鐵尾礦基陶粒的物理力學(xué)性能及其微觀性質(zhì)研究

李國峰 那 威 田江濤 劉立偉 王 素

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省地質(zhì)實驗測試中心,河北 保定 071051)

陶粒作為一種表層堅硬、強度高的特殊材料,可代替混凝土中的碎石骨料用于建筑領(lǐng)域[1-2];此外,陶粒還具有比表面積大、熱穩(wěn)定性好、內(nèi)部多孔、表面微孔豐富等特點,在污水處理領(lǐng)域也有一定程度的應(yīng)用[3-6]。

利用鐵尾礦制備陶粒,有望成為鐵尾礦資源化利用的有效方式之一。李涵[7]以陜南地區(qū)中硅鐵尾礦為主料,以膨潤土、鋁礬土為輔料,在鐵尾礦、膨潤土、鋁礬土質(zhì)量比為7 ∶2 ∶1,焙燒溫度1 600 ℃的條件下,制得筒壓強度7.91 MPa、堆積密度0.82 g/cm3、表觀密度1.855 g/cm3、吸水率5.63%的陶粒。楊傳猛[8]以鐵尾礦為主要原料,以粉煤灰和石英砂為輔料制備陶粒,并利用XRD 和SEM 測試技術(shù)對制得的陶粒進行分析,發(fā)現(xiàn)陶粒的堆積密度小于0.8 g/cm3,表觀密度小于1.2 g/cm3,抗壓強度大于2 MPa,其主要礦物相為鈣長石、赤鐵礦和石英。

可見,制備鐵尾礦基陶粒是可行的,但需在鐵尾礦的基礎(chǔ)上添加適宜的輔料。本研究基于唐山市的區(qū)位資源優(yōu)勢,采用鐵尾礦為主料、煤矸石為輔料,考察不同工藝參數(shù)下鐵尾礦基陶粒的物理力學(xué)性能,為唐山市鐵尾礦、煤矸石等固體廢棄物資源的利用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗原料及試驗方法

1.1 試驗原料

試驗所用鐵尾礦取自石人溝鐵礦選礦廠,所用煤矸石取自唐山礦業(yè)公司。將鐵尾礦和粉碎至一定細(xì)度的煤矸石分別進行混勻、縮分,制備出試驗用樣。

1.1.1 原料化學(xué)成分分析

鐵尾礦化學(xué)成分分析和煤矸石工業(yè)分析結(jié)果分別如表1 和表2所示。

表1 鐵尾礦化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis results of iron tailings %

表2 煤矸石工業(yè)分析結(jié)果Table 2 Industrial analysis results of coal gangue%

由表1 可以看出,鐵尾礦主要成分為SiO2,含量達(dá)66.66%;Al2O3、CaO、MgO 含量相對較低,分別為5.21%、7.66%、2.72%;此外,還含有5.62%的TFe。

由表2 可知,煤矸石的固定碳含量為6.50%,揮發(fā)分含量為8.11%,灰分含量為85.28%;其中,灰分含21.21%的Al2O3和55.11%的SiO2,鋁硅比為0.38。

1.1.2 原料物相組成分析

鐵尾礦和煤矸石的X 射線衍射(XRD)圖譜如圖1所示。

圖1 鐵尾礦和煤矸石XRD 圖譜Fig.1 The XRD spectrum of iron tailings and coal gangue

由圖1(a)可知,鐵尾礦中主要礦物為石英,此外還含有一定量的鎂角閃石、鈣長石、藍(lán)晶石、方解石、鈣鐵榴石、橄欖石等礦物。由圖1(b)可知,煤矸石主要礦物為石英、高嶺土和伊利石。

1.1.3 原料粒度組成

采用激光粒度分析儀,對鐵尾礦和煤矸石進行粒度分析,結(jié)果如圖2所示。

圖2 鐵尾礦和煤矸石的累計粒度及粒度分布曲線Fig.2 The accumulative granularity characteristics and particle size distribution curves of iron tailings and coal gangue

由圖2 可以看出,鐵尾礦和煤矸石的d50分別為105 μm 和32 μm;鐵尾礦多分布于-450 μm 粒級范圍內(nèi),煤矸石多分布于-325 μm 粒級范圍內(nèi)。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗方法

