焙燒鐵尾礦制備透水磚試驗(yàn)研究

趙禮兵 王 帥 梁艷濤 李國峰 王 鵬

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210；2.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北秦皇島066000；3.河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司，河北唐山063701）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鐵尾礦排放量超過90億t，僅有少部分得到有效利用，而剩余大部分鐵尾礦只能進(jìn)行堆積，導(dǎo)致環(huán)境污染、資源浪費(fèi)和水體污染等［1］。目前，鐵尾礦的綜合利用領(lǐng)域主要集中在尾礦再選、生產(chǎn)建筑材料、充填礦山采空區(qū)和土地復(fù)墾等方面［2］。其中，制備免燒磚體具有尾礦摻量大、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。馮學(xué)遠(yuǎn)等［3］將鐵尾礦作為研究對(duì)象，通過探究鐵尾礦、水泥和水的添加量以及化學(xué)添加劑對(duì)尾礦磚抗壓強(qiáng)度的影響，最終得到MU10的免燒磚。由于尾礦磚的力學(xué)性能較差，Li等［4］對(duì)焙燒尾礦進(jìn)行研究，結(jié)果表明在焙燒鐵尾礦代替30%原材料時(shí)，其力學(xué)性能達(dá)到國家42.5普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，天然植被與裸露土壤不斷被各種建筑物及不透水硬化路面所取代［5］，影響了降雨、蒸發(fā)、雨水匯流等水文過程。水文條件的改變導(dǎo)致“熱島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”以及“城市看海”等問題，給城市建設(shè)和人們的生活帶來不便。透水磚作為一種綠色建材，可以起到補(bǔ)充地下水資源、降低人們生活熱環(huán)境和改善植被生存環(huán)境的作用。時(shí)浩等［6］對(duì)尾礦透水路面磚進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)骨料粒徑7～10 mm，砂灰比為3.5的條件下，透水磚透水系數(shù)達(dá)到2.44×10-2cm/s。

本研究采用焙燒鐵尾礦、水泥和粉煤灰為膠凝材料，2.36～4.75 mm粒級(jí)鐵尾礦為粗骨料，通過攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)工藝制備透水磚，探究焙燒鐵尾礦用量、水膠比、目標(biāo)孔隙率和振動(dòng)時(shí)間對(duì)透水磚性能的影響，以獲得最佳的工藝參數(shù)；同時(shí)對(duì)比未焙燒尾礦制備透水磚的性能，為尾礦大量利用制備透水磚提供參考。

1 試樣及方法

1.1 試樣

（1）焙燒鐵尾礦。本試驗(yàn)所用焙燒鐵尾礦為某地半工業(yè)試驗(yàn)經(jīng)過焙燒和磁選后最終尾礦，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，XRD分析見圖1。

由表1和圖1可知，焙燒鐵尾礦TFe的含量為9.12%，SiO2含量為67.80%，屬于高硅鐵尾礦，滿足建材原料的要求；焙燒尾礦中SiO2、Fe主要以石英和赤鐵礦的形式存在。

（2）水泥。試驗(yàn)所用水泥為市售普通硅酸鹽水泥P·O42.5R，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

由表2可知，水泥中主要成分為CaO和SiO2，含量分別為59.80%、14.60%。

（3）粉煤灰。粉煤灰選自鞏義市豫聯(lián)電廠，呈灰色，密度為2.1 g/cm3，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。

由表3可知，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，含量分別為59.75%、25.22%。

（4）骨料。本試驗(yàn)采用研山原生礦濕式預(yù)選磁選機(jī)尾礦和一磁尾礦的綜合礦樣，這兩部分尾礦通過旋流器濃縮及高頻細(xì)篩隔粗后泵送到尾礦庫，本次試驗(yàn)選取隔粗后篩上粗粒級(jí)部分，經(jīng)篩選采用2.36～4.75 mm粒級(jí)充當(dāng)骨料，堆積密度和表觀密度分別為1 400 kg/m3、2 720 kg/m3，堆積孔隙率為48.53%。

（5）未焙燒鐵尾礦。試驗(yàn)采用的未焙燒鐵尾礦取自研山鐵礦，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表4。

由表4可知，未焙燒鐵尾礦主要成分為SiO2、TFe和Al2O3，與表1焙燒鐵尾礦的主要成分和含量大致相同，可用于對(duì)比試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 攪拌工藝

本試驗(yàn)選用集料表面包裹法制備透水磚。首先將全部的粗骨料和50%的水及減水劑（水和減水劑提前進(jìn)行混勻），倒入水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行混勻，時(shí)間為30 s。然后添加全部的膠凝材料，再攪拌30 s，在此過程中膠凝材料起潤(rùn)滑作用，避免骨料被擠碎的現(xiàn)象的發(fā)生。最后將剩余的水及減水劑加入攪拌機(jī)中攪拌120 s。

