磨細高硅型鐵尾礦對混凝土抗壓強度影響試驗

蒙朝美,蔣志剛,侯文帥,戰曉菁

(1.國防科學技術大學 指揮軍官基礎教育學院,湖南 長沙 410073;2.東北大學 資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

磨細高硅型鐵尾礦對混凝土抗壓強度影響試驗

蒙朝美1,蔣志剛1,侯文帥2,戰曉菁2

(1.國防科學技術大學 指揮軍官基礎教育學院,湖南 長沙 410073;2.東北大學 資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

摘要:指出了利用尾礦制備建筑材料是尾礦綜合利用的最重要途徑,粉磨后的高硅型鐵尾礦可作為輔助膠凝材料用于制備混凝土。將遼寧某礦山高硅型鐵尾礦進行機械力活化后用于混凝土輔助膠凝材料,實驗結果表明:粉磨3.5h后,未摻減水劑時,尾礦對水泥取代量為37%時能達到C30混凝土強度等級;當摻有高強減水劑時,尾礦對水泥取代量為48%時還能達到C30混凝土強度等級。

關鍵詞:高硅型鐵尾礦;機械力活化;抗壓強度;輔助膠凝材料

1引言

礦產資源是人類生存和發展的重要物質基礎之一,其主要特點是不可再生性和短期內不可替代性,我國90%的能源和80%的原材料來自礦產資源[1]。隨著生產力的發展,人類利用礦產資源的種類、數量愈來愈多,利用范圍愈來愈廣。據不完全統計,我國由于礦產資源開發而產生的尾礦累積堆存量己超過100億t,且正以12億t/年左右的速度增長,但是年綜合利用量不足2億t[2,3]。礦產資源開發過程中丟棄的大量廢石和尾礦帶來了嚴重的環境污染,礦業固體廢料是當今世界可持續發展面臨的重要的問題之一,并已經成為我國礦業經濟和礦業城市可持續發展的瓶頸問題[4]。

目前尾礦的綜合利用途徑主要包括三個方面:一是尾礦作為二次資源再選,提取殘余或伴生有價組分,利用尾礦回收有用金屬和礦物:二是將尾礦作為礦山地下開采采空區的充填料:三是用尾礦制備建筑材料。由于尾礦屬低價值原料,只有大量應用才能體現經濟效益,因此利用尾礦制備建筑材料是尾礦綜合利用的最重要途徑之一[5]。目前,利用尾礦生產的建筑材料主要是建筑用砂、尾礦磚及砌塊類等,其中尾礦只是起到簡單的物理填充作用,尾礦的利用率偏低,附加值也比較低。

混凝土是當今世界上用量最大的建筑材料,每年消耗量在100億t以上[6]。據估計,到2050年混凝土的年消耗量將達到180億t左右[7]。水泥作為膠凝材料,是制備混凝土的核心材料。但是,硅酸鹽水泥的生產對生態有害,不僅需要開采礦石,還會向大氣排放大量的CO2;另外,大量工業廢料(如粉煤灰、硅灰或礦渣)需要處理。

因此,在混凝土中摻加輔助材料便具有不可替代的社會效益。根據混凝土的凝結、硬化原理和輔助膠凝材料的性質,如果能激發高硅型鐵尾礦的活性,將高硅型鐵尾礦作為輔助膠凝材料,不僅能減少水泥的用量,而且還可以有效利用礦業垃圾,將具有良好的社會效益。本文采用遼寧省某礦山高硅型鐵尾礦,進行機械力活化后用于混凝土輔助膠凝材料,實驗得到了C30混凝土,研究了其抗壓性能。

2實驗配合比

以配制C30級混凝土為例,研究高硅型鐵尾礦混凝土的抗壓強度,實驗的配合比見表1。其中:水泥為42.5普通硅酸鹽水泥,其技術指標見表2;水為自來水;粗骨料(碎石)取自于沈陽健暉混凝土攪拌站,堆積密度2940kg/m3,粒徑2.5~32.5mm,連續級配,篩分結果見表3;細骨料(砂)也取于沈陽健暉混凝土攪拌站,含水率3.6%,堆積密度2630kg/m3,細度模數2.72,屬于2區中砂,篩分結果見表4;減水劑為聚梭酸高效減水劑,適宜摻量為0.3%~1%,減水率為18%~30%;尾礦粉為遼寧省某礦山高硅型鐵尾礦經過3.5h球磨得到的活化尾礦粉。

