鐵尾礦替代鐵粉制備硅酸鹽水泥熟料的研究*

王宏霞 張文生 葉家元 張建波

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024

鐵尾礦替代鐵粉制備硅酸鹽水泥熟料的研究*

王宏霞 張文生 葉家元 張建波

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024

研究鐵尾礦取代鐵粉時(shí)鐵尾礦對(duì)硅酸鹽水泥生料易燒性及水泥物理力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，鐵尾礦摻量的變化對(duì)生料的易燒性影響不明顯。鐵尾礦取代鐵粉煅燒水泥熟料有助于熟料礦相的發(fā)育，并使熟料具有較高的水化活性，其強(qiáng)度超過(guò)鐵粉配制的水泥。本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，鐵尾礦作為鐵質(zhì)原料的最大摻量為3.1%。

鐵尾礦 硅酸鹽水泥熟料 易燒性 強(qiáng)度

0 引言

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦后的礦物廢料。正如同其他工業(yè)固體廢棄物，其不但會(huì)占用大量土地資源，污染環(huán)境，而且還須耗資輸送和建庫(kù)存放等，因而鐵尾礦的資源化利用問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。

我國(guó)研究者們對(duì)鐵尾礦在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了一些成果。但由于不同地區(qū)鐵尾礦的物化特性差別很大，因而其具體應(yīng)用方式不盡相同。例如，二氧化硅含量高的鐵尾礦被用來(lái)取代黏土燒制水泥熟料，而氧化鐵含量較高的鐵尾礦就可替代鐵質(zhì)原料等。

目前，有關(guān)鐵尾礦的研究更多著眼于高硅鐵尾礦取代黏土燒制水泥熟料方面，在高鐵鐵尾礦方面的研究甚少[4,5]。為此，本研究選取了廈門(mén)某廠的氧化鐵高達(dá)40%以上的鐵尾礦，開(kāi)展了其部分或全部取代鐵粉燒制水泥熟料的研究。其研究結(jié)果旨在為鐵尾礦在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 原材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用的鈣質(zhì)原料、硅質(zhì)原料、鋁質(zhì)校正原料及鐵質(zhì)原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將各原料分別在球磨機(jī)中粉磨至0.08 mm方孔篩篩余小于5%。然后在確定的率值下（石灰飽和系數(shù)KH為0.88、硅率SM為2.58及鋁率IM為1.62），鐵尾礦取代鐵粉從10%到100%變化，配制出了11組生料。其相關(guān)配料如表2所示。配制好的生料置于高溫爐中在五種不同溫度（1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃、1 450 ℃）下進(jìn)行煅燒。煅燒完成后出爐急冷至室溫，得到熟料試樣。

表1 各原材料的化學(xué)組成 w%

采用甘油乙醇法測(cè)定熟料的fCaO含量；采用德國(guó)布魯克的X-射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定熟料的礦物組成；采用金相顯微鏡觀察熟料的巖相結(jié)構(gòu)。

表2 由鐵尾礦部分和全部取代鐵粉的水泥生料配料表 %

2 結(jié)果分析與討論

2.1 生料的易燒性

對(duì)煅燒所得熟料進(jìn)行fCaO測(cè)定，其測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

圖1 不同溫度煅燒下生料的易燒性

圖1為11種生料在五種不同煅燒溫度下所得熟料的fCaO。由圖1可看出，煅燒溫度為1 250 ℃時(shí)，各原料的fCaO均較高。這表明在此溫度下各種礦物還未大量形成。同時(shí)，從該曲線也可看出，隨著鐵尾礦取代量的增大（從0%～60%），fCaO的量呈下降趨勢(shì)，而后又逐漸上升。其原因可能在于隨著鐵尾礦含量的增大，鐵尾礦所含的石英阻礙了C2S吸收f(shuō)CaO，因而使得fCaO來(lái)不及被C2S吸收形成C3S，故fCaO較高。

溫度為1 300～1 450 ℃時(shí)，fCaO量均遠(yuǎn)小于1%，曲線的變化規(guī)律幾乎一致，各溫度下的fCaO的差距很小。這表明在1 300～1 450 ℃正是水泥熟料中各種礦物大量形成階段。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，鐵尾礦摻量的變化（即0%～3.1%）對(duì)fCaO的影響不明顯。

