壓蒸環(huán)境下尾礦渣微粉的膠凝性能

連躍宗，張超杰，田爾布，康海鑫

(三明學院，福建三明365004)

0 引言

在采礦及加工過程中一般會產(chǎn)生20%～80%的尾礦渣，多數(shù)尾礦渣沒有得到合理利用，至今全球各類尾礦渣廢棄物約有上百億噸[1]。這些尾礦渣一般都堆積在礦山周圍，占用土地，損傷地表，污染環(huán)境。在生態(tài)文明建設已經(jīng)成為共識的今天，尾礦渣的資源化利用勢在必行。尾礦渣主要化學成分為Al2O3、SiO2、CaO、MgO等。將尾礦渣經(jīng)過磨細、篩選、再磨細等機械加工工序制成尾礦渣微粉，其比表面積可達到4 m2/g(BET多點法測得)以上，是一種填充微細孔的優(yōu)質(zhì)填料[2]。

建材行業(yè)對自然資源和能源消耗高。為有效降低水泥加工過程的高能耗，國內(nèi)外專家不斷改良水泥制品材料，將各種工業(yè)廢渣作為混合料摻入水泥制品。尾礦渣微粉應用于建材行業(yè)具有廣闊的前景。摻入礦物質(zhì)細粉可以提高水泥制品性能[3]。礦物質(zhì)細粉可以填充孔隙，降低孔隙率，改善孔隙結(jié)構[4]，提高水泥制品的整體強度和耐久性。尾礦渣微粉可以作為水泥制品的填充料。目前國內(nèi)外關于水泥摻加尾礦渣微粉后的性能研究較少，對壓蒸環(huán)境下水泥的膠凝性能的研究更少。鑒于此，本項目采用壓蒸工藝，將尾礦渣微粉作為膠凝材料應用于水泥制品，研究尾礦渣微粉摻量對水泥制品性能的影響。

1 試驗材料與比表面積分析

1.1 試驗材料

1)水泥：本項目采用的水泥為福建紅獅牌P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其成分見表1。

表1 水泥化學成分 %

2)細骨料：本項目采用的細骨料為福建三明沙溪河河沙，經(jīng)分析為中沙，其物理性能見表2。

表2 細骨料物理性能

3)粗骨料：本項目采用的粗骨料為碎石，其物理性能見表3。

表3 粗骨料物理性能

4)尾礦渣微粉：本項目采用的尾礦渣在福建三明某尾礦區(qū)采集，尾礦渣微粉通過多道機械加工研磨制得。將該尾礦渣微粉委托福建某地質(zhì)勘探研究所進行成分分析，其成分見表4。

表4 尾礦渣微粉化學成分 %

采用以下儀器設備對尾礦渣微粉進行物理性能分析：容量瓶、電子天平、全自動比表面及孔徑分析儀(貝士德3H-2000PS系列)、馬弗爐、電子定溫烘箱等。尾礦渣微粉的物理性能見表5。

表5 尾礦渣微粉的物理性能

1.2 比表面積測定與分析

考慮尾礦渣微粉的外表特性,選用BET多點法進行微粉比表面積測定。該方法是由布朗諾爾(Brunauer)、艾米特(Emmett)、泰勒(Teller)提出。他們提出了多分子層吸附模型,并建立起相應的吸附等溫曲線方程(BET方程)[5]。BET模型假設：①吸附劑表面能量是均勻的；②被吸附分子間的作用力不可忽略不計；③固體吸附劑對吸附質(zhì)的吸附可以是多層的；④自第2層至第n層(n→∞),各層的吸附熱等于吸附質(zhì)的液化熱。實驗儀器采用全自動表面及孔徑分析儀,如圖1所示。實驗曲線、實驗結(jié)果分別如圖2、表6所示。

另外,用同樣方法測得水泥比表面積為3.050 m2/g。從細度而言,尾礦渣微粉較水泥細,取代部分水泥作為水泥制品的填充物,在理論上可行。

圖1 全自動比表面及孔徑分析儀

圖2 BET多點法擬合曲線

斜率a相關系數(shù)r截距bBET常數(shù)C比表面積/(m2·g-1)1.0620.9990.02249.24.023

注：p/p0取0.040～0.320

2 配合比設計及試驗方法

2.1 配合比設計

通過分析不同摻量尾礦渣微粉的水泥凈漿的擴展度、抗壓強度等性能，最終確定配合比(表7為尾礦渣微粉-水泥砂漿配合比、表8為尾礦渣微粉-混凝土配合比)，進行本課題的相關研究。

2.2 試驗方法

1)尾礦渣微粉-水泥砂漿試件的制備。按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)要求，進行膠砂制備與強度試驗。制作40 mm×40 mm×160 mm膠砂試件，將試件置于實驗室標準養(yǎng)護箱1 d后進行脫模，脫模后的膠砂試件分成兩部分，一部分留在標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護，另一部分立即放入壓蒸釜中，進行壓蒸環(huán)境下的養(yǎng)護。

