用南岐鐵尾礦制備加氣混凝土*

李德忠 倪 文 鄭永超 陳 偉

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦山尾礦已成為我國(guó)目前產(chǎn)出量最大、堆存量最多的固體廢棄物［1］。截止到2011年底，我國(guó)尾礦堆存量為120億t，而尾礦的綜合利用率僅為17%。僅2011年，我國(guó)就產(chǎn)生尾礦15.81億t，其中鐵尾礦8.06億t［2］。大量尾礦的堆存帶來(lái)了資源、環(huán)境、安全和土地等諸多方面的問(wèn)題，引起了人們對(duì)尾礦綜合利用的高度重視。目前我國(guó)尾礦的綜合利用主要集中在以下幾個(gè)方面:從尾礦中回收有價(jià)元素、用尾礦充填礦山采空區(qū)、用尾礦制作建筑材料或微晶玻璃及將尾礦用作土壤改良劑等［3-5］。

加氣混凝土是以鈣質(zhì)材料和硅質(zhì)材料為基本組分，利用化學(xué)發(fā)氣方式形成氣孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)蒸壓養(yǎng)護(hù)方式獲得最終強(qiáng)度的一種新型墻體建筑材料，具有質(zhì)量輕、保溫性能好、可加工性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［6］。本研究以山西靈丘縣南岐鐵礦尾礦為硅質(zhì)材料制備加氣混凝土，著重通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)尾礦加氣混凝土制品的配方進(jìn)行了優(yōu)化，并借助XRD、SEM等測(cè)試方法對(duì)尾礦加氣混凝土制品的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原 料

(1)鐵尾礦。由山西靈丘縣石家田鄉(xiāng)南岐鐵礦選礦廠提供，粒度較粗，+0.08 mm占90.4%，密度為2.67 kg/m3，其主要化學(xué)成分見表1，XRD分析結(jié)果見圖1。由表1可知，尾礦中 SiO2含量高達(dá)72.61%，屬于高硅型尾礦。由圖1可知，尾礦中主要礦物為石英、斜長(zhǎng)石、綠泥石、鐵陽(yáng)起石和磁鐵礦。

表1 鐵尾礦和脫硫石膏的主要化學(xué)成分

圖1 鐵尾礦XRD圖譜

(2)水泥。采用靈丘縣豪洋水泥有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表2。

表2 水泥物理性能

(3)石灰。采用北京金隅加氣混凝土有限責(zé)任公司生產(chǎn)所用石灰，其消解時(shí)間為15 min，消解溫度為65℃，有效CaO含量＞60%，0.08 mm方孔篩篩余量為12%～15%。

(4)脫硫石膏。取自北京石景山熱電廠，其0.08 mm方孔篩篩余量為16%，主要化學(xué)成分見表1。

1.2 發(fā)氣劑

采用哈爾濱東輕金屬粉業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FQ－80B型親水性鋁粉作為發(fā)氣劑，其活性Al含量≥90%，0.08 mm方孔篩篩余量≤3.0%，發(fā)氣率≥80%，發(fā)氣時(shí)間≤20 min，親水性≤20 s。

2 試驗(yàn)方法

2.1 加氣混凝土制備

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是制備符合《GB/T11968—2006 蒸壓加氣混凝土砌塊》中A3.5、B06級(jí)加氣混凝土砌塊合格品要求的加氣混凝土試塊，即試塊抗壓強(qiáng)度≥3.5 MPa，干密度≤625 kg/m3。具體制備方法如下:

(1)將鐵尾礦在CS101－3E型鼓風(fēng)干燥箱中烘干，然后稱取5 kg在WL－1型微粒球磨機(jī)中干式粉磨30 min，使其細(xì)度達(dá)到－0.08 mm占91.6%。

(2)根據(jù)正交試驗(yàn)方案，將磨好的尾礦與水泥、石灰、脫硫石膏按一定配比(各原料的用量均按其在4種原料總量中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))人工攪拌混勻，然后按一定水料比(水與4種原料之和的質(zhì)量比)加入55℃的溫水?dāng)嚢?0 s，再按一定配比(按鋁粉與4種原料之和的質(zhì)量比計(jì))加入鋁粉繼續(xù)攪拌40 s。

