu)點于一體的新型輕質(zhì)墻體建筑材料［8-10］.隨著河砂和局部地區(qū)粉煤灰資源短缺的加劇，利用鐵尾礦生產(chǎn)加氣混凝土，不僅可以解決資源短缺的問題，而且可實現(xiàn)鐵尾礦資源的循環(huán)再利用.

本文以山西靈丘豪洋礦業(yè)有限公司鐵尾礦為主要原料，對鐵尾礦的細度和粉磨時間進行了試驗，成功制備出鐵尾礦加氣混凝土，并對加氣混凝土的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)進行了分析.

1 試驗

1.1 試驗原料

1.1.1 鐵尾礦

取自山西靈丘豪洋礦業(yè)有限公司，其化學(xué)成分見表1，XRD分析結(jié)果見圖1.從表1可知，鐵尾礦中SiO2質(zhì)量分數(shù)為54.42%，未達到生產(chǎn)加氣混凝土原料中SiO2含量的一般要求［11］，因此加入SiO2含量較高的硅砂提供一部分硅質(zhì)成分.從圖1可知鐵尾礦中含有少量磁鐵礦和黃鐵礦，以及大量石英和少量的角閃石、黑云母、輝石等脈石礦物.

表1 原料化學(xué)成分分析(質(zhì)量分數(shù)/%)

圖1 鐵尾礦的XRD譜圖

1.1.2 硅砂

采用北京金隅加氣混凝土有限責任公司工業(yè)生產(chǎn)線上生產(chǎn)加氣混凝土所用風積砂，其化學(xué)成分見表1，XRD分析結(jié)果見圖2.從表1可以看出，硅砂的SiO2質(zhì)量分數(shù)達到87.17%，滿足使用要求.圖2表明試驗采用的風積砂中的石英含量較高.

1.1.3 石灰

步入大門，一座精美的巴洛克式建筑呈現(xiàn)在眼前。正中間是宮殿氣派的大門，兩側(cè)為兩層高的建筑，每層各有五扇窗，兩層建筑的兩端緊連著高大的塔樓。整座宮殿顯得十分精致，富有格調(diào)。

采用北京金隅加氣混凝土有限責任公司工業(yè)生產(chǎn)線上生產(chǎn)加氣混凝土所用石灰，活性CaO質(zhì)量分數(shù)〉65%、MgO質(zhì)量分數(shù)＜6%，消解時間15 min，消解溫度65℃，200目篩余8%.

圖2 硅砂的XRD譜圖

1.1.4 水泥

采用山西靈丘豪洋水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表1.

1.1.5 脫硫石膏

取自北京京能熱電股份有限公司，化學(xué)成分分析見表1.

1.2 試驗方法

本試驗是選用干粉混合攪拌的試驗.物料中鐵尾礦和硅砂在試驗前均進行細磨，采用實驗室的SMΦ500×500小型磨機磨細，按各自所需細度進行粉磨，并利用LMS-30型激光粒度分析儀測定鐵尾礦和硅砂粒級組成.原材料經(jīng)過加工處理，計量混合均勻后放在攪拌桶中，加入50℃溫水攪拌120 s;然后加入鋁粉再攪拌40 s，澆注到模具，在70℃下靜停養(yǎng)護2 h，硬化后的坯體送到工廠高壓釜進行蒸壓養(yǎng)護.蒸壓養(yǎng)護中飽和蒸汽壓力在1.3 MPa，溫度控制在180℃.成品烘干至恒重后，進行強度指標及微觀結(jié)構(gòu)特征分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦的細度試驗

2.1.1 鐵尾礦的粒度分析

原礦鐵尾礦的200目篩余為70.80%，不能直接用來生產(chǎn)加氣混凝土，需通過球磨機對原尾礦進行磨細和均化處理.控制鐵尾礦磨料時間為15、20、25、30、35、40 min，其粒度分布和比表面積，結(jié)果如表2和圖3所示.

表2 不同粉磨時間鐵尾礦的粒度比表面積

從圖3中可以看出，粉磨初期，主要以礦物的顆粒尺寸減小為主，粉磨40 min顆粒分布迅速集中，顆粒粒度達到亞微米.隨著顆粒粒徑變小，亞微米級的顆粒明顯增多，相應(yīng)的比表面積增大，由于小顆粒的聚集而出現(xiàn)粉磨平衡，即所謂的粉磨極限［12-13］.

