用首鋼大石河鐵尾礦制備蒸壓加氣混凝土*

王長(zhǎng)龍 梁 慶 王顏軍 倪 文 喬春雨

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境學(xué)院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 3.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院;4.首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦)

尾礦是將開采出的礦石破碎、磨礦、分級(jí)，選出有價(jià)值的精礦后排放的細(xì)粒固體廢棄物，是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分［1］。隨著我國(guó)粗鋼產(chǎn)量的逐年提升，國(guó)內(nèi)鐵礦山的開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，鐵尾礦的堆存量也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2011年底，我國(guó)鐵尾礦的堆存總量已經(jīng)超過30億t［2］。我國(guó)對(duì)鐵尾礦的綜合利用主要集中在尾礦再選、尾礦用作土壤改良劑及復(fù)墾覆土、尾礦制備水泥或膠凝材料、尾礦制備免燒磚或空心砌塊、尾礦制備微晶玻璃及飾面磚、尾礦用作建筑砂或制備混凝土等方面［3-8］。但從總體情況來看，鐵尾礦的利用率不高，利用技術(shù)落后，高附加值產(chǎn)品少，研究成果轉(zhuǎn)化率低。

蒸壓加氣混凝土是以硅質(zhì)材料(砂、粉煤灰及含硅尾礦等)和鈣質(zhì)材料(石灰、水泥等)為主要原料，通過化學(xué)反應(yīng)方式形成的多孔混凝土，是一種集保溫、防火、隔音等優(yōu)點(diǎn)為一體的新型輕質(zhì)墻體材料［9-11］。利用鐵尾礦生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土，不但可以提高鐵尾礦的利用率，還可以解決鐵尾礦占用土地、污染環(huán)境的問題。

首鋼大石河鐵礦選礦廠年排放尾礦400多萬t，該礦有兩個(gè)尾礦庫(kù)，其中孟家沖尾礦庫(kù)已閉庫(kù)，大石河采區(qū)尾礦庫(kù)雖在使用但難以再繼續(xù)加高擴(kuò)容，估算服務(wù)年限僅剩9.46 a。為此，首鋼礦業(yè)公司提出了以大石河鐵礦尾礦為主要原料生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土砌塊和蒸壓磚的尾礦資源化利用目標(biāo)。本試驗(yàn)開展用大石河鐵尾礦－水泥－石灰原料體系制備蒸壓加氣混凝土的研究，為大石河鐵礦尾礦的資源化利用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原 料

(1)鐵尾礦。由大石河鐵礦提供，密度2.7 g/ cm3，白度35.1，0.08 mm以下粒級(jí)占8.1%，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，XRD分析結(jié)果見圖1。由表1可知，鐵尾礦SiO2含量＞65%、K2O+Na2O含量＜5%、SO3含量 ＜2%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《JC/T 622—2009 硅酸鹽建筑制品用砂》要求。從圖1可知，鐵尾礦中的主要礦物為石英、普通角閃石、黑云母、斜長(zhǎng)石、綠泥石、方解石、赤鐵礦。分析結(jié)果表明，該鐵尾礦屬于富含石英和硅酸鹽的高硅鐵尾礦。

表1 原料化學(xué)成分分析結(jié)果 %

圖1 鐵尾礦XRD圖譜

(2)水泥。市售品，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 175—2007 通用硅酸鹽水泥》中對(duì)PO42.5水泥的質(zhì)量要求，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

(3)石灰。市售生石灰，消解溫度為67℃，消解時(shí)間為14 min，0.08 mm方孔篩篩余量小于15%，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。由表1可知，石灰CaO、MgO、SiO2含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《JC/T 621—2009 硅酸鹽建筑制品用生石灰》要求。

(4)脫硫石膏。取自北京京能熱電股份有限公司，0.08 mm方孔篩篩余量為7.5%，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

1.2 添加劑

(1)鋁粉膏。濟(jì)南某公司生產(chǎn)，固體含量為77%，活性鋁含量為86%，16 min發(fā)氣率為91%，30 min發(fā)氣率大于99%，0.08 mm方孔篩篩余量為3%，水分散性好，無團(tuán)粒，蓋水面積為5 300 cm2/g，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《JC/T 407—2000 加氣混凝土用鋁粉膏》要求。