按一定比例稱取鐵尾礦和煤矸石(鐵尾礦用量以尾礦質(zhì)量占鐵尾礦與煤矸石總質(zhì)量的百分比表示),并加水混勻,采用手動壓球機壓制成型,粒徑控制在10 mm左右,為避免高溫?zé)Y(jié)過程中發(fā)生開裂現(xiàn)象,放入恒溫干燥箱在105 ℃下烘干8 h,得到生球備用。

在室溫下將生球放入KSL-2000X 型箱式電阻爐中,以10 ℃/min 的升溫速率升至預(yù)定溫度,保溫一定時間后取出,冷卻至室溫,得到鐵尾礦基陶粒。參照GB/T 17431.2—2010 《輕集料及其試驗方法》中要求的方法,對陶粒的堆積密度、表觀密度、筒壓強度、吸水率等性能進行測試。

1.2.2 測試方法

采用D8 ADVANCE 型X 射線衍射分析儀對制得的陶粒進行物相分析,并用ECLIPSE Ci-POL 型偏光顯微鏡對陶粒的微觀形貌進行觀察分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焙燒溫度對陶粒性能的影響

固定焙燒時間15min、鐵尾礦用量80%,不同焙燒溫度下陶粒的物理力學(xué)性能如圖3所示。

圖3 焙燒溫度對陶粒物理力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of roasting temperature on physicalmechanical properties of ceramsite

由圖3(a)可知,隨著焙燒溫度的升高,陶粒的堆積密度變化不大,整體介于0.82～0.85 g/cm3之間,陶粒的表觀密度先增加后小幅波動。由圖3(b)可知,隨著焙燒溫度的升高,陶粒的筒壓強度呈逐漸增加趨勢,焙燒溫度由950 ℃增加到1 100 ℃時,陶粒的筒壓強度由1.89 MPa 增加到6.02 MPa;繼續(xù)增加焙燒溫度至1 150 ℃,筒壓強度增加到7.11 MPa,增幅變緩。焙燒溫度為950 ℃時,陶粒的吸水率最高,為29.31%;焙燒溫度升至1 100 ℃時,陶粒的吸水率降至8.03%;繼續(xù)升高焙燒溫度,吸水率呈增加趨勢。綜合考慮,確定焙燒溫度為1 100 ℃。

2.2 焙燒時間對陶粒性能的影響

固定焙燒溫度1 100 ℃、鐵尾礦用量80%,不同焙燒時間下陶粒的物理力學(xué)性能如圖4所示。

圖4 焙燒時間對陶粒物理力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of roasting time on physical-mechanical properties of ceramsite

由圖4(a)可知,隨焙燒時間的增加,陶粒的堆積密度和表觀密度變化較小,分別介于0.82～0.86 g/cm3和1.64～1.68 g/cm3之間,變化幅度在0.04 g/cm3內(nèi)。由圖4(b)可知,增加焙燒時間有利于提高陶粒的筒壓強度,焙燒時間由5 min 增加到20 min時,陶粒的筒壓強度由1.47 MPa 增加到7.24 MPa;繼續(xù)增加焙燒時間至30 min 時,筒壓強度增加到8.23 MPa,增加幅度變緩。隨焙燒時間的延長,陶粒的吸水率整體呈下降趨勢,焙燒時間在5～25 min 時,吸水率隨焙燒時間增加下降較為明顯;焙燒時間達(dá)到10 min 后,陶粒的吸水率降至10%以下。綜合考慮,確定焙燒時間為20 min。

2.3 鐵尾礦用量對陶粒性能的影響

固定焙燒溫度1 100 ℃、焙燒時間20 min,不同鐵尾礦用量下陶粒的物理力學(xué)性能如圖5所示。

圖5 鐵尾礦用量對陶粒物理力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of dosage of iron tailings on physicalmechanical properties of ceramsite

由圖5(a)可知,鐵尾礦用量為70%～90%時,陶粒的堆積密度和表觀密度變化不大,分別介于0.86～0.88 g/cm3和1.57～1.64 g/cm3范圍內(nèi)。由圖5(b)可知,隨著鐵尾礦用量由70%增加到75%,筒壓強度由9.20 MPa 下降到8.78 MPa;繼續(xù)增加鐵尾礦用量至90%時,陶粒的筒壓強度降到2.59 MPa,降幅明顯。鐵尾礦用量為70%～85%時,陶粒的吸水率略有降低,由8.41%小幅降至7.73%;鐵尾礦用量為90%時,陶粒的吸水率則增加至14.72%。綜合考慮,確定鐵尾礦用量為75%,此時陶粒筒壓強度為8.78 MPa、堆積密度為0.87 g/cm3、表觀密度為1.57 g/cm3、吸水率為7.93%,符合國標(biāo)GB/T 17431.1—2010 中900 級輕集料陶粒的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 焙燒過程的物相轉(zhuǎn)化和微觀形貌分析

