鐵尾礦粉對(duì)堿礦渣泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

田雨澤， 張興師， 胡君一， 孫秋柏， 潘常升

(1. 遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山　114000；2．遼寧集佳節(jié)能墻體裝備有限公司，遼寧 鞍山　114000)

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鐵尾礦粉對(duì)堿礦渣泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

田雨澤1， 張興師1， 胡君一1， 孫秋柏1， 潘常升2

(1. 遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山114000；2．遼寧集佳節(jié)能墻體裝備有限公司，遼寧 鞍山114000)

為了研究鐵尾礦粉對(duì)堿礦渣泡沫混凝土力學(xué)性能的影響，用摻入了鐵尾礦粉的堿礦渣泡沫混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，分別將混凝土試塊養(yǎng)護(hù)3、 7、28 d后，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度. 結(jié)果表明：隨著鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土表觀密度的增加，其抗壓強(qiáng)度不斷增大；當(dāng)鐵尾礦粉的摻量從10%增加到30%時(shí)，堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)鐵尾礦粉的摻量從30%增加到50%時(shí)，堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且強(qiáng)度損失較明顯，隨著鐵尾礦粉細(xì)度的提高，堿礦渣泡沫混凝土的強(qiáng)度逐漸增大.

鐵尾礦粉；堿礦渣；泡沫混凝土；抗壓強(qiáng)度

鐵尾礦粉是鐵選廠在特定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，將鐵礦石磨細(xì)，選取“有用組分”后排放的廢棄物[1]. 鐵尾礦在工業(yè)固體廢棄物中的比例越來(lái)越大，大量的鐵尾礦工業(yè)廢棄物的堆積，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，威脅尾礦庫(kù)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全. 如何處理大量的尾礦已成為亟待解決的問(wèn)題. 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鐵尾礦的二次利用主要集中于尾礦再選(從尾礦中回收有價(jià)成分)、礦山采空區(qū)的充填、尾礦復(fù)墾、用作建筑材料等方面. 在建筑行業(yè)中，鐵尾礦主要用于燒制水泥、代替天然骨料、制磚或加氣混凝土、制備微晶玻璃、制備白炭黑等，但總體利用率仍較低[2]. 現(xiàn)在，許多礦業(yè)企業(yè)為了選出更多的鐵精礦，加強(qiáng)了對(duì)鐵礦石的粉磨，致使鐵尾礦粒級(jí)越來(lái)越細(xì)[3]，加劇了鐵尾礦粉在鐵尾礦廢棄物中的比重. 堿礦渣混凝土是堿金屬化合物作為堿組分去激發(fā)礦渣而得到的一種水硬性膠凝材料. 因其容易獲得高強(qiáng)度且后期強(qiáng)度穩(wěn)步增長(zhǎng)、早強(qiáng)快硬、孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良、抗水抗凍融等性能較好而被廣泛應(yīng)用. 同時(shí)，由于制造堿礦渣混凝土的原料來(lái)源廣泛且價(jià)格低廉，因而發(fā)展堿礦渣混凝土在能源和資源緊張的今天顯得更有意義[4-6].

泡沫混凝土是將化學(xué)發(fā)泡劑或物理發(fā)泡劑發(fā)泡后加入到膠凝材料、摻合料、改性劑、鹵水等制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、自然養(yǎng)護(hù)后形成的含有大量封閉氣孔的多孔材料. 具有投資小、規(guī)模靈活、見(jiàn)效快、價(jià)格低、就地取材、利廢環(huán)保、生產(chǎn)方式靈活、易于實(shí)施、輕質(zhì)、保溫、隔熱、防潮、隔聲、抗

震性好等優(yōu)點(diǎn)[7-8]. 已有研究表明[9]，適量的鐵尾礦粉摻入泡沫混凝土中，可使泡沫混凝土獲得良好的工作性能，若鐵尾礦粉能改良?jí)A礦渣泡沫混凝土的工作性能，則以鐵尾礦粉為骨料，以鐵尾礦粉、高爐礦渣、水泥熟料、發(fā)泡劑和自制外加劑混磨產(chǎn)品為膠凝材料制成堿礦渣泡沫混凝土，既能解決鐵尾礦的處理問(wèn)題，又節(jié)約建材成本，保護(hù)互不干涉. 因此，研究鐵尾礦粉對(duì)堿礦渣泡沫混凝土力學(xué)性能的影響具有現(xiàn)實(shí)意義. 本實(shí)驗(yàn)研究了鐵尾礦粉的摻量、細(xì)度對(duì)堿礦渣泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并且研究了表觀密度對(duì)鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