(3)將攪拌好的料漿迅速澆入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，放在溫度為70℃的YH－40B型恒溫養(yǎng)護(hù)箱中靜停養(yǎng)護(hù)3 h，使料漿硬化成型。

(4)拆模，將硬化后的坯體放入ZCF－40型高壓釜中，在壓力為1.35 MPa、溫度為180～200℃、恒溫時(shí)間為8 h的條件下進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)。蒸壓完成后放入鼓風(fēng)干燥箱中烘干，即得成品。

2.2 制品測(cè)試

(1)干密度測(cè)試。取制品一組3塊，逐塊量取長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向的軸線尺寸(精確至1 mm)，計(jì)算制品的體積;將制品放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在60±5℃和80±5℃下各保溫24 h，再在105±5℃下保溫至恒質(zhì)量。然后按下式計(jì)算制品的干密度r0并取平均值:

式中，m0為烘干后制品的質(zhì)量，V為制品體積。

(2)抗壓強(qiáng)度測(cè)試。取制品一組3塊，按照《GB/T l l971—1997 加氣混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，在YES－300型數(shù)顯液壓壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)出制品破壞時(shí)的荷載Fc，然后按下式計(jì)算制品的抗壓強(qiáng)度Rc并取平均值:

式中，A為制品受壓部分的面積。

(3)X射線衍射分析。用D/Max－RC型粉晶X射線衍射儀分析制品的物相組成。掃描速度為4°/min，掃描范圍為5°～75°，步長(zhǎng)為0.02°，Cu靶。

(4)掃描電鏡(SEM)分析。用帶有能譜儀(EDS)的SUPRATM55型掃描電子顯微鏡觀察制品的水化產(chǎn)物形貌，用能譜儀分析水化產(chǎn)物的元素分布。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 制品配方正交試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)因素水平安排

根據(jù)前期探索性試驗(yàn)，確定水泥用量A、石灰用量B、脫硫石膏用量C、鋁粉用量D、水料比E這5個(gè)因素均取4個(gè)水平(尾礦用量為100%－水泥用量－石灰用量－脫硫石膏用量)，各水平具體取值如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平安排

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

根據(jù)因素水平安排，按正交表L16(45)進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可直觀地看出，除Z1號(hào)試驗(yàn)所得制品的干密度超標(biāo)外，其余試驗(yàn)所得制品的抗壓強(qiáng)度和干密度均符合要求，但其中Z13號(hào)試驗(yàn)所得制品的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)4.66 MPa。因此，僅從表4來(lái)看，合適的因素組合應(yīng)為A4B1C4D2E3。

對(duì)表4中制品的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表5。

表5 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果 MPa

由表5可以看出:對(duì)于制品的抗壓強(qiáng)度而言，鋁粉摻量引起的極差最大，為0.435，表明該因素對(duì)制品抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著;石灰用量和水泥用量引起的極差分別為0.428和0.357，影響次之;水料比引起的極差最小，為0.165，影響最弱。

眾所周知，鋁粉是加氣混凝土的發(fā)泡劑。在加氣混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，鋁粉通過(guò)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體(H2)，并在料漿中形成大小均勻的氣泡，使加氣混凝土具有多孔結(jié)構(gòu)。加氣混凝土的強(qiáng)度不僅取決于其基體材料的強(qiáng)度，也取決于其孔結(jié)構(gòu)［7-8］。鋁粉摻量的多少直接影響到加氣混凝土制品內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，這可能是鋁粉摻量對(duì)制品抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著的原因所在。

要使鋁粉在加氣混凝土料漿中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，料漿需具備一定的堿度。在水泥的水化過(guò)程和石灰的消解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生Ca(OH)2，為料漿的堿度提供了保證，這可能是水泥用量和水泥用量對(duì)加氣混凝土制品強(qiáng)度的影響僅次于鋁粉摻量的原因所在。

此外，表5表明，因素的優(yōu)化組合應(yīng)為A2B1C3D2E3。該組合與對(duì)表4結(jié)果進(jìn)行直觀分析所得結(jié)論不一致，而且在正交試驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)，因此有必要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1.3 優(yōu)化配方驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)A4B1C4D2E3和A2B1C3D2E3這兩個(gè)因素組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