表7 尾礦渣微粉-水泥砂漿配合比

表8 尾礦渣微粉-混凝土配合比

2)尾礦渣微粉-混凝土試件的制備。按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)要求，進行混凝土立方體試件制備與強度試驗。制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件[6-7]，將試件置于實驗室標準養(yǎng)護箱1 d后進行脫模，脫模后的混凝土試件分成兩部分，一部分留在標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護，另一部分立即放入壓蒸釜中，進行壓蒸環(huán)境下的養(yǎng)護。

3)壓蒸環(huán)境的養(yǎng)護。試件放入壓蒸釜中，進行抽真空處理，然后打開升壓閥使釜內(nèi)壓力在0.5 h內(nèi)逐漸升到0.3 MPa。在0.3 MPa壓力下穩(wěn)壓1 h，使試件內(nèi)部均勻充入蒸汽，防止試件因內(nèi)外溫差而產(chǎn)生裂縫，影響后期試驗結(jié)果。穩(wěn)壓后在1.5 h內(nèi)壓力升到1.0 MPa(此時溫度達176.4 ℃)，在1.0 MPa下穩(wěn)壓1 h，繼續(xù)升壓到2.0 MPa，溫度感應裝置顯示，此時壓蒸釜內(nèi)部溫度達到215.3 ℃。在此壓力與溫度下，恒溫恒壓6～8 h，每隔2 h檢查1次壓蒸釜排水裝置、壓力、溫度等情況[8-9]。最后進行導氣泄壓處理，在1.5 h內(nèi)將壓蒸釜內(nèi)部壓力降至0.3～0.5 MPa，并在1 h內(nèi)降為零，取出試件，進行相關力學性能測試。

3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 尾礦渣微粉-水泥膠砂試驗

對各組試驗數(shù)據(jù)進行整理計算，并對各組有效數(shù)據(jù)取平均作為該組試件的強度試驗測定值，尾礦渣微粉-水泥砂漿強度試驗結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 尾礦渣微粉摻量對抗折強度的影響

圖4 尾礦渣微粉摻量對抗壓強度的影響

可以看出，在標準養(yǎng)護條件下，3 d抗折強度隨著尾礦渣微粉摻量的增加先增加后降低，7 d、28 d抗折強度隨著尾礦渣微粉摻量增加而降低，3 d、7 d、28 d抗壓強度隨著尾礦渣微粉摻量增加而降低。在壓蒸環(huán)境下，當尾礦渣微粉摻量不超20%時，強度隨摻量增加而提高，若摻量超過20%時，強度隨摻量增加而降低；壓蒸環(huán)境下的試件強度較標準養(yǎng)護條件下的高。其主要原因可能是：當尾礦渣微粉摻量達到20%時，在壓蒸環(huán)境下，力學性能較其余摻量時更佳，尾礦渣微粉的活性被激發(fā)[10]，其主要成分SiO2參與水化反應，使水泥漿體產(chǎn)生大量的CSH凝膠，從而可以較好地填充水泥制品內(nèi)部的空隙，改善水泥制品內(nèi)部孔徑分布和幾何形狀。尾礦渣微粉過少或過多，尾礦渣微粉或其水化產(chǎn)生CSH凝膠都不能很好地填充水泥制品的內(nèi)部孔隙?？梢?，適量的尾礦渣微粉對改善水泥制品內(nèi)部細孔結(jié)構、增加水泥制品的密實度是有利的，可以提高水泥制品的強度等力學性能。

3.2 尾礦渣微粉-混凝土試驗

對各組的試驗數(shù)據(jù)進行整理計算，并對各組有效數(shù)據(jù)取平均作為該組試件的強度試驗測定值，尾礦渣微粉-混凝土強度試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 尾礦渣微粉-混凝土抗壓強度的影響

可以看出，在標準養(yǎng)護條件下，28 d抗壓強度隨著尾礦渣微粉摻量增加而逐漸降低；相同尾礦渣微粉摻量的情況下，壓蒸環(huán)境與標準養(yǎng)護條件對比，壓蒸環(huán)境下的試件強度明顯較高；當尾礦渣微粉摻量不超過20%時，在壓蒸環(huán)境下，水泥制品力學性能較其余摻量時更佳。其主要原因可能是：在壓蒸環(huán)境下，尾礦渣微粉的活性被激發(fā)，其主要成分SiO2參與水化反應，生成水化硅酸鈣凝膠，在混凝土硬化過程中填充細小孔隙；當摻量超過20%時，尾礦渣微粉的水化反應及填充效應對漿體水化硬化的增益作用小于其對漿體硬化的削弱作用，使得水泥制品強度大幅度降低。因此，從尾礦渣微粉利用率最大化考慮，其最大摻宜為20%。

4 結(jié)語

本文通過利用尾礦渣微粉取代水泥在壓蒸環(huán)境下進行膠凝材料膠砂、混凝土的力學實驗，可以得出如下結(jié)論。

1)在壓蒸環(huán)境下(2 MPa，215 ℃)，尾礦渣微粉的活性被顯著激發(fā)，使其主要成分SiO2參與水化反應，從而形成大量的水化硅酸鈣凝膠，提高整體水泥制品強度。

2)在壓蒸環(huán)境下，當尾礦渣微粉的摻量為20%時，水泥制品可以得到較高的抗折、抗壓強度，即20%摻量較為合適。

3)尾礦渣微粉可作為水泥制品的填充料，能有效提高水泥制品的相關力學性能。