2.2 水泥熟料的XRD分析

鑒于L6對(duì)應(yīng)的fCaO較低，實(shí)驗(yàn)對(duì)經(jīng)1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃和1 450 ℃煅燒的L0、L6和L10熟料進(jìn)行礦物組成分析。其結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

圖2 不同試樣在不同煅燒溫度下的XRD圖譜

從圖2可清晰看到，在1 300 ～1 450 ℃的煅燒溫度下，L0、L6和L10試樣的主要礦物組成基本相同，均含有鐵鋁酸四鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣等。這說(shuō)明在1 300 ℃以上的溫度煅燒下，水泥礦物相大量形成。而在1 250 ℃煅燒下，礦相組成顯示大量硅酸二鈣（特征峰：0.488 nm、0.2751 nm、0.2731 nm）的存在。這一結(jié)果顯然與上述生料fCaO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。從圖2中也看出，隨著煅燒溫度從1 250 ℃增加到1 300 ℃，C2S的特征峰變小，而C3S的特征峰變強(qiáng)。并隨溫度從1 300 ℃增大到1 450 ℃，這種現(xiàn)象越來(lái)越明顯。

2.3 水泥熟料的巖相分析

選取L0和L10在1 450 ℃煅燒所得熟料進(jìn)行巖相分析如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，L0中，A礦的晶體尺寸偏小，并且細(xì)晶成堆，尺寸不均勻，不規(guī)則狀分布。而L10中，A礦尺寸偏大，形態(tài)主要呈規(guī)則的長(zhǎng)柱狀、板狀。晶體邊界棱角完整；B礦表面平滑。

圖3 水泥熟料的光學(xué)顯微鏡圖片

2.4 水泥物理力學(xué)性能

在L0和L10試樣在1 450 ℃煅燒所得的熟料中摻入5%石膏，然后將其磨制成硅酸鹽水泥（比表面積為345 m2/kg），按照GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水泥性能檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，鐵尾礦全部取代鐵粉配制的水泥，其凝結(jié)時(shí)間正常，安定性合格，并且其早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均超過(guò)鐵粉配料的水泥強(qiáng)度，達(dá)到硅酸鹽水泥52.5硅酸鹽水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。結(jié)合上述水泥熟料的巖相分析可見(jiàn)，鐵尾礦取代鐵粉有助于水泥熟料礦相的發(fā)育，并使熟料具有較高的水化活性，其強(qiáng)度超過(guò)鐵粉配制的水泥。

表3 硅酸鹽水泥的性能

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，鐵尾礦摻量的變化（即0%～3.1%）對(duì)fCaO的影響不明顯。

（2）鐵尾礦取代鐵粉煅燒水泥熟料有助于熟料礦相的發(fā)育，并使熟料具有較高的水化活性，其強(qiáng)度超過(guò)鐵粉配制的水泥。

（3）在本實(shí)驗(yàn)條件下，鐵尾礦作為鐵質(zhì)原料的最大摻量為3.1%。

[1] 肖立光, 伊?xí)x宏, 崔正旭. 國(guó)內(nèi)外鐵尾礦的綜合利用現(xiàn)狀[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 2(4):22-27.

[2] 張淑會(huì), 薛向欣, 金在峰. 我國(guó)鐵尾礦的資源現(xiàn)狀及其綜合利用[J]. 材料與冶金學(xué)報(bào)，2004, 3(4):241-245.

[3] Zhang s, Xue x, et al. Current situation and comprehensive utilization of iron ore tailings resources [J]. Mining science, 2006,42 (4):403-408.

[4] 王國(guó)忠, 吳村. 鐵尾礦配料的普通水泥熟料形成及其節(jié)能效果[J]. 沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 16 (2): 112-114.

[5] 王國(guó)忠, 趙穎華, 許亙?cè)? 鐵尾礦做原料在普通硅酸鹽水泥中的實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理分析[J]. 硅酸鹽通報(bào), 1999, 6: 32-37.

TQ172.43

A

1008-0473(2015)02-0032-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.02.008

2014-12-29）

*國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA062405）