一種礬土尾礦渣作水泥混合材的試驗研究

吳長亮，李艷君，李大偉，劉曉存

一種礬土尾礦渣作水泥混合材的試驗研究

吳長亮，李艷君，李大偉，劉曉存

本文探討了一種礬土尾礦渣作為混合材對水泥性能的影響。分析了礬土尾礦渣的礦物及顆粒組成，測定了尾礦渣水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時間、強度等性能。結(jié)果表明：礬土尾礦渣主要含有高嶺石類（多水高嶺石、珍珠陶土、地開石等）、一水鋁石和云母類（白云母、鉀云母、多硅鋰云母等）等礦物。經(jīng)煅燒處理的尾礦渣用作混合材，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量偏高，凝結(jié)時間明顯縮短，抗壓強度稍低于礦渣微粉而高于粉煤灰；煅燒處理的尾礦渣與礦渣微粉、粉煤灰復(fù)摻，有助于降低需水量及提高水泥強度。

礬土尾礦渣；硅酸鹽水泥；水泥混合材；性能

1 引言

礦產(chǎn)資源是我國工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前我國90%以上的能源和80%左右的工業(yè)原料都來源于礦產(chǎn)資源。尾礦是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分，隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)和利用，礦石日益貧乏，尾礦作為二次資源再利用已受到世界各國的重視。

礬土又稱為鋁礬土或鋁土礦，主要成分是氧化鋁，系含有雜質(zhì)的水合氧化鋁，是一種土狀礦物。我國絕大部分鋁土礦石具有高鋁、高硅、低鐵的特點。礦石的鋁硅比A/S（礦石中Al2O3與SiO2的質(zhì)量比）較低，以4~6的居多。為提高鋁土礦的鋁硅比，需要對鋁土礦進行選礦，以便配合國內(nèi)的拜耳法生產(chǎn)工藝（要求A/S≮10），但在進行選礦后會產(chǎn)生大量尾礦，生產(chǎn)中其精礦與尾礦產(chǎn)出之比一般為3：1左右。

礬土尾礦渣作為鋁土礦選礦過程中產(chǎn)生的約占原礦20%的尾礦，數(shù)量大，其堆存帶來了環(huán)境污染、占壓土地及安全隱患等一系列問題。但礬土尾礦含有SiO2、Al2O3、Fe2O3等有用礦物組分，是一種具有很大開發(fā)利用價值的二次資源。為了有效利用氧化鋁工業(yè)的尾礦，筆者將礬土尾礦摻入到水泥中探討其對水泥性能的影響，通過與傳統(tǒng)混合材對比，研究其作為水泥混合材的可行性。

圖1 礬土尾礦渣粒度分布

圖2 礬土尾礦渣的XRD分析圖譜

表1 原料化學(xué)成分分析，%

2 原材料及測試

2.1 試驗原料

（1）實驗所采用的原料：P·Ⅱ52.5水泥、礦渣微粉（比表面積410m2/kg）、粉煤灰（一級灰，GB/ T1596-2005）、礬土尾礦渣（生料、氧化氣氛煅燒料、還原氣氛煅燒料）、脫硫石膏等。原料化學(xué)成分分析如表1所示。

（2）礬土尾礦渣的粒度組成：用激光粒度分析儀測定了尾礦渣的顆粒組成，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，＜32μm的占71%，＜45μm的達78%。

（3）礬土尾礦渣礦物組成：對礬土尾礦渣作了XRD分析，分析圖譜見圖2。由圖2可知，生礬土尾礦渣主要含有高嶺石類（多水高嶺石、珍珠陶土、地開石等，d=9.96，3.34，2.55，3.56，7.13，4.45，2.31）、一水鋁石（d=3.98，2.31，2.13，2.07，2.55，1.63）、云母類（白云母、鉀云母、多硅鋰云母等，d=3.34，4.98）等礦物。經(jīng)800℃煅燒去除結(jié)晶水的尾礦渣主要含有氧化鋁（d=2.55，2.08，3.48，1.74）、二氧化硅（d= 3.34，1.83，2.29）、脫水高嶺石類（d=10.04，3.34，2.55，7.13，4.45，2.31）、云母類（d=3.34，4.50，2.52，5.01）等礦物。

2.2 試樣制備

（1）礬土尾礦渣處理：生尾礦渣粒度細(xì)小，通常水硬性較低，應(yīng)對其進行煅燒處理。稱取一定質(zhì)量的尾礦渣原料，加18%的水拌和均勻，在鋼模具中捶制成?60mm×~10mm的波形圓餅，在烘箱中105℃烘干。因生尾礦渣含有珍珠陶土礦物，該礦物的脫水溫度為700℃，所以設(shè)定煅燒處理溫度分別為700℃、750℃和800℃，保溫60min。尾礦渣含有部分氧化鐵成分，若在空氣中煅燒，產(chǎn)品將呈現(xiàn)暗紅色，作為混合材摻加到水泥中則水泥顯紅色，不受用戶歡迎；若在還原氣氛下煅燒，產(chǎn)品為青灰色，與水泥色澤相近，所以分別在氧化氣氛和還原氣氛下煅燒，測定其性能。