圖3 不同粉磨時間鐵尾礦的粒度分布

試驗中主要原材料配比如下:鐵尾礦質(zhì)量分數(shù)60%、石灰質(zhì)量分數(shù)為24%、水泥質(zhì)量分數(shù)為10%、石膏質(zhì)量分數(shù)為(6%)、Al粉的質(zhì)量分數(shù)為0.57‰，水料比為0.57，55℃熱水攪拌.鐵尾礦的細度對澆注的穩(wěn)定性及制品的性能影響見表3.

表3 鐵尾礦細度對澆注穩(wěn)定性的及制品的性能影響

試驗結(jié)果顯示，隨著鐵尾礦粉磨時間的增加，制品的強度先增加后減小.粉磨時間短，尾礦顆粒粗，與石灰的接觸面小，反應(yīng)進行得不夠充分，水化產(chǎn)物也少，制品的強度低.鐵尾礦的細度也不易過小，細度過小會使制品內(nèi)部不能形成好的骨架結(jié)構(gòu)，增加需水量，制品干縮比增大［14］.從經(jīng)濟上和性能上考慮，選用鐵尾礦的粉磨時間為25 min (200目篩篩余7.3%).

2.2 硅砂的細度試驗

2.2.1 硅砂的粒度分析

試驗中使用的硅砂粉磨時間為15、20、25、30、35、40 min，利用激光粒度儀分析不同粉磨時間下所得鐵尾礦粉的粒度分布和比表面積，結(jié)果如表4和圖4所示.從圖4可以看出，隨著粉磨時間從15 min增加到40 min，硅砂的粒度分布范圍由寬變窄，并逐漸向粒度值小的方向集中，顆粒粒度達到亞微米.粉磨早期的粒度分布變化較大到后期粒度分布變化甚微，與比表面積的變化情況相對應(yīng)［14］.

表4 不同粉磨時間硅砂的粒度比表面積

2.2.2 硅砂粉磨時間的確定

試驗中配合比如下:粉磨25 min鐵尾礦質(zhì)量分數(shù)為40%、硅砂質(zhì)量分數(shù)為20%、石灰質(zhì)量分數(shù)為24%、水泥質(zhì)量分數(shù)為10%、石膏質(zhì)量分數(shù)為6%、Al粉質(zhì)量分數(shù)為0.57‰，水料比為0.57，55℃熱水攪拌.不同粉磨時間的硅砂在相同試驗條件下，其物理性能影響見表5.

圖4 不同粉磨時間硅砂的粒度分布

表5 硅砂細度對澆注穩(wěn)定性的及制品的性能影響

從表5可知，隨著硅砂粉磨時間的延長，制品的強度、比強度上升明顯.在鐵尾礦粉磨25 min前提下，硅砂粉磨30 min時，制品的強度、比強度最大.從制品的表面看，硅砂粉磨時間過短，膠凝材料過少，混合料的和易性差，易產(chǎn)生蜂窩現(xiàn)象;反之，如果硅砂粉磨時間過長，骨料的用量過少，缺乏應(yīng)有的骨架，而且料漿流動性很差，不利于形成良好的氣孔結(jié)構(gòu).因此，考慮到磨礦能耗、經(jīng)濟等因素，確定硅砂的粉磨時間為30 min(200目篩篩余2.25%).

試驗結(jié)果顯示，當鐵尾礦粉磨25 min，硅砂粉磨30 min，滿足蒸壓加氣混凝土對硅質(zhì)材料粒徑的要求，可生產(chǎn)出符合GB 11968—2006的A3.5、B06的產(chǎn)品.當硅砂粉磨時間從15～30 min變化時，制品的強度從2.89 MPa增加到4.18 MPa;粉磨時間從30～40 min變化時，制品強度變化不大.為了最大限度地利用尾礦、降低成本，故確定B4為優(yōu)化配比.

