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(xué)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(shè)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(xué)成分為Al2O3、SiO2、CaO、MgO等。將尾礦渣經(jīng)過磨細(xì)、篩選、再磨細(xì)等機械加工工序制成尾礦渣微粉，其比表面積可達(dá)到4 m2/g(BET多點法測得)以上，是一種填充微細(xì)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(yīng)用于建材行業(yè)具有廣闊的前景。摻入礦物質(zhì)細(xì)粉可以提高水泥制品性能[3]。礦物質(zhì)細(xì)粉可以填充孔隙，降低孔隙率，改善孔隙結(jié)構(gòu)[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(guān)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(yīng)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(xué)成分 %

2)細(xì)骨料：本項目采用的細(xì)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(xì)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(jìn)行成分分析，其成分見表4。

表4 尾礦渣微粉化學(xué)成分 %

采用以下儀器設(shè)備對尾礦渣微粉進(jìn)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(jìn)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(yīng)的吸附等溫曲線方程(BET方程)[5]。BET模型假設(shè)：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(xì)度而言,尾礦渣微粉較水泥細(xì),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(guān)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(shè)計及試驗方法

2.1 配合比設(shè)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(jìn)行本課題的相關(guān)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱1 d后進(jìn)行脫模，脫模后的膠砂試件分成兩部分，一部分留在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護，另一部分立即放入壓蒸釜中，進(jìn)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(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)要求，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱1 d后進(jìn)行脫模，脫模后的混凝土試件分成兩部分，一部分留在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護，另一部分立即放入壓蒸釜中，進(jìn)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(jìn)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(dá)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(yīng)裝置顯示，此時壓蒸釜內(nèi)部溫度達(dá)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(jìn)行導(dǎo)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(jìn)行相關(guān)力學(xué)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的高。其主要原因可能是：當(dāng)尾礦渣微粉摻量達(dá)到20%時，在壓蒸環(huán)境下，力學(xué)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(yīng)，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(xì)孔結(jié)構(gòu)、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(xué)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件對比，壓蒸環(huán)境下的試件強度明顯較高；當(dāng)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(xué)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(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠，在混凝土硬化過程中填充細(xì)小孔隙；當(dāng)摻量超過20%時，尾礦渣微粉的水化反應(yīng)及填充效應(yīng)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(jìn)行膠凝材料膠砂、混凝土的力學(xué)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(yīng)，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(dāng)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(guān)力學(xué)性能。