鋼渣與礦粉復(fù)摻固化鐵尾礦的力學(xué)特性及機(jī)理研究

倪智偉 桂婷婷 吳小剛 周玉新

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司 安徽 馬鞍山 243000;4.中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200063)

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦流程后,產(chǎn)生的一種粉狀或顆粒狀的固體廢棄物。近年來隨著鐵礦石消耗量的增大,鐵尾礦的排放量也逐年增多[1,2]。過去,僅采用最簡(jiǎn)單的堆填方法處置大量的鐵尾礦,從而造成土地資源占用,環(huán)境污染,同時(shí)耗費(fèi)大量的人力財(cái)力,增加了礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的負(fù)擔(dān)[3]。所以鐵尾礦的處置與利用一直是礦山企業(yè)和環(huán)境部門亟待解決的問題。

為進(jìn)一步提高鐵尾礦的綜合利用率,最普遍的處理就是將鐵尾礦進(jìn)行固化后以達(dá)到一定的強(qiáng)度,繼而用于路面路基材料。目前,國(guó)內(nèi)外就采用鐵尾礦碎石、鐵尾礦砂替代碎石集料配制路用基材的研究取得了一些進(jìn)展。SUN等[4]通過對(duì)水泥摻鐵尾礦等形成的混合料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和強(qiáng)度因素的分析,得出結(jié)論:水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂形成的混合料,強(qiáng)度和彈性模量較高,水穩(wěn)定性和抗凍性也較為良好。姜明等[5]以水泥、石灰、粉煤灰和活性激發(fā)劑復(fù)配作為固化劑,研究固化劑對(duì)鐵尾礦基層強(qiáng)度的影響。研究表明:當(dāng)固化劑摻量＞8%時(shí),鐵尾礦基層的浸水抗壓強(qiáng)度可滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。HUANG等[6]采用鋼渣-高爐渣-氟石膏基P.O 42.5水泥作為膠結(jié)劑用來固化尾礦,通過微觀試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)混合物中有大量細(xì)長(zhǎng)的棒狀鈣礬石和絲狀水化硅酸鈣凝膠相互牢固結(jié)合。李洪斌[7]對(duì)摻鐵尾砂的水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行配比試驗(yàn),并對(duì)各配比下的基層材料進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn),得出結(jié)論:摻4.0%水泥、20%鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層具有最優(yōu)的路用性能,其水穩(wěn)定性和抗凍性較好,同時(shí)具有較大的抗壓、劈裂強(qiáng)度。BAREITHER等[8]通過對(duì)水泥基鐵尾礦集料在路用工程中的應(yīng)用進(jìn)行可行性研究,得出結(jié)論:水泥固化鐵尾礦的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值,可作為達(dá)到路用基層應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。易龍生等[9]對(duì)鐵尾礦進(jìn)行大規(guī)模利用,通過對(duì)鐵尾礦路面基層材料展開力學(xué)性能和耐久性測(cè)試,研究結(jié)果表明鐵尾礦路面基層材料各項(xiàng)指標(biāo)滿足高速公路和一級(jí)公路的要求,驗(yàn)證了鐵尾礦作為高速公路基材的主成分具有可行性。劉晶磊等[10]通過對(duì)河北張家口地區(qū)鐵尾礦進(jìn)行路用性能測(cè)試,研究結(jié)果表明水泥改良鐵尾礦和土凝巖改良鐵尾礦在水泥和土凝巖經(jīng)濟(jì)摻量為8%的情況下,其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為2.48 MPa和2.08 MPa,均能滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路路基強(qiáng)度要求。程和平等[11]對(duì)瀝青混凝土摻不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鐵尾礦形成的混合料進(jìn)行路用特性的研究,研究結(jié)果表明鐵尾礦摻量在20%時(shí),瀝青混凝土混合料的性能最為良好,其軟化點(diǎn)及動(dòng)穩(wěn)定度最高。