礦渣粉為鞍鋼礦渣開(kāi)發(fā)公司生產(chǎn)的S95礦渣粉(比表面積>400 m2/kg)；鐵尾礦粉為遼陽(yáng)弓長(zhǎng)嶺浮選礦粉，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；水泥為遼陽(yáng)天瑞水泥有限公司生產(chǎn)的普通水泥；發(fā)泡劑為H2O2；穩(wěn)泡劑為硬鈣；外加劑為自制外加劑；激發(fā)劑為KMnO4.

表1　鐵尾礦粉主要化學(xué)成分

1.2主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

沈陽(yáng)巨林機(jī)械公司生產(chǎn)的KEW-300型水泥恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī).

1.3實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)所需配比計(jì)算出試驗(yàn)所需的礦渣粉、尾礦粉、水泥、外加劑等物料量，稱出所需物料，并將其充分混合制成預(yù)混料. 各組分配比見(jiàn)表2.

準(zhǔn)確稱量試驗(yàn)所需水量，與預(yù)混料充分?jǐn)嚢?，水化均勻后加入發(fā)泡劑，通過(guò)發(fā)泡劑的加入量來(lái)調(diào)節(jié)樣品的表觀密度；將發(fā)泡漿料注入模具中，靜置發(fā)泡，待定型后拆模，制作成100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣塊. 將樣塊分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度.

表2　鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土主要成分

1.4性能測(cè)試

表觀密度、抗壓強(qiáng)度試件應(yīng)采用符合JG237標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定. 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)應(yīng)符合GB/T10294的規(guī)定.

2　結(jié)果與討論

2.1不同密度對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

在泡沫混凝土各組分摻量一定時(shí)，考察了不同

表觀密度等級(jí)對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響，詳見(jiàn)表3. 可以看出，隨著泡沫混凝土表觀密度的增加，其抗壓強(qiáng)度不斷增大；當(dāng)?shù)V渣粉摻量為40%、鐵尾礦粉摻量為30%、水泥摻量為25%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d后表觀密度為700 g/cm3的鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2.57 MPa.

鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土的表觀密度與其孔結(jié)構(gòu)特征、孔形貌特征及孔徑大小等因素相關(guān). 在制備表觀密度較小的混凝土?xí)r，混凝土中大量氣泡在攪拌過(guò)程中發(fā)生合并、破裂，且氣泡分布不均勻，致使混凝土成型后形成大量的大氣孔和孔壁結(jié)構(gòu)不夠完整的連通孔. 所以表觀密度較小的鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度低. 隨著表觀密度的增大，鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土的氣泡逐漸變小，獨(dú)立的封閉孔增多，孔分布均勻，貫通孔減少，孔壁結(jié)構(gòu)比較完整，所以抗壓強(qiáng)度提高.

表3　不同密度對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2鐵尾礦粉摻量對(duì)堿礦渣泡沫混凝土抗壓性能的影響

針對(duì)表觀密度等級(jí)為700 g/cm3和400 g/cm3的堿礦渣泡沫混凝土，在水泥的摻量為25%條件下改變鐵尾礦粉和礦渣粉的配比，考察其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響. 不同摻量的鐵尾礦粉對(duì)表觀密度等級(jí)為700、400 g/cm3的堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表4，根據(jù)表4得到鐵尾礦粉摻量對(duì)堿礦渣泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響曲線，見(jiàn)圖1. 由圖可知，當(dāng)鐵尾礦粉的摻量從10%增加到30%時(shí)，堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)鐵尾礦粉的摻量從30%增加到50%時(shí)，堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且強(qiáng)度損失較明顯. 鐵尾礦粉摻量在30%左右，對(duì)堿礦渣泡沫混凝土強(qiáng)度最為有利，且該摻量不隨表觀密度的變化而改變.