(2)穩(wěn)泡劑。江山市天順生物化工廠生產(chǎn)的第8代加氣混凝土專用GT－717型穩(wěn)泡劑。

2 試驗(yàn)方法

2.1 蒸壓加氣混凝土制備

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是制備強(qiáng)度級(jí)別為A3.5(抗壓強(qiáng)度≥3.5 MPa)、密度級(jí)別為B06(干密度≤650 kg/m3)的蒸壓加氣混凝土，制備流程見圖1。

圖2 試驗(yàn)流程

(2)將磨好的尾礦漿與石灰、水泥、石膏按一定配比攪拌混勻，然后按液固比為0.6、穩(wěn)泡劑用量為總水量的8%加入溫水和穩(wěn)泡劑，攪拌90 s。溫水的溫度控制在使料漿的澆注溫度為50℃左右。

(3)按原料總量(干量)的0.06%加入鋁粉膏，攪拌40 s。

(4)將配好的料漿澆注到100 mm×100 mm×100 mm的試模中，在一定溫度下于養(yǎng)護(hù)箱中靜停養(yǎng)護(hù)4 h。

(5)脫模，將坯體送至北京市金隅加氣混凝土有限公司，采用工業(yè)蒸壓釜進(jìn)行飽和蒸汽壓力蒸壓養(yǎng)護(hù)，蒸壓養(yǎng)護(hù)條件:升溫升壓2 h，恒溫恒壓8 h (壓力1.25 MPa、溫度180℃)、降溫降壓2 h。蒸壓完成后烘干，即得成品。

2.2 樣品檢測(cè)

參照《GB/T 11969—2008 蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》檢測(cè)制品的干密度和抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度測(cè)定在YES－300型數(shù)顯液壓壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用D/MAX－RC型旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線衍射儀對(duì)制品進(jìn)行XRD分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 鐵尾礦細(xì)度對(duì)制品性能的影響

暫定原料質(zhì)量比為鐵尾礦60%、石灰23%、水泥12%、脫硫石膏5%(均為干量，下同)，靜停養(yǎng)護(hù)溫度為55℃，控制鐵尾礦磨礦時(shí)間分別為10、20、30、40、50 min，制品的干密度和抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 鐵尾礦磨礦時(shí)間對(duì)制品性能的影響

鐵尾礦的細(xì)度對(duì)料漿的澆注穩(wěn)定性和制品的性能有一定的影響。在相同的液固比下，尾礦細(xì)度過細(xì)，會(huì)導(dǎo)致料漿黏稠度增大，發(fā)氣速度與料漿稠化速度不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生憋氣現(xiàn)象;尾礦細(xì)度過粗，易出現(xiàn)塌模、冒泡、沉陷等現(xiàn)象。

從表2可以看出，在試驗(yàn)?zāi)サV時(shí)間范圍內(nèi)，制品的干密度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到目標(biāo)，但磨礦時(shí)間為30 min時(shí)制品的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到4.8 MPa，說明此時(shí)料漿的稠化速度與發(fā)氣速度相協(xié)調(diào)，有利于形成均勻的氣孔結(jié)構(gòu)，因此確定鐵尾礦的磨礦時(shí)間為30 min，相應(yīng)的鐵尾礦細(xì)度為－0.08 mm占97.2%。

3.2 石膏摻量對(duì)制品性能的影響

在蒸壓加氣混凝土的生產(chǎn)中，石膏作為調(diào)節(jié)劑，其主要作用是抑制石灰的消解，并延緩鋁粉膏的發(fā)氣速度，延長(zhǎng)料漿的稠化時(shí)間。

將鐵尾礦濕磨30 min，暫定水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、靜停養(yǎng)護(hù)溫度為55℃，改變石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)相應(yīng)調(diào)整鐵尾礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，制品的干密度和抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 石膏摻量對(duì)制品性能的影響

由表3可知:在各石膏摻量下，制品的干密度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到目標(biāo)，但石膏摻量為5%時(shí)制品的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到4.75 MPa;石膏摻量增加或減少，制品的強(qiáng)度都有不同程度的下降。因此確定石膏摻量為5%。

3.3 原料配比的確定

將鐵尾礦濕磨30 min，固定石膏摻量為5%，暫定靜停養(yǎng)護(hù)溫度為55℃，改變鐵尾礦、石灰、水泥的摻量，制品的干密度和抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 原料配比對(duì)制品性能的影響

