鐵尾礦在水泥基材料中應(yīng)用的研究進(jìn)展

郭增，常智慧，王偉，劉天水

（1. 商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西 商洛726000；2. 陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（商洛學(xué)院），陜西商洛726000）

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)破碎、磨礦、分選等選礦工藝后排放的固體廢物[1]，與天然砂成分相似[2]，其堅(jiān)固性、密度和壓碎指標(biāo)等都符合建筑用砂要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有尾礦庫(kù)10000 余座，尾礦堆存近50 億t[3]。

尾礦的大量堆存會(huì)占用大量的土地資源并污染環(huán)境，進(jìn)而嚴(yán)重威脅下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此需要開展尾礦綜合利用，提高鐵尾礦利用效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的資源化利用。而鐵尾礦經(jīng)熱活化、化學(xué)活化和機(jī)械力活化，具有一定的活化性能，可在水泥基材料中應(yīng)用，是鐵尾礦資源化利用的重要途徑之一。文中綜述了鐵尾礦在水泥基材料中的應(yīng)用進(jìn)展，并進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 鐵尾礦在水泥中的應(yīng)用

1.1 鐵尾礦作原料煅燒熟料

水泥熟料主要由C3S，C2S，C3A 及C4AF 等組成[5]，其中C3S 能促使產(chǎn)生含有較多OH+的Ca（OH）2在鋼筋表層形成鈍化膜，防止其不被Cl-及空氣侵蝕，保證了鋼筋和混凝土的緊密性，進(jìn)而提高了力學(xué)性能[6]。但C3S 的形成需要較高溫度和一定時(shí)間，因此研究合適配比的尾礦摻量和外加劑種類以降低水泥生產(chǎn)能耗是目前的重要課題。王金忠等[7]以鐵尾礦制備水泥發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦中的微量元素能促進(jìn)碳酸鹽和鹽酸鹽分解，對(duì)C2S 吸收f(shuō)-CaO 生成C3S 的反應(yīng)有促進(jìn)作用，使得熟料的結(jié)晶溫度降低，進(jìn)而使得生料的易燒性得到改善，降低了熟料的能耗；羅力等[8]用石灰石、石英砂和鐵尾礦制備水泥熟料，研究發(fā)現(xiàn)鐵尾礦硅鋁質(zhì)成分會(huì)降低水泥燒結(jié)中堿性成分的生成，極大地降低了煅燒溫度和能耗，減少成本；徐慶榮[9]等用鐵尾礦制備硅酸鹽水泥熟料，通過(guò)試驗(yàn)確定了最佳工藝為：鐵尾礦、鋼渣和石灰粉按17∶13∶70 的比例在1400 ℃煅燒25 min，減少了熟料生產(chǎn)的能耗，從而降低了生產(chǎn)成本；鄭永超[10]等用鐵尾礦制備BSAC，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝為：煅燒石灰石、礬土、氧化鋁、鐵尾礦、二水石膏按48∶17∶15∶10∶10 的比例，在1350 ℃煅燒20 min 后加入8%的天然石膏和石灰石制成水泥，再按1∶3 的膠砂比、0.6 的水膠比制備膠砂試塊，試塊的28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)52.5 MPa；這些水泥熟料的制備，在大量資源化利用鐵尾礦的同時(shí)，使得熟料的生產(chǎn)條件向低溫煅燒、環(huán)境影響較低等環(huán)境友好方向發(fā)展，也是鐵尾礦資源綜合利用及循環(huán)經(jīng)濟(jì)所鼓勵(lì)發(fā)展的方向。

1.2 鐵尾礦作水泥摻合料

鐵尾礦通常具有較高的硅含量[11]，SiO2，Al2O3和Fe2O3的含量高達(dá)85%，Na2O，K2O，CaO，MgO 等含量較少，燒失量較低，且SO3成分含量極低不易產(chǎn)生污染。由于其具有的可激發(fā)性及化學(xué)成分的特殊性等，可先采用機(jī)械力活化、熱活化和化學(xué)活化的方法激發(fā)其潛在活性，之后再與堿性物質(zhì)反應(yīng)用作水泥混合材料[12]。蒙朝美等[13]用機(jī)械力對(duì)某礦區(qū)的高硅鐵尾礦進(jìn)行活化，發(fā)現(xiàn)機(jī)械力可以鐵尾礦晶體結(jié)構(gòu)而使得顆粒結(jié)晶度降低，同時(shí)使得顆粒比表面積增加，粉磨3.5 h 后制得的膠砂試塊的28 d 強(qiáng)度比為81.7%，具有火山灰活性，證實(shí)了粉磨后的尾礦可作為輔助膠凝材料用于制備混凝土；劉駿超等[14]將不同細(xì)度的鐵尾礦引入減水劑-水泥體系中，研究發(fā)現(xiàn)：尾礦顆粒越細(xì)，比表面積增大，能夠吸附更多游離水，減水劑的摻入使尾礦更分散，使凈漿流動(dòng)度有效提高；王喜剛等[15]摻入鐵尾礦制備水泥改良土，研究發(fā)現(xiàn)：鐵尾礦可提高水泥改良土的強(qiáng)度且最佳摻入量為4%；劉晶磊等[16]用鐵尾礦和水泥制備出高強(qiáng)度路面基層材料，發(fā)現(xiàn)水泥摻量比例與材料的抗壓強(qiáng)度有明顯的正相關(guān)關(guān)系，高壓實(shí)度的情況下材料各組分之間更加密實(shí)，受力分布更加均勻，能夠提高水泥材料的空間骨架強(qiáng)度，并建立了相關(guān)表征參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，為后續(xù)相關(guān)的研究提供了參考。