以上大多數(shù)研究偏向于采用水泥或石灰對(duì)鐵尾礦基材或幾種固廢材料進(jìn)行改性,但是涉及到鐵尾礦、礦物摻合料、堿渣等材料復(fù)摻效果的研究不太普遍。本文在解決大宗固廢的基礎(chǔ)上,研究選用礦物摻合料-鋼渣和高爐粒化礦渣微粉替代部分水泥用來固化鐵尾礦的可行性,測(cè)試各配合比下復(fù)合材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,同時(shí)采用XRD、SEM試驗(yàn)手段,探討鋼渣與礦粉作用下鐵尾礦復(fù)合材料的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律和微觀機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用鐵尾礦取自馬鞍山市當(dāng)涂縣青山尾礦庫,過 2 mm篩,選取篩下部分。所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;鋼渣為煉爐鋼渣,過2 mm篩,選取篩下部分;礦粉為S95磨細(xì)高爐?；V渣粉,原料化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示,鐵尾礦與鋼渣級(jí)配如表2所示。

表1 鐵尾礦、鋼渣、礦粉化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical compositon analysis results of iron tailings,steel slag and mineral powder

表2 鐵尾礦與鋼渣級(jí)配Table 2 Grading of iron tailings and steel slag

1.2 試驗(yàn)方案

為便于分析鋼渣與礦粉對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度特性影響,根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)規(guī)范,通過雙摻、復(fù)摻形成不同體系的復(fù)合材料[12],相關(guān)配合比設(shè)計(jì)如表3所示。

根據(jù)表3配合比,先按比例稱取相應(yīng)的鐵尾礦、水泥、鋼渣和礦粉進(jìn)行充分拌合,按最優(yōu)含水率稱取一定量的蒸餾水再次進(jìn)行均勻拌合。

表3 配合比設(shè)計(jì)Table 3 Design of mix proportion

1.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009),采用直徑為50 mm、高為 50 mm的模具進(jìn)行試樣的制備,靜置1 d后取出試樣進(jìn)行密封處理,置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)養(yǎng)至設(shè)計(jì)齡期的前一天,取出試樣進(jìn)行浸水飽和24 h[13]。采用 QJ-211s萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),將飽水后的試樣取出置于試驗(yàn)機(jī)的墊板中心處,通過計(jì)算機(jī)控制儀器設(shè)置圓柱體直徑50 mm,以1 mm/min的速率加載,待試樣破壞后停止試驗(yàn)。

1.2.2 固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)制備直徑為50 mm、高為 100 mm的試樣,置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d后取出[14]。采用英國(guó)GDS動(dòng)三軸儀進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),設(shè)置圍壓0.1、0.3、0.5、0.7 MPa。

1.2.3 XRD試驗(yàn)

取經(jīng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞后試樣的中心破碎部位,采用無水乙醇浸泡處理后放入40℃干燥箱進(jìn)行烘干6 h。再對(duì)其進(jìn)行研磨后過0.075 mm篩,取用篩下部分,采用日本理學(xué) X射線衍射儀(Rigaku)進(jìn)行 XRD 測(cè)試,掃描角度為 10°～80°,速率為10°/min。

1.2.4 SEM試驗(yàn)

取經(jīng)上述處理后0.075 mm篩下微量粉末,經(jīng)鍍金處理后采用儀器日立Hitachi Su8010進(jìn)行掃描電鏡分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖1反映了表3中各試樣的7 d、28 d和60 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