以不同焙燒溫度下陶粒的物相組成和微觀形貌為例,分析陶粒筒壓強度、吸水率等性質(zhì)變化的原因。

2.4.1 焙燒溫度對陶粒物相組成的影響

焙燒溫度分別為950、1 050、1 100 ℃時陶粒的XRD 圖譜如圖6所示。

圖6 不同焙燒溫度下陶粒的XRD 圖譜Fig.6 The XRD spectrum of ceramsite at different temperatures

由如圖6 可知:焙燒溫度為950 ℃時,可見石英、鎂角閃石、鈣長石、藍(lán)晶石、鈣鐵榴石、橄欖石的衍射峰,且隨著焙燒溫度的升高,上述礦物的衍射峰均呈不同程度的降低趨勢;當(dāng)焙燒溫度為1 050 ℃時,鎂角閃石的衍射峰消失;當(dāng)焙燒溫度升高至1 100 ℃時,鈣長石、鈣鐵榴石、橄欖石的衍射峰接近消失,石英的衍射峰明顯降低。焙燒過程中部分石英發(fā)生玻璃化現(xiàn)象,焙燒溫度越高,石英的玻璃化反應(yīng)越明顯[9-12]。同時,鐵尾礦和煤矸石原料礦物的主要成分為氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂,在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成新的低共熔點物質(zhì)。由于陶粒中新生成物質(zhì)含量較低或呈固溶體狀態(tài),未能在XRD 圖譜中顯現(xiàn)。

2.4.2 焙燒溫度對陶粒的微觀形貌的影響

不同焙燒溫度下陶粒的微觀形貌如圖7所示。

圖7 不同焙燒溫度下陶粒的微觀形貌Fig.7 The microstructure of ceramsite produced at different temperatures

由圖7(a)可以看出,焙燒溫度在950 ℃時,鐵尾礦基陶粒中無明顯液相,陶粒內(nèi)部的礦物顆粒仍保持原有形狀,結(jié)構(gòu)相對疏松,致使陶粒筒壓強度低、吸水率高。圖7(b)中,當(dāng)溫度升高至1 050 ℃時,陶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相對致密,可見微量液相,不同礦物顆粒間出現(xiàn)了輕微的融合現(xiàn)象,在一定程度上提高了陶粒的筒壓強度、降低其吸水率;由于陶粒內(nèi)部的液相量較少,焙燒過程中形成的氣體大多逸出,僅少量被液相包裹形成氣孔。圖7(c)中,陶粒內(nèi)部的液相較為明顯,其結(jié)構(gòu)更為致密,這也是保證陶粒高強度、低吸水率的主要原因。此時,生成的液相對氣體的束縛更為明顯,在陶粒內(nèi)部形成的氣孔數(shù)量明顯增加[13-16]。

3 結(jié) 論

(1)石人溝鐵尾礦TFe 品位為5.62%,主要礦物為石英,還含有少量的鎂角閃石、鈣長石等,鐵尾礦的中位徑為105 μm。唐山礦業(yè)公司煤矸石固定碳含量為6.50%、灰分含量為85.28%,煤矸石中主要礦物為石英、高嶺土和伊利石。

(2)當(dāng)焙燒溫度為1 100 ℃、焙燒時間為20 min、鐵尾礦用量為75%時,鐵尾礦基陶粒的筒壓強度為8.78 MPa、堆積密度為0.87 g/cm3、表觀密度為1.57 g/cm3、吸水率為7.93%,性能指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T 17431.1—2010 中規(guī)定的900 級輕集料陶粒的要求。

(3)焙燒過程中,鐵尾礦基陶粒中各礦物衍射峰的強度均有所降低甚至消失,石英發(fā)生較明顯的玻璃化現(xiàn)象,不同礦物反應(yīng)生成低熔點液相,使得陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密程度增加,進而提高了陶粒的強度、降低了陶粒的吸水率。