從表4可知，各原料配比下，制品的干密度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到目標(biāo)，但Q2號(hào)原料配比所得制品的抗壓強(qiáng)度最高，所以確定Q2號(hào)原料配比為優(yōu)化配比。

3.4 靜停養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)制品性能的影響

在原料配比相同的情況下，靜停養(yǎng)護(hù)溫度不同，料漿的稠化速度也不同，同時(shí)與鋁粉膏的發(fā)氣速度也不完全協(xié)調(diào)一致。要想使料漿的稠化速度與鋁粉膏的發(fā)氣速度保持同步，從而在制品內(nèi)部形成較好的氣孔結(jié)構(gòu)，提高制品的性能，就要有合適的靜停養(yǎng)護(hù)溫度。

將鐵尾礦濕磨30 min，采用Q2號(hào)原料配比，考察靜停養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)制品性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 靜停養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)制品性能的影響

由表5可以看出，各靜停養(yǎng)護(hù)溫度下，制品的干密度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到目標(biāo)，但靜停養(yǎng)護(hù)溫度為60℃時(shí)制品的抗壓強(qiáng)度最高。這說明適當(dāng)提高靜停養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)制品強(qiáng)度的發(fā)展有利，但靜停養(yǎng)護(hù)溫度過高，水分蒸發(fā)過快，料漿的稠化速度與鋁粉膏的發(fā)氣速度不一致，從而造成憋氣現(xiàn)象，影響制品后期強(qiáng)度的發(fā)展。因此，選取靜停養(yǎng)護(hù)溫度為60℃。

3.5 制品XRD分析

對(duì)上述選定條件下獲得的鐵尾礦蒸壓加氣混凝土制品進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 制品XRD圖譜

從圖3可以看出:經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)后，制品中的新生成物相主要為0.9 nm托貝莫來石(Ca5Si6O18H2)、1.1 nm托貝莫來石(Ca5Si6O175H2O)和1.4 nm托貝莫來石(Ca5Si6O18H28H2O)，這些不同結(jié)合水含量托貝莫來石的形成保證了制品具有較高的強(qiáng)度［12-13］。鐵尾礦中的黑云母、方解石經(jīng)高溫蒸壓后仍有殘留，說明它們?cè)诒狙芯克捎玫恼魤簵l件下活性較低，未能全部參與反應(yīng)［14-15］;赤鐵礦的衍射峰強(qiáng)度沒有變化，說明赤鐵礦沒有參與反應(yīng)，在制品中起骨料作用;石英的衍射峰強(qiáng)度有明顯下降，部分殘余的石英也在制品中起骨料作用。此外，圖3中存在一定彌散的背景，表明制品中有無定形物質(zhì)或結(jié)晶度極低(無衍射峰)的物質(zhì)存在，它們導(dǎo)致了衍射峰的寬化，同時(shí)影響XRD圖譜的背景值［16-18］。

4 結(jié)論

(1)成功利用首鋼大石河鐵礦尾礦制備出了強(qiáng)度級(jí)別為A3.5、密度級(jí)別為B06的蒸壓加氣混凝土，對(duì)擴(kuò)大蒸壓加氣混凝土的原材料來源、促進(jìn)鐵尾礦綜合利用、保護(hù)礦山環(huán)境具有積極意義。

(2)利用大石河鐵尾礦制備A3.5、B06級(jí)鐵尾礦－水泥－石灰體系蒸壓加氣混凝土的合適工藝參數(shù)如下:鐵尾礦磨礦細(xì)度為－0.08 mm占97.2%，4種原料鐵尾礦、石灰、水泥、石膏的配比為60∶25∶10∶5，鋁粉膏加入量為原料總量的0.06%，液固比為0.6，穩(wěn)泡劑用量為總水量的8%，料漿澆注溫度為50℃，靜停養(yǎng)護(hù)溫度為60℃，靜停養(yǎng)護(hù)時(shí)間為4 h，蒸養(yǎng)壓力為1.25 MPa，蒸養(yǎng)溫度為180℃，蒸養(yǎng)時(shí)間為8 h。

(3)鐵尾礦蒸壓加氣混凝土的主要水化產(chǎn)物為不同結(jié)合水含量的托貝莫來石。鐵尾礦中的赤鐵礦基本不參與水熱反應(yīng)，其在蒸壓加氣混凝土制品中起骨料作用。

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