從圖1可以看出,各試樣抗壓強(qiáng)度均隨齡期有所增大。相較于單摻水泥固化鐵尾礦試樣S10I0M0,水泥摻量在0～3%,即摻量很少的情況下,很大程度上抑制復(fù)合材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)。試樣S0I4M8僅摻有礦物摻合料(鋼渣、礦粉)固化鐵尾礦,其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為1.654 MPa;然而水泥、鋼渣和礦粉配比適量下,如試樣 S8I6M6、S5I8M8,水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾砂的強(qiáng)度要大于單摻水泥固化鐵尾礦的強(qiáng)度。結(jié)果表明:水泥摻量＞5%的情況下,通過添加鋼渣和礦粉用來固化鐵尾礦的效果有明顯改良。試樣S8I6M0的強(qiáng)度最低,7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最小,為1.506 MPa,僅摻有水泥和鋼渣固化鐵尾礦;試樣S8I0M6的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最大,為4.379 MPa,此時(shí)鋼渣摻量為0,水泥摻量為8%,礦粉摻量為6%。研究表明:較活性較差的鋼渣,礦粉具有更高的活性。試樣S5I8M8為最經(jīng)濟(jì)配比,在水泥摻量5%的情況下,鋼渣和礦粉的摻量均為8%,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也大于水泥固化鐵尾礦的強(qiáng)度。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.1 Unconfined compressive strength

2.2 固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)

為進(jìn)一步展開對(duì)水泥-鋼渣-礦粉復(fù)摻固化鐵尾礦的強(qiáng)度特性研究,選用試樣S10I0M0和S5I8M8進(jìn)行不同圍壓下的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨圍壓的增大而增大,試樣S5I8M8在4種不同圍壓下的強(qiáng)度增幅分別為1.3%、7.7%、13.0%、22.2%,試樣S10I0M0的增幅則分別為 1.5%、15.0%、20.7%、25.8%,圍壓對(duì)水泥-鋼渣-礦粉復(fù)摻固化鐵尾礦的強(qiáng)化效果更加顯著。在相同圍壓下,試樣S5I8M8在剪切破壞后,其殘余強(qiáng)度均要大于試樣S10I0M0。即水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾礦較單摻水泥固化鐵尾礦提高了強(qiáng)度,其結(jié)構(gòu)更為致密,失穩(wěn)破壞后仍具有較高的承載強(qiáng)度。

圖2 峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度Fig.2 Peak strength and residual strength

2.3 XRD分析

單摻水泥試樣 S10I0M0、水泥-鋼渣互摻試樣S8I6M0、水泥-鋼渣-礦粉復(fù)摻試樣S5I8M8的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為2.91 MPa、1.506

MPa和3.562 MPa,對(duì)3種試樣進(jìn)行X射線衍射分析,結(jié)果見圖3。圖3(a)為單摻水泥固化鐵尾礦的衍射圖譜,鐵尾礦中含有大量的石英,所以圖譜中有明顯的SiO2衍射峰,以及水泥水化產(chǎn)物C—S—H衍射峰及部分產(chǎn)物Ca(OH)2、3CaO·SiO2(簡(jiǎn)稱 C3S)和 2CaO·SiO2(簡(jiǎn)稱C2S)短峰。圖3(b)為水泥-鋼渣復(fù)摻固化鐵尾礦的衍射圖譜,由于鋼渣摻量的增加和水泥摻量的減小,減弱了其水化反應(yīng),很難發(fā)生水泥的完全水化反應(yīng),圖3(b)中幾乎觀察不到水化產(chǎn)物C—S—H的衍射峰值。圖3(c)為水泥-鋼渣-礦粉復(fù)摻固化鐵尾礦的衍射圖譜,已經(jīng)觀察不到水化產(chǎn)物Ca(OH)2的衍射峰值了,說明Ca(OH)2由于礦粉的摻入已經(jīng)完全參與了反應(yīng),加劇了水化反應(yīng),生成C—S—H和部分C3S和C2S。水泥的水化主要是水泥熟料中礦物質(zhì)的水化反應(yīng)以及少量CaSO4參與的水化反應(yīng),這是導(dǎo)致水泥基材強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要原因。在硅酸鹽水泥熟料礦物組成主要有C3S、C2S、鋁酸三鈣3CaO·AI2O3(簡(jiǎn)稱C3A)。在水泥充分水化反應(yīng)的情況下,C—S—H為硅酸鈣凝膠,是C2S和C3S的水化產(chǎn)物,對(duì)水泥基材料的強(qiáng)度起決定性作用。