表4　不同摻量的鐵尾礦粉對(duì)堿礦渣泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)鐵尾礦粉的摻量適中時(shí)，鐵尾礦粉顆粒能夠充分地分散在基體中，鐵尾礦粉顆粒起到了力學(xué)骨架的作用，從而起到補(bǔ)強(qiáng)作用；但隨著鐵尾礦粉的摻量繼續(xù)增大，礦渣粉的含量減少，由礦渣粉水化生成的C- S- H凝膠相對(duì)減少，部分鐵尾礦粉顆粒和礦渣殘存顆粒不能被C- S- H凝膠完全包裹，凝膠與鐵尾礦粉、礦渣殘存顆粒之間的黏結(jié)力下降，致使基體界面一定程度上遭受破壞，部分鐵尾礦粉顆粒發(fā)生沉積，導(dǎo)致堿礦渣泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度下降.

2.3鐵尾礦粉細(xì)度對(duì)堿礦渣泡沫混凝土抗壓性能的影響

針對(duì)表觀密度等級(jí)為700 g/cm3的堿礦渣泡沫混凝土，在鐵尾礦粉摻量為30%不變的條件下改變鐵尾礦粉的細(xì)度，考察其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，詳見(jiàn)表5和圖2. 可以看出，隨著鐵尾礦粉細(xì)度的提高，堿礦渣泡沫混凝土的強(qiáng)度逐漸增大. 當(dāng)鐵尾礦粉的細(xì)度為200目時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d天后表觀密度為700 g/cm3的鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2.56 MPa. 隨著鐵尾礦粉細(xì)度的提高，其比表面能增加，更有利于鐵尾礦粉分散到基體中，這使得鐵尾礦粉與基體界面的結(jié)合更加緊密、結(jié)構(gòu)更加致密，最終導(dǎo)致堿礦渣泡沫混凝土的強(qiáng)度增大.

表5　鐵尾礦粉細(xì)度對(duì)堿礦渣泡沫混凝土抗壓性能的影響

2.4摻有鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土的水化過(guò)程及微觀形貌分析

制品在凝結(jié)硬化過(guò)程中，礦渣發(fā)生復(fù)雜的水化反應(yīng)，堿礦渣泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程包括原始礦渣結(jié)構(gòu)的解體和新結(jié)構(gòu)的縮聚. 礦渣玻璃體由“富硅相”和“貧硅相”的分相結(jié)構(gòu)構(gòu)成. 富硅相中，硅離子的含量較高，結(jié)構(gòu)緊密，硅氧四面體的鍵合方式主要以三維骨架結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)為主，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，硅氧四面體結(jié)構(gòu)解體較難；貧硅相中，硅離子的含量較低，鈣離子和鋁離子較高，結(jié)構(gòu)較松散，硅氧四面體的鍵合方式主要以孤立狀、鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)和組群狀結(jié)構(gòu)鍵合，外界條件發(fā)生變化時(shí)，硅氧四面體結(jié)構(gòu)容易解體[10]. 礦渣在水泥水化反應(yīng)正在進(jìn)行的溶液中，貧硅相迅速水化，逐步裸露出來(lái)水化速度比較慢的富硅相；隨著礦渣水化的不斷進(jìn)行，富硅相逐漸部分水解，形成新的水化凝膠產(chǎn)物，同時(shí)，普通硅酸鹽水泥水化也生成凝膠產(chǎn)物，這些凝膠物質(zhì)相互黏結(jié)填充于礦渣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中.

礦渣中的貧硅相水化生成的Ca2+、Mg2+、Al3+作為活性陽(yáng)離子，使OH-與富硅相充分接觸，促使富硅相逐漸溶解，主要的化學(xué)鍵破壞如方程式[11]為

或者

遭受破壞的化學(xué)鍵主要是Ca—O、Mg—O、Al—O以及Si—O. 由于舊鍵斷裂，新鍵形成，堿礦渣結(jié)構(gòu)分解的中間產(chǎn)物中含有 [SiO4]4-、[AlO4]5-等陰離子和Ca(OH)+、Ca(OH)(H2O)+等陽(yáng)離子. 隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，陰陽(yáng)離子達(dá)到一定的過(guò)飽和度時(shí)，將生成中間絡(luò)合物，中間絡(luò)合物再轉(zhuǎn)化為高度無(wú)定形的單聚物. 水化反應(yīng)到達(dá)一定階段，中間絡(luò)合物和單聚物分別發(fā)生縮聚反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為多聚物，最終生成CaO—SiO2—H2O系統(tǒng)的水化物C- S- H凝膠和CSH(Ⅰ)托貝莫來(lái)石族，還可能包含部分Na2O—Al2O3—SiO2—H2O系統(tǒng)的水化物水霞石、鈉沸石、方沸石和其他沸石類水化物[12-13].