2 鐵尾礦在混凝土中的應(yīng)用

鐵尾礦屬硅質(zhì)材料且經(jīng)過(guò)選礦加工后其粒度范圍較小，與混凝土摻合，各粒級(jí)的顆粒物之間存在互相填充的作用，且可減少填充水使混凝土微結(jié)構(gòu)更加均勻密實(shí)[17]，在節(jié)約水泥的同時(shí)，提高了抗?jié)B性且避免了泌水離析現(xiàn)象。

張偉[18]研究了鐵尾礦-粉煤灰-礦渣復(fù)合摻合料對(duì)混凝土的影響，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦的微集料效應(yīng)可有效提高混凝土工作性能；彭鏈[19]研究鐵尾礦活性激發(fā)及膠凝材料制備技術(shù)發(fā)現(xiàn)：提高鐵尾礦活性最有效的手段是堿熔，最佳組合是NaOH 和鐵尾礦按1.1 的質(zhì)量比在350 ℃煅燒60 min，此條件下激發(fā)的鐵尾礦制備的膠凝材料平均強(qiáng)度達(dá)到8.13 MPa；狄燕清等[20]用鐵尾礦摻和高爐渣、脫硫石膏等制備混凝土試樣，研究發(fā)現(xiàn)較低細(xì)度的鐵尾礦能改善試樣的骨料級(jí)配從而降低混凝土塌落度；張秀之[21]等用鐵尾礦和機(jī)制砂制備混凝土，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦能與顆粒較粗的機(jī)制砂形成連續(xù)級(jí)配效應(yīng)，促使各物料級(jí)別接觸點(diǎn)與受力點(diǎn)增多，進(jìn)而在混凝土內(nèi)部形成能夠承壓受力的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有助于提升混凝土的工作性能。

3 鐵尾礦在墻體材料中的應(yīng)用

以尾礦作為墻體材料的原料能夠提高墻體材料的綜合性能，并能有效降低傳統(tǒng)墻體材料帶來(lái)的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。汪飛等[22]用水泥、鐵尾礦、PS 顆粒和膨脹材料制備輕質(zhì)隔熱墻材，研究表明：鐵尾礦經(jīng)激發(fā)后活性大大改善，產(chǎn)品28 d 抗壓強(qiáng)度3.0 MPa，容重為1000 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.231 W（/m·K）；喻振賢等[23]用水泥、鐵尾礦等制備輕質(zhì)保溫墻材發(fā)現(xiàn)：堿激發(fā)劑對(duì)鐵尾礦活性激發(fā)效果顯著，水泥、鐵尾礦、膨脹珍珠巖和激發(fā)劑按1∶2.5∶0.63∶0.25 的質(zhì)量比、0.8 的水灰比時(shí)，輕質(zhì)保溫墻材的28 d 抗壓強(qiáng)度＞5 MPa、容重＜900 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)＜0.231 W/（m·K），完全滿足輕質(zhì)保溫墻材的性能要求；周勛南等[24]研究發(fā)現(xiàn)鐵尾礦細(xì)度優(yōu)勢(shì)能使尾礦免燒磚制備過(guò)程中級(jí)配良好、凝聚力提升；云正等[25]用氣化爐渣與鐵尾礦、粘土采用擠出成型法制備燒結(jié)，墻體材料發(fā)現(xiàn)：添加20%的氣化爐渣在950 ℃燒結(jié)，制成密度＜1.45 g/cm3、導(dǎo)熱系數(shù)＜0.23 W/（m·K）、抗壓強(qiáng)度＞30 MPa 的墻體材料。

4 結(jié)語(yǔ)和展望

鐵尾礦經(jīng)活化作為摻合料用于混凝土、水泥和墻體材料是提高其利用效率的一種有效手段，可極大地緩解水泥基建材生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題和能耗問(wèn)題，并提高其抗壓強(qiáng)度、容重、導(dǎo)熱等物理性能，帶來(lái)了良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。但在水泥基材料中的大摻量應(yīng)用有待進(jìn)一步研究，除了對(duì)水泥基摻合材料的力學(xué)性能研究以外，仍然有更多未涉及的領(lǐng)域需要深入論證探討，并擴(kuò)展研究材料范圍。