從表6可以看出，采用配方SR所得制品具有更高的強(qiáng)度和更低的干密度，且尾礦消耗量較大。因此，確定用南岐鐵尾礦制備尾礦加氣混凝土的優(yōu)化配方為SR，即鐵尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%、石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、鋁粉與4種原料的質(zhì)量比為0.55‰、水料比為0.57%。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3.2 制品XRD分析

圖2給出了采用配方SR所得制品的XRD分析結(jié)果。由圖2可知:加氣混凝土制品中的主要水化產(chǎn)物為托貝莫來(lái)石晶體和CSH凝膠，此外還有一定數(shù)量的石英、鐵陽(yáng)起石、斜長(zhǎng)石、綠泥石和石膏。其中，石膏、斜長(zhǎng)石和石英等作為骨料存在，對(duì)制品強(qiáng)度的發(fā)展能夠起到積極的作用。通過(guò)與圖1對(duì)比可以看出，代表石英的特征峰的峰強(qiáng)度明顯降低，鐵陽(yáng)起石、斜長(zhǎng)石、綠泥石等礦物成分的衍射峰的峰強(qiáng)度也有不同程度的降低，磁鐵礦的衍射峰則在圖2中沒(méi)有出現(xiàn)。坯體在蒸壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，鐵尾礦中的SiO2和Al2O3在堿性條件下不斷溶出，并與水泥水化和石灰消解產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成堿度高的水化硅酸鈣凝膠。隨著體系中溫度和壓力的升高和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，SiO2和Al2O3的溶出量增加，體系中的鈣硅比減小，堿度高的水化硅酸鈣會(huì)逐漸向堿度低的水化硅酸鈣轉(zhuǎn)化，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成結(jié)晶程度高的托貝莫來(lái)石晶體。

圖2 制品XRD圖譜

從圖2還可發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有在制品中檢測(cè)到水石榴子石的衍射峰?？虏热耍?］指出，在蒸壓的硅酸鹽制品中，水石榴子石并不是在所有條件下都能夠穩(wěn)定存在的。Klimesch等人［10］則通過(guò)對(duì) CaOAl2O3－SiO2－H2O體系的研究指出，在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，隨著SiO2溶出量的增加，料漿中的高堿性環(huán)境被破壞，水石榴子石會(huì)轉(zhuǎn)化成新的物相如Al代托貝莫來(lái)石，并提出了水石榴子石轉(zhuǎn)化成托貝莫來(lái)石的證據(jù)。

3.3 制品SEM分析

圖3是采用配方SR所得制品的SEM照片。從圖中可以看出，在制品斷面上，葉片狀和針狀托貝莫來(lái)石與結(jié)晶度較差的C－S－H(B)膠結(jié)在一起，以托貝莫來(lái)石晶體為主，其長(zhǎng)度在1～2μm之間。結(jié)合表7給出的能譜分析結(jié)果可知，制品中所形成的托貝莫來(lái)石晶體中的部分Si原子被Al或Mg原子所取代，這證實(shí)了在制品的XRD圖譜中未發(fā)現(xiàn)水石榴子石的原因是水石榴子石發(fā)生轉(zhuǎn)化形成了新的物相Al代托貝莫來(lái)石。制品中所形成的托貝莫來(lái)石晶體和CSH凝膠相互交錯(cuò)，形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠改善制品的孔結(jié)構(gòu)，使制品抵抗外界荷載的能力增強(qiáng)，對(duì)提高制品的強(qiáng)度起到了積極的作用。

圖3 制品SEM照片

表7 圖3(a)中A點(diǎn)的能譜分析結(jié)果 %

4 結(jié)論

(1)在以南岐鐵尾礦為硅質(zhì)材料制備加氣混凝土?xí)r，鋁粉摻量的多少是影響制品強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，石灰和水泥的摻量影響次之，水料比的影響最弱。

(2)按照鐵尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%、石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、鋁粉與4種原料的質(zhì)量比為0.55‰、水料比為0.57%的優(yōu)化配方，可利用南岐鐵尾礦制備出抗壓強(qiáng)度為4.83 MPa、干密度為596 kg/m3的加氣混凝土制品。

(3)XRD和SEM分析結(jié)果表明，制品中的主要水化產(chǎn)物為托貝莫來(lái)石和CSH凝膠，沒(méi)有水石榴子石生成。托貝莫來(lái)石和CSH凝膠對(duì)制品強(qiáng)度的發(fā)展起到了積極作用。

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