表1　混凝土配合比　kg/m3

表2　水泥技術指標

表3　粗骨料粒徑分配情況

表4　細骨料粒徑分配情況

經過對尾礦顆粒進行SEM分析表明,尾礦顆粒成碎石狀,分布較均勻?；瘜W礦物分析表明,尾礦主要化學成分是SiO2、Fe2O3、Al2O3和MgO,主要礦物成分為石英,且結晶程度很高,粒徑主要分布在120μm附近,無火山灰活性。對比粉煤灰等輔助膠凝材料的性能,高硅型鐵尾礦的粒徑太大,石英等礦物的結晶程度太高,尾礦的活性很低,尾礦摻量為30%的28d水泥膠砂強度比僅為43.5%。因此,采用SYM-水泥實驗磨機,以球料比15∶1對該尾礦進行機械粉磨[8]。在鋼球的撞擊作用下,尾礦顆粒受擊破裂、細化、物料比表面積增大[9,10],球磨至3.5h尾礦顆粒平均粒徑達到10μm以下,活性可能達到最高:此后顆粒粒徑呈增大趨勢,即尾礦顆粒出現團聚粗化現象。不同粉磨時間的尾礦粉粒徑分析結果見圖1。

圖1　不同粉磨時間該尾礦的平均粒徑

為了進一步探討粉磨后尾礦的活性,依據《用于水泥混合材的工業廢渣活性試驗方法》(GB/T 12957-2005),進行了水泥膠砂28d抗壓強度比試驗,結果見表5。由試驗結果可知,經過3.5h的粉磨,該尾礦水泥膠砂28d抗壓強度比大大提高,由未粉磨的43.5%提高到81.7%。由此可知,機械力活化激發了尾礦的活性,高硅型鐵尾礦可以作為輔助膠凝材料,用于制備混凝土。

表5　水泥膠砂28d抗壓強度　MPa

3抗壓強度實驗結果與分析

依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行標準立方體抗壓強度實驗,每組6個混凝土試塊,分別用于測定3d和28d抗壓強度,共設計10組實驗、60個混凝土標準試塊,在標準養護條件下養護3d和28d,分別測定其抗壓強度。每組混凝土的抗壓強度取3個試塊的平均值,結果見圖2~圖4。

圖2表明,隨著鐵尾礦粉對水泥取代量的增加,立方體抗壓強度逐漸降低:未摻減水劑時,尾礦對水泥取代量為37%時能達到C30混凝土強度等級:當摻有高強減水劑時,尾礦對水泥取代量為48%時還能達到C30混凝土強度等級。

圖2　不同尾礦粉摻量混凝土28d抗壓強度

圖3　不加減水劑時不同齡期混凝土抗壓強度

圖4　加減水劑時不同齡期混凝土抗壓強度

圖5　不同尾礦取代量下混凝土的密度

圖3和圖4表明,鐵尾礦粉部分取代水泥后,混凝土的早期強度降低很明顯,當尾礦對水泥的取代量為40%時,不加減水劑時3d抗壓強度僅為基準組的54.5%;引入高效減水劑后3d抗壓強度也僅為基準組的64.4%,抗壓強度提高不明顯。早期強度降低的原因可能是隨著尾礦對水泥取代量的增加,早期參與水化的水泥百分比減少,水化產物減少,尾礦粉中的活性SiO2很少與水泥水化反應產生的Ca(OH)2發生反應,鐵尾礦粉在混凝土中僅起到了物理填充作用,混凝土試塊中的膠凝材料較少。圖3和圖4還表明,摻加尾礦的混凝土強度后期增長較基準組快。這是由于隨著混凝土齡期的增加,尾礦粉中的SiO2等活性物質與水泥水化產物發生了二次反應,生成水化硅酸鈣,促進了混凝土強度的增長。陳夢義等[11]研究表明,尾礦的活性在蒸壓養護條件表現更明顯,對混凝土的增強效應更顯著。因此,鐵尾礦中的活性產物的作用效應主要表現在后期,且作用效果比較明顯,后期抗壓強度增長較快。

綜上所述,就強度因素而言,粉磨后的高硅型鐵尾礦粉可以作為混凝土輔助膠凝材料,用于制備早期強度要求不高的混凝土。

圖5給出了尾礦混凝土的密度變化趨勢,在一定范圍內,隨著尾礦含量的增加,尾礦混凝土的密度增大。其原因是活化后的尾礦能夠與水泥漿中Ca(OH)2反應,生成致密的水化硅酸鈣等凝膠體,改善了混凝土的內部孔結構:另外,粉磨后的尾礦粒徑達到了微米級,甚至存在納米級的顆粒,因此具有良好的物理填充作用,即微集料效應,所以尾礦混凝土的密的密度在一定范圍內有增大的現象。