2.3 XRD分析

鐵尾礦加氣混凝土制品B4的XRD譜圖見圖5.經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護后，B4制品中其主要水化產(chǎn)物為托貝莫來石(Tobermorite)和水化硅酸鈣凝膠CSH(B)，此外還有一定數(shù)量的石英、硬石膏、磁鐵礦、方解石和水榴子石.制品在蒸壓過程中，硅質(zhì)原料鐵尾礦和河砂中的硅不斷溶出，與石灰等鈣質(zhì)原料反應(yīng)生成托貝莫來石和水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物［16］.其中，托貝莫來石作為一種結(jié)晶完好的單堿型水化硅酸鈣，結(jié)晶成柳葉狀或葉片狀，與2θ為25°～35°纖維狀的結(jié)晶度較低的水化硅酸鈣凝膠CSH(B)，水化產(chǎn)物相互搭接，形成致密的顯微結(jié)構(gòu)，使制品獲得較好的強度［17］.從圖5可以看出，石英的衍射峰為 4089、496、206、469、830、238、552、224，表明在制品中有殘余的石英存在.而原尾礦中的礦物相如角閃石、黑云母等經(jīng)高溫蒸壓分解后，形成了新的物相，而水化硅酸鈣CSH(B)凝膠作為“粘結(jié)劑”將各相結(jié)合成整體，對強度的生成有利［18］.

圖5 加氣混凝土制品B4的水化產(chǎn)物XRD譜圖

2.4 SEM分析

由圖6(a)可以看出，制品經(jīng)高溫蒸壓養(yǎng)護后，水化產(chǎn)物密集叢生，形成凝膠狀和大量柳葉狀或葉片狀的水化產(chǎn)物(托貝莫來石).密集的水化產(chǎn)物相互連接，形成良好的網(wǎng)絡(luò)狀框架結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)能夠改變制品孔結(jié)構(gòu)，能夠較好的抵抗外界的荷載，在外界應(yīng)力的作用下，不易引起應(yīng)力集中，對提高制品的強度起到了積極作用［17，19-22］.從圖6(b)對圖6(a)的放大圖片中可以看出，水化產(chǎn)物中存在有板狀物或片狀物，同時水化產(chǎn)物的周邊有未反應(yīng)的石英顆粒的存在，由于選擇的視域不同，石英顆粒數(shù)量也存在差異.

從圖7對圖6(a)標注區(qū)域的分析圖譜及定量結(jié)果可見，在15.0 kV時，譜圖中含有Ca、Si、Al、O元素的原子數(shù)分數(shù)分別為 49.17%、21.79%、2.86%、26.18%，與托貝莫來石成分基本相同.

圖6 制品B4的水化產(chǎn)物的SEM照片

圖7 圖6(a)中標注區(qū)域的能譜分析結(jié)果

3 結(jié)論

1)當鐵尾礦尾礦原樣SiO2質(zhì)量分數(shù)在54%以上時，能夠利用其作為生產(chǎn)加氣混凝土的主要硅質(zhì)原料.

2)通過試驗研究，得出山西靈丘鐵尾礦生產(chǎn)加氣混凝土的優(yōu)化方案:尾礦粉磨時間25 min，硅砂粉磨時間為30 min，配料質(zhì)量分數(shù)為m(鐵尾礦)∶m(硅砂)∶m(石灰)∶m(水泥)∶m(石膏)= 40∶20∶24∶10∶6，Al粉為0.57‰，水料比為0.57.

3)通過XRD及SEM分析可知，在蒸壓條件下，鐵尾礦加氣混凝土的水化產(chǎn)物為大量結(jié)晶良好的托貝莫來石、部分凝膠狀CSH(B)，托貝莫來石呈柳葉狀或葉片狀，結(jié)晶程度高，數(shù)量多.

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Experimental study on aerated concrete with Lingqiu iron ore tailings

WANG Chang-long1，2，NI Wen1，LI De-zhong1，WANG Shuang1
(1.Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)

For comprehensive utilization of iron ore tailings，the aerated concrete was successfully prepared by Shanxi Lingqiu low-silica iron ore tailings as the main raw material and aluminum powder as gas evolution agent，which is in line with GB/T11968—2006 of the A3.5 B06-class.In the case of the maximize use of iron ore tailings，the optimized plan of aerated concrete production was that the iron ore tailings grinding time was 25 min，silica sand grinding time was 30 min，burdening mass ratio of iron ore tailings，silica sand，lime cement and gypsum was 40∶20∶24∶10∶6.The major mineral phases in the aerated concrete product were tobermorite with residue quartz and anhydrite.SEM and EDS results showed that the finished product to form bense microstructure by C-S-H gel and tobermorite，it was important reason that aerated concrete obtained high strength.

iron ore tailings;aerated concrete;granding time;compressive strength;tobermorite

TU 522 文獻標志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)06-0007-06

2011-11-25.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2012AA062405).

王長龍(1977-)，男，副教授，博士研究生;

倪 文(1961-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

倪 文，E-mail:niwen@ces.ustb.edu.cn.

(編輯 程利冬)