大比例摻用鐵尾礦制備輕質(zhì)保溫墻體材料*

喻 杰 柯昌云 喻振賢 李 匯 姜玉鳳 陳 躍

(1.中國十五冶金建設有限公司技術中心;2.湖北理工學院)

礦產(chǎn)資源開發(fā)利用會產(chǎn)生大量的尾礦，這些尾礦的堆存不僅占用大量的土地，污染土壤和下游水體，而且需要較高的維護運行費用。發(fā)達的西方經(jīng)濟強國在尾礦綜合利用方面已取得顯著成就［1-2］，尾礦的處置也已成為我國相關政府部門和企業(yè)關注的熱點［3-4］。目前用鐵尾礦制備墻體材料大都存在以下不足:①由于未對鐵尾礦的活性進行有效激發(fā)，墻體材料的力學性能不理想;②摻入大量江砂等材料，導致制備工藝復雜，設備投入較多、運行費用較高;③鐵尾礦摻加比例不大，資源化程度不高［5-7］。

隨著我國城鎮(zhèn)化的深入、地價的上升以及建筑抗震等級的提高，框架結(jié)構建筑物比例越來越高，市場對非承重、低容重、隔熱保溫墻體材料的需求也日益旺盛。摻加鐵尾礦制備的輕質(zhì)、保溫、高力學強度、低成本的保溫磚就有了潛力巨大的市場。因此，有效激發(fā)鐵尾礦的活性，提高鐵尾礦摻用比例，減少水泥和江砂的用量，控制制磚生產(chǎn)成本就成了節(jié)能減排、降本增效的有效手段。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料

試驗用鐵尾礦為湖北黃石市靈鄉(xiāng)鐵礦鐵尾礦，堆積密度2 000～2 200 kg/m3，主要化學成分分析結(jié)果見表1，粒度分析結(jié)果見表2;水泥為湖北華新水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥;膨脹珍珠巖為市售品;鐵尾礦活性激發(fā)劑為自配。

表1 鐵尾礦主要化學成分分析結(jié)果 %

表2 鐵尾礦的粒度組成

1.2 試驗儀器

NYL－300系列抗壓及抗折試驗機均為無錫市建材儀器機械廠生產(chǎn);ZT－96振動臺、ISO－679攪拌機為無錫市錫鼎建工儀器廠生產(chǎn);HBY－40A標準養(yǎng)護箱為無錫市建筑儀器公司生產(chǎn);Axios－PW4400波長色散型熒光光譜儀、DMAX－RB轉(zhuǎn)靶多晶體X射線衍射儀為荷蘭帕納科公司生產(chǎn);JSM－5610LV掃描電子顯微鏡為日本電子株式會社生產(chǎn);DRH－Ⅲ導熱系數(shù)測定儀為湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn)。

2 試驗方法

將試驗原料水泥、鐵尾礦、激發(fā)劑、膨脹珍珠巖按一定的質(zhì)量比混合，添加一定量的水后在攪拌反應器中攪拌8min，在40mm×40mm×160mm的模具中振實成型，試件在標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28 d，依照GB/T 17671—1999、GB 6486—1985、GB 10294—88分別檢測各組試件的抗壓強度、容重和導熱系數(shù)。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 水灰比的確定

水灰比試驗的水泥、鐵尾礦、激發(fā)劑、膨脹珍珠巖的質(zhì)量比為1∶2.5∶0.25∶0.63，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 水灰比對試件性能的影響

從圖1可以看出，隨著水灰比的提高，試件的抗壓強度、容重、導熱系數(shù)均先上升后下降，轉(zhuǎn)折點在水灰比為0.8時，對應的容重、導熱系數(shù)不超標，且試件的抗壓強度最高，因此確定水灰比為0.8。

水灰比不足，原料吸水不充分，達不到物料填模所需的流動性，且影響試件的早期水化，因而試件抗壓強度較低;水灰比過大，試件密實程度降低，也影響試件的強度。

普通水泥試件合適的水灰比為0.5，本試驗試件水灰比較高是由于水泥在試件原料中所占比例較低，鐵尾礦粒度較細、比表面積較大、吸濕性較強，且輕質(zhì)、非釉化膨脹珍珠巖吸水率較大等因素所致。

3.2 激發(fā)劑用量的確定

鐵尾礦主要化學成分是鐵、硅、鎂、鈣、鋁的氧化物，與普通砂巖相比，F(xiàn)e2O3含量較高，堿性環(huán)境下，鐵尾礦非結(jié)晶玻璃相中的活性SiO2、Fe2O3、Al2O3能產(chǎn)生溶解水化反應，并與Ca(OH)2反應形成以Si、Al、Fe為主要成分的非晶態(tài)鋁(鐵)硅酸鹽［8］。因此，本試驗以堿性物質(zhì)作為試驗尾礦的激發(fā)劑。

激發(fā)劑用量(對鐵尾礦的質(zhì)量分數(shù))試驗維持水泥、鐵尾礦、膨脹珍珠巖的質(zhì)量比為1∶2.5∶0.63，水灰比為0.8，試驗結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，隨著激發(fā)劑摻量的增加，試件28 d的抗壓強度、容重、導熱系數(shù)均先上升后趨于穩(wěn)定。因此，確定激發(fā)劑的摻量為鐵尾礦用量的10%，即水泥質(zhì)量的0.25倍。

試驗結(jié)果表明，激發(fā)劑的摻入既不影響水泥的正常水化，又可顯著提高鐵尾礦的活性，實現(xiàn)對鐵尾礦中Fe2O3的有效利用，為減少水泥用量、降低鐵尾礦輕質(zhì)保溫材料的制備成本創(chuàng)造條件。