圖6和圖7分別給出了無尾礦和有尾礦水泥漿體的28dSEM圖。對比圖6和圖7可見,28d水泥漿體中水泥的水化程度較高,水泥凈漿中有大量C-S-H生成,同時可以看到水泥漿體中針狀的鈣礬石生成。尾礦水泥凈漿中尾礦顆粒己不易察覺,被水化產物所覆蓋,但由于尾礦的顆粒比水泥顆粒小,尾礦顆粒充填于水泥水化的產物的空隙中,使得尾礦水泥漿體更加密實,此外,水泥水化時產生的Ca(OH)2與尾礦中的活性SiO2發生二次反應,生成C-S-H填補在漿體的空隙中,從而減小混凝土的孔隙度,提高了混凝土的密實性,由此可以推測尾礦混凝土具有良好的抗滲性和抗碳化能力。

圖6　水泥漿體28dSEM

圖7　尾礦水泥漿體28dSEM

對比兩組實驗結果及混凝土試塊的破壞機理,隨著尾礦摻量的增加,骨料間的膠凝材料的膠結力有所下降,混凝土的破壞均發生在骨料的表面:但是混凝土試塊的空隙得到了很明顯的改善,在相同的配合比下,其和易性較基準組有顯著提高。摻入粉磨后尾礦后,磨細的尾礦粉可以發揮兩大效應填充混凝土中的孔隙,使孔徑細化:(1)微集料效應,機械力活化后的尾礦粒度要比水泥更細,因此在攪拌階段起到填充水泥的作用[12],極細小的顆粒充當物理填充作用,使初始結構致密化,明顯提高勻質性和致密性;(2)火山灰性效應,水泥水化時,其產物C3S和 C2S能析出Ca(OH)2,而高硅型鐵尾礦的主要化學成分是SiO2和少量Al2O3,當尾礦以相應比例取代水泥后,Ca(OH)2與SiO2及少量Al2O3反應生成大量的、致密的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣,改善了混凝土的內部孔結構,使孔結構進一步細化,混凝土的密實性進一步加強,阻斷混凝土中的連通空隙,使混凝土的耐久性增強。

4結語

(1)用SYM-水泥實驗磨機,以球料比15∶1對高硅型鐵尾礦進行機械力粉磨,粉磨3.5h時,尾礦粉顆粒的平均粒度達到最小,活性被激活,可以考慮作為混凝土輔助膠凝材料。

(2)隨著鐵尾礦粉對水泥取代量的增加,立方體抗壓強度逐漸降低。在標準養護條件下,以C30混凝土為例,粉磨3.5h后,未摻減水劑時,尾礦對水泥取代量為37%時能達到C30混凝土強度等級:當摻有高強減水劑時,尾礦對水泥取代量為48%時還能達到C30混凝土強度等級。

(3)隨著鐵尾礦粉對水泥取代量的增加,混凝土的密實性有不同程度的增加,當鐵尾礦對水泥的取代量超過40%后,密實性趨于平穩,當尾礦對水泥取代量超過50%后,密實性略有下降的趨勢。摻加尾礦后,混凝土的密實性提高的主要機理是微集料效應和火山灰效應。

參考文獻:

[1] 肖力光,伊晉宏,崔正旭.國內外鐵尾礦的綜合利用現狀[J].吉林建筑工程學院學報,2010,27(4):22~26.

[2] 中國資源綜合利用協會.2009年度大宗工業固體廢棄物綜合利用發展報告[M].北京:中國輕工業出版社,2011.

[3] 張璐,呂廣忠.金屬礦山充填采礦法中充填材料的應用及展望田[J].現代礦業,2010(1):20~22.

[4] 孟躍輝,倪文,張玉燕.我國尾礦綜合利用發展現狀及前景[J].中國礦山工程,2010,3(5):4~9.

[5] 唐達高.銅尾礦在水泥生產中的應用研究[J].中國資源綜合利用,2005(10):17~20.

[6] Meyer C.The greening of the concrete industry[J].Cement Concrete Composite 2009(31):601~5.

[7] Mehta PK,Monteiro PJM.Concrete:microstructure,properties,and materials[M].3rd ed.New York:McGraw-Hill,2006.

[8] 徐麗,吳輝,郭珍妮,等.利用微磨球效應制備超高強鐵尾礦混凝土[J].金屬礦山,2010(12):162~166.

[9] 陳鼎,陳振華.機械力化學[M].北京:化學工業出版社,2008(4):42~55.

[10] 吳其勝.無機材料機械力化學[M].北京:化學工業出版社,2008(4):159~161.

[11] 陳夢義,李北星.鐵尾礦粉的活性及在混凝土中的增強效應[J].金屬礦山,2013(5):164~168.

[12] 劉數華,申海蓮.粉煤灰對混凝土抗滲性能的影響[J].粉煤灰綜合利用,2004,5(2):30~31.

中圖分類號:TU528

文獻標識碼:A

文章編號:1674-9944(2015)01-0240-04

作者簡介:蒙朝美(1990—),男,湖北利川人,國防科學技術大學碩士研究生。

收稿日期:2014-12-11