（2）水泥制備：設(shè)定礦渣粉、粉煤灰及礬土尾礦渣生料和氧化（Y）還原（H）氣氛煅燒料摻量為30%，脫硫石膏添加1.5%，P·Ⅱ52.5水泥68.5%，配比方案如表2所示。將煅燒料在試驗球磨機中研磨15min；根據(jù)設(shè)定配合比將各種原料配合，在試驗球磨機中混合15min，制得水泥備用。

2.3 性能測試

將水泥試樣按0.3水灰比加水，成型為20mm× 20mm×20mm凈漿試體，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護，分別測定3d、7d和28d各齡期的抗壓強度，用?40mm×40mm圓柱試模測定水泥的凝結(jié)時間。按照GB1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》、GB/T 8077-2000《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法》進行水泥性能測定。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 摻加不同混合材水泥的性能

測定摻加不同混合材水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時間及水泥凈漿抗壓強度，結(jié)果如表3和圖3~ 5所示。

由表3及圖3~5可見，在P·Ⅱ52.5水泥中加入礦渣微粉、粉煤灰和尾礦渣，礦渣微粉降低水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，一級粉煤灰則基本未變化，而尾礦渣本質(zhì)上屬于粘土及燒粘土類混合材，所以需水量升高。摻加礦渣微粉和粉煤灰凝結(jié)時間有所延長，而摻加尾礦渣顯著縮短了水泥的凝結(jié)時間。這些與常規(guī)結(jié)果一致。就強度而論，礦渣微粉活性最好，3d強度達到P·Ⅱ52.5水泥的77%，28d達89%；一級粉煤灰則分別為63%和73%；生尾礦渣3d為56%，28d為58%，強度較低，增長緩慢。因為生尾礦渣顆粒細(xì)小，有一定的細(xì)顆粒效應(yīng)，但其基本無水硬活性組分；煅燒尾礦渣可達到甚至超過一級粉煤灰的強度效果，尤其以800℃、還原氣氛下煅燒的為最優(yōu)，3d強度達到P·Ⅱ52.5水泥的66%，28d達到78%。由上可知，煅燒尾礦渣細(xì)度細(xì)，含有較多的活性Al2O3和SiO2，具有較好的水硬性，是良好的水泥混合材。

表2 添加不同混合材水泥的配比，%

表3 水泥的物理力學(xué)性能

圖3 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量

圖4 水泥的凝結(jié)時間

圖5 水泥凈漿抗壓強度

3.2 不同摻量尾礦渣水泥性能

設(shè)計兩種氣氛下800℃煅燒處理的礬土尾礦渣20%、30%和40%的摻加量，保持其他條件不變，E系列為還原尾礦渣，F(xiàn)系列為氧化尾礦渣，研究其對水泥性能的影響。試驗方案及結(jié)果如表4及圖6、圖7所示。

由表4及圖6、圖7可知，隨著礬土尾礦渣摻量的增加，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量逐漸增加，但增加的幅度不大。摻加20%的尾礦渣，水泥強度降低幅度較小，而凝結(jié)時間顯著縮短。即使尾礦渣摻量達40%，水泥亦呈現(xiàn)較高的整體強度。

3.3 復(fù)合摻加混合材水泥的性能

設(shè)定混合材總摻入量為40%，石膏據(jù)經(jīng)驗添加1.5%，固定水灰比為0.3，800℃煅燒，尾礦渣、礦渣微粉及粉煤灰各占50%復(fù)合摻加到P·Ⅱ52.5水泥中，探討礬土尾礦渣與其他混合材復(fù)合摻加對水泥性能的影響。配料方案與實驗結(jié)果如表5及圖8、圖9所示。

由表5及圖8、圖9看出，在混合材總摻入量（40%）不變的情況下，礬土尾礦渣與礦渣微粉、粉煤灰復(fù)合摻加的水泥相比，單一摻入尾礦渣的水泥需水量降低，而凝結(jié)時間有所延長；礬土尾礦渣與礦渣微粉雙摻的水泥比與粉煤灰雙摻的水泥強度高。對比編號B1、C1、E2和B2、C2、F2的試樣發(fā)現(xiàn)，礬土尾礦渣與礦渣微粉和粉煤灰雙摻的水泥抗壓強度均優(yōu)于單一摻加礬土尾礦渣的水泥。這里，復(fù)合增強效應(yīng)同樣存在。