3.3 膨脹珍珠巖摻量的確定

膨脹珍珠巖屬質(zhì)輕、多孔材料，以原料摻入墻體材料中可降低墻體的容重，提高墻體的保溫、隔熱效果。膨脹珍珠巖摻量試驗的水泥、鐵尾礦、激發(fā)劑的質(zhì)量比為1∶2.5∶0.25，水灰比為0.8，試驗結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，隨著膨脹珍珠巖摻量的增加，試件28 d的抗壓強度、導熱系數(shù)和容重不同程度下降，其中抗壓強度下降最明顯。膨脹珍珠巖摻量的增加也就意味著在試件中的體積占比提高，膠凝物相對量下降，試件孔隙增多，因而試件的抗壓強度、容重和導熱系數(shù)下降。綜合考慮，確定膨脹珍珠巖的摻量為水泥+鐵尾礦質(zhì)量的18%，即膨脹珍珠巖的摻量為水泥用量的0.63倍。

3.4 鐵尾礦摻量的確定

鐵尾礦摻量試驗的水泥、膨脹珍珠巖的質(zhì)量比為1∶0.63，激發(fā)劑摻量取鐵尾礦用量的10%，水灰比為0.8，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 鐵尾礦用量對試件性能的影響

從圖4可以看出，隨著鐵尾礦用量的增加，試件28 d的抗壓強度、容重和導熱系數(shù)不同程度下降，其中抗壓強度下降最顯著、導熱系數(shù)次之、容重下降幅度最小。鐵尾礦用量的增加意味著水泥相對量的下降，因而影響試件的膠結(jié)強度，降低物料填充時的流動性和試件密實度。綜合考慮，確定鐵尾礦的摻量為混合料的48%，即水泥用量的2.5倍，對應試件的抗壓強度為5.36 MPa、容重為863 kg/m3、導熱系數(shù)為0.138W/(m·k)。為了最大限度地摻加鐵尾礦，實際生產(chǎn)過程中應根據(jù)尾礦性質(zhì)的變化進行調(diào)整，同時微調(diào)尾礦及激發(fā)劑的摻量。

4 試件微觀分析

4.1 試件的SEM分析

按試驗確定的原料組分所得試件的內(nèi)部SEM照片見圖5。

從圖5可以看出，試件內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構，既有大量的宏觀孔，也有大量的微細孔，膨脹珍珠巖顆粒、微粒纖維、晶粒隱約可見，但不規(guī)則。這是因為，隨著水化的不斷進行，水化物不斷填充空隙，水化空間不斷縮小，原始大孔多被水化物等填充、交織或膠結(jié)，孔洞明顯縮小。試件中充斥著絮凝狀C－S－H凝膠，樣品中的鐵尾礦等組分顆粒因被侵蝕而表面變得粗糙，許多小孔和水化產(chǎn)物覆蓋其表面，說明鐵尾礦顆粒參與了水化反應。

圖5 28 d試件的SEM圖片

圖5中層狀的為CH晶體，立方體小顆粒可能是碳化產(chǎn)生的CaCO3晶體，球形顆粒可能為未水化完全的水泥顆粒和鐵尾礦顆粒，而白色帶毛須狀的則是膨脹珍珠巖顆粒。

水泥的水化反應和鐵尾礦激發(fā)后的系列反應產(chǎn)生了以C－S－H為主要成分的系列水化產(chǎn)物，這些水化物結(jié)構緊湊，膠結(jié)著鐵尾礦骨料顆粒和膨脹珍珠巖等，使試件保持試模的形狀，并具備足夠的機械強度、較小的試件密度和導熱性能。

4.2 試件的XRD分析

按試驗確定的原料組分所得試件的XRD衍射圖譜見圖6。

圖6 試件的XRD圖譜

從圖6可以看出，試件的主要物相為方解石、石英、Ca(OH)2、白云石，赤鐵礦、C3S、長石等少量;主晶相為方解石、其次是C－S－H、石英，剩余的是原料的殘留相，如赤鐵礦、長石等。

相關研究表明，C－S－H凝膠的組成受多種因素的影響，在水化良好的情況下，C－S－H凝膠的組成可大致用Cx－S－Hx－0.5表示，水化產(chǎn)物主要是C2SH(C)、2CaO·SiO2·(2～4)H2O［9］。在標準養(yǎng)護過程中，水泥熟料快速水化生成C－S－H凝膠，并生成大量Ca(OH)2，在激發(fā)劑的共同作用下，鐵尾礦中活性粉末參與反應，隨著鈣硅比下降，水化速度降低，水化產(chǎn)物將體系內(nèi)空間填充成緊湊結(jié)構，既保證了產(chǎn)品的力學性能，又控制了容重。

5 結(jié)論

(1)試驗用激發(fā)劑對鐵尾礦具有顯著的活性激發(fā)作用，能顯著提高試件的抗壓強度，從而增加鐵尾礦的摻量，降低原料成本。

(2)當水泥、鐵尾礦、激發(fā)劑、膨脹珍珠巖的質(zhì)量比為1∶2.5∶0.25∶0.63，水灰比為0.8時，試件表面平整、均勻、無開裂，28 d的抗壓強度＞5 MPa、容重＜900 kg/m3、導熱系數(shù)＜0.231 W/(m·k)，滿足輕質(zhì)保溫墻體材料的性能要求，是各類非承重墻及屋頂隔熱層的價廉物美用材。

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