圖3 XRD圖譜Fig.3 XRD spectrum

2.4 SEM分析

選取試樣S10I0M0、S8I6M0和S5I8M8進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。圖4為單摻水泥、水泥-鋼渣互摻、水泥-鋼渣-礦粉復(fù)摻固化鐵尾礦的SEM形貌圖。單摻水泥固化鐵尾礦會(huì)發(fā)生水泥的水化反應(yīng),如圖4(a)所示可以清晰地看到晶體之間出現(xiàn)較大孔隙,且發(fā)育不完全,并觀察到生長(zhǎng)在孔隙間的針狀產(chǎn)物水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)和白色絮狀物—水化硅酸鈣凝膠(C—S—H)。圖4(b)是由鋼渣替換部分水泥,相對(duì)于圖4(a)來說,水泥摻量減少,由于鋼渣的活性低于水泥,水泥的水化反應(yīng)減小,強(qiáng)度降低,此時(shí)的鋼渣僅充當(dāng)骨架作用。在水泥基復(fù)合膠凝體系的水化過程中,火山灰材料的反應(yīng)對(duì)水泥水化產(chǎn)物具有較強(qiáng)的依賴性,而鋼渣的反應(yīng)則具有比較強(qiáng)的獨(dú)立性,因此鋼渣中主要膠凝相的水化與水泥水化生成的Ca(OH)2不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。圖4(c)是水泥-鋼渣-礦粉復(fù)摻固化鐵尾礦的SEM形貌圖,可以看出其結(jié)構(gòu)致密,由于礦渣微粉具有潛在的水化活性,水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2可以激發(fā)潛在活性的礦粉,使得礦粉進(jìn)行水化反應(yīng)生成C—S—H填充在混合物的孔隙中,提高了混合物的強(qiáng)度,同時(shí)將強(qiáng)度較低的Ca(OH)2晶體轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度較高的水化硅酸鈣凝膠,也驗(yàn)證了其強(qiáng)度大于單摻水泥固化鐵尾礦的強(qiáng)度。

圖4 SEM形貌Fig.4 SEM topography

3 結(jié) 論

(1)水泥摻量＞5%的情況下,通過添加鋼渣與礦粉用來固化鐵尾礦的效果有明顯改良。較活性較差的鋼渣,礦粉具有更高的活性。在水泥摻量為5%時(shí),鋼渣、礦粉摻量均為8%,為最經(jīng)濟(jì)配比。在合適的配比下,能通過摻入鋼渣與礦粉替代部分水泥滿足工程所需復(fù)合材料的強(qiáng)度。

(2)固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)中,圍壓對(duì)于水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾礦的強(qiáng)化作用要優(yōu)于單摻水泥固化鐵尾礦。水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾礦的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均大于單摻水泥固化鐵尾礦,其結(jié)構(gòu)更為致密,失穩(wěn)破壞后仍具有較高的承載強(qiáng)度。

(3)水泥固化鐵尾礦主要是因?yàn)樗喟l(fā)生了水化反應(yīng);在僅有鋼渣替代部分水泥固化鐵尾礦的結(jié)構(gòu)中,鋼渣活性較低僅充當(dāng)骨架作用,致使強(qiáng)度降低。水泥-鋼渣-礦粉復(fù)摻固化鐵尾礦形成的復(fù)合材料中,鋼渣摻量對(duì)于水化反應(yīng)具有抑制作用,水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2激發(fā)了礦粉的潛在活性生成C—S—H,使得結(jié)構(gòu)致密,礦粉摻量的增加使得強(qiáng)度較低的Ca(OH)2晶體完全參與水化反應(yīng)生成C—S—H和部分C3S、C2S,提高了混合物的強(qiáng)度。