表4 不同尾礦渣摻量水泥性能

圖6 E系列水泥凈漿抗壓強度

圖7 F系列水泥凈漿抗壓強度

表5 復(fù)摻混合材水泥性能

4 結(jié)語

（1）生礬土尾礦渣主要含有高嶺石類、一水鋁石、云母類等礦物，經(jīng)煅燒去除結(jié)晶水的尾礦渣主要含有氧化鋁、二氧化硅、脫水高嶺石類、云母類等礦物。

（2）生礬土尾礦渣直接摻入水泥中，水泥的強度較低。經(jīng)過煅燒處理的礬土尾礦渣作水泥混合材，水泥的凝結(jié)時間縮短，強度明顯提高，比礦渣微粉水泥稍低而優(yōu)于粉煤灰水泥，尤其以800℃還原氣氛煅燒的尾礦渣性能最優(yōu)。

（3）還原氣氛下處理的尾礦渣色澤好，為青灰色，與水泥顏色相近，而氧化氣氛下處理的尾礦渣為暗紅色，雖對性能無明顯影響，但難以為市場所認(rèn)可。

（4）尾礦渣與礦渣微粉和粉煤灰復(fù)摻的水泥性能好，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量較小，強度降低幅度小。

礬土尾礦渣作為工業(yè)廢棄物可以用作水泥混合材，不僅可提高尾礦資源的綜合利用率，解決一系列環(huán)境污染、占壓土地、安全隱患等問題，亦可降低生產(chǎn)成本，緩解礦渣及粉煤灰資源日趨緊張的局面，同時亦可減少對傳統(tǒng)自然資源的消耗，具有良好的應(yīng)用前景。

圖8 B1、C1、E2試樣抗壓強度

圖9 B2、C2、F2試樣抗壓強度

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天津院簽巴基斯坦杰拉特水泥三線項目

近日，天津院與巴基斯坦杰拉特水泥公司（Cherat Cement Company Ltd.-CCCL）在巴基斯坦卡拉奇CCCL總部簽署了杰拉特水泥6 700t/d的熟料生產(chǎn)線EP承包項目正式合同。

該項目將主要采用天津院的水泥技術(shù)和裝備，合同范圍從原料輸送到水泥包裝發(fā)運，包括工程設(shè)計，設(shè)備供貨、安裝和調(diào)試，技術(shù)指導(dǎo)等，合同工期為24個月。

杰拉特水泥公司位于巴基斯坦西北邊境省，成立于1981年，隸屬巴基斯坦Ghulam Farooque Group集團，該集團主要從事水泥等建材生產(chǎn)，屬巴基斯坦百強企業(yè)。目前擁有兩條水泥熟料生產(chǎn)線，一線3 200t/d，二線4 200t/d。這次的三線項目簽約是繼杰拉特水泥二線項目建設(shè)完成之后雙方的又一合作成果，充分體現(xiàn)了業(yè)主方對天津院設(shè)計能力及所供設(shè)備的認(rèn)可和信任。

隨著中國“一帶一路”戰(zhàn)略的逐步實施，中國與巴基斯坦的經(jīng)濟合作也越來越密切，中巴經(jīng)濟走廊的建設(shè)更是為中巴兩國企業(yè)帶來了巨大的商機。天津院緊緊抓住這一歷史機遇，積極落實中央企業(yè)“走出去”戰(zhàn)略，不斷拓展在巴基斯坦的業(yè)務(wù)和影響力，市場布局效益進一步顯現(xiàn)。本項目的簽訂對天津院進一步開拓巴基斯坦水泥承包工程市場，擴大在當(dāng)?shù)氐挠绊懥哂兄匾囊饬x。

Experimental Study on Bauxite Tailings as Cement Admixture

WU Changliang,LI Yanjun,LI Dawei,LIU Xiaocun
(College of Material Science and Engineering,Jinan University,Jinan Shandong,250022)

Effect of cement properties which using a bauxite tailings as admixture was studied.The mineral composition and the particle size distribution of the bauxite tailings were analyzed.The water demand at standard consistency,setting time and compressive strength of the bauxite tailings cement were tested.The results showed that:the original bauxite tailings contain the minerals of a class of kaolinite(halloysite,nacrite,dickite),diaspore and a class of mica(muscovite,potassium mica, polylithionite).Taking the burned bauxite tailings as admixture,the cement standard consistency was higher,the setting time was shortened obviously and the compressive strengths were a little lower than which with the fine blast furnace slag but higher than the fly ash.The burned bauxite tailings and fine blastfurnace slag and fly ash compositing together as admixture,the standard consistency was apt to decrease and the compressive strength increased.

bauxite tailings;portland cement;cement admixture;properties

TQ172.44

A

1001-6171（2017）02-0029-06

濟南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南250022；

2016-08-26；編輯：呂光