表觀密度等級(jí)為700 g/cm3的摻鐵尾礦粉的堿礦渣泡沫混凝土經(jīng)常溫養(yǎng)護(hù)28 d后，水化產(chǎn)物微觀形貌見(jiàn)圖3. 由圖可知，水化產(chǎn)物密集叢生，結(jié)構(gòu)緊致. 試樣斷面上A處生成的結(jié)晶是結(jié)晶程度比較好的C- S- H(Ⅰ)凝膠，B處葉片狀或者板狀結(jié)晶是托貝莫來(lái)石和沸石類礦物，其中托貝莫來(lái)石部分來(lái)自普通硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物，部分來(lái)自礦渣的水化產(chǎn)物，C 處柱狀產(chǎn)物是鈣沸石類礦物，D處覆蓋層是沸石類無(wú)定形凝膠狀礦物. 由于無(wú)定形凝膠狀礦物將鐵尾礦粉顆粒、立方形礦物、礦渣的殘存顆粒牢固地包裹住，無(wú)定形凝膠將這些密集的水化產(chǎn)物相互膠結(jié)在一起，形成良好的網(wǎng)絡(luò)狀框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠改變制品氣孔結(jié)構(gòu)，較好地抵抗外界的荷載，在應(yīng)力作用下，不易引起應(yīng)力集中，提高了制品的強(qiáng)度[14-18]，因此，圖中沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)期的立方形桿沸石類礦物和鐵尾礦粉顆粒.

3　結(jié)論

1) 隨著鐵尾礦粉堿礦渣泡沫混凝土表觀密度的增加，其抗壓強(qiáng)度也不斷增大.

2) 當(dāng)鐵尾礦粉的摻量從10%增加到30%時(shí)，堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)鐵尾礦粉的摻量從30%增加到50%時(shí)，堿礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且強(qiáng)度損失較明顯. 鐵尾礦粉摻量在30%左右，對(duì)堿礦渣泡沫混凝土強(qiáng)度最為有利.

3) 隨著鐵尾礦粉細(xì)度的提高，堿礦渣泡沫混凝土的強(qiáng)度逐漸增大.

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(責(zé)任編輯鄭筱梅)

Effect of Iron Ore Tailings Powder on Performance of Alkali-activated Slag Foamed Concrete

TIAN Yuze1, ZHANG Xingshi1, HU Junyi1, SUN Qiubai1, PAN Changsheng2

(1. School of Civil Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114000, Liaoning, China;2. Liaoning Jijia Energy Saving Wall Equipment Corporation, Anshan 114000, Liaoning, China)

In order to study the effects of iron tailings powder on the mechanical performance of alkali-activated slag foam concrete， alkali-activated slag concrete doped with powdered iron ore tailings was made into 100 mm×100 mm×100 mm cube specimens, which was respectively cured 3 days, 7 days and 28 days. Then the compressive strength of concrete block was tested. The results show that with the increase of the apparent density of alkali-active slag foam concrete, compressive strength also continually grows. When the content of iron tailings powder rises from 10% to 30%, the compressive strength of the alkali-active slag foam concrete increases too. When the content of iron tailings powder rises from 30% to 50%, the compressive strength decreases, and the loss of strength is obvious. With the increase of fineness of iron ore tailings powder, the compressive strength of the alkali-active slag foam concrete gradually improves.

iron ore tailings powder； alkali-activated slag；foamed concrete；compressive strength

2015- 05- 15

“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAJ15B03)

田雨澤(1970—)， 男， 副教授， 主要從事新型建筑材料、施工技術(shù)方面的研究， E-mail: tianyuzhe@163.com

TU 528

A

0254-0037(2016)05-0742-06

10.11936/bjutxb2015050046