1.2.2 成型工藝

振蕩時(shí)間是制備透水磚重要的一環(huán)，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使透水磚成品過于密實(shí)，出現(xiàn)離析現(xiàn)象［8］，時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致透水磚的強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)選用水泥膠砂振實(shí)臺(tái)，采用振動(dòng)成型。首先將混合好的物料放入模具中，再放到振實(shí)臺(tái)上進(jìn)行振蕩，振實(shí)臺(tái)每秒振蕩一次。

1.2.3 養(yǎng)護(hù)工藝

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的方式，選用的設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱。物料裝入模具后振動(dòng)成型，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)1 d后進(jìn)行脫模，之后將試驗(yàn)樣品放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行28 d的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度和濕度分別為20℃、95%。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒鐵尾礦摻量對(duì)透水磚性能的影響

固定水膠比為0.3，目標(biāo)孔隙率20%，振動(dòng)時(shí)間60 s，考察焙燒鐵尾礦摻量對(duì)透水磚性能的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2（a）和（b）可知，隨著焙燒鐵尾礦摻量的增加，透水磚抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸升高。焙燒尾礦摻量從40%增加到60%時(shí)，抗壓強(qiáng)度由38.07 MPa下降到17.07 MPa，抗折強(qiáng)度由7.3 MPa降到3.94 MPa，透水系數(shù)由0.49×10-2cm/s增加到1.89×10-2cm/s；焙燒尾礦摻量繼續(xù)增加到80%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為2.4 MPa，抗折強(qiáng)度為0.38 MPa，透水系數(shù)達(dá)到最大為3.66×10-2cm/s。綜合透水磚的性能來看，焙燒鐵尾礦摻量為60%時(shí)為合適，此時(shí)抗折、抗壓強(qiáng)度分別為3.94 MPa和17.07 MPa，透水系數(shù)達(dá)到國家B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 水膠比對(duì)透水磚性能的影響

固定焙燒鐵尾礦摻量為60%，目標(biāo)孔隙率20%，振動(dòng)時(shí)間60 s，考察水膠比對(duì)透水磚性能的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3（a）和（b）可知，隨著水膠比的增大，透水磚抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸增加，透水系數(shù)逐漸降低。水膠比由0.25增大到0.30時(shí)，抗壓強(qiáng)度由7.42 MPa增加到17.07 MPa，抗折強(qiáng)度由2.25 MPa增加到3.94 MPa，透水系數(shù)由7.12×10-2cm/s減小到1.89×10-2cm/s；水膠比繼續(xù)增加到0.4時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度分別為4.99 MPa和23.91 MPa，透水系數(shù)達(dá)到最小，為0.22×10-2cm/s。水膠比較小時(shí)，造成漿體過于干燥，包裹在骨料表面的漿體不均勻且疏松，接觸點(diǎn)的粘結(jié)力較小，導(dǎo)致強(qiáng)度變低［9］；水膠比過大，漿體過于濕潤(rùn)，與粗骨料不易粘結(jié)。綜上，水膠比0.3時(shí)較為合適，此時(shí)透水磚的力學(xué)性能和透水性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 目標(biāo)孔隙率對(duì)透水磚性能的影響

固定焙燒鐵尾礦摻量為60%，水膠比0.3，振動(dòng)時(shí)間60 s，考察目標(biāo)孔隙率對(duì)透水磚性能的影響，結(jié)果見圖4。

從圖4（a）和（b）可以看出，隨著目標(biāo)孔隙率的增加，透水磚抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸上升。當(dāng)目標(biāo)孔隙率由10%增加到20%時(shí)，抗折強(qiáng)度從5.95 MPa降低到3.94 MPa，抗壓強(qiáng)度從28.16 MPa降低到17.07 MPa，透水系數(shù)從0.31×10-2cm/s增加到1.89×10-2cm/s，目標(biāo)孔隙率繼續(xù)增加到30%時(shí)，抗折強(qiáng)度為1.60 MPa，抗壓強(qiáng)度為5.96 MPa。隨著目標(biāo)孔隙率增大，磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由較密實(shí)向較疏松轉(zhuǎn)變［10］，導(dǎo)致膠凝材料對(duì)粗骨料的包裹不充分，骨料間的粘結(jié)面積減小，粘結(jié)力不足，造成透水磚的抗壓、抗折強(qiáng)度減小。綜上所述，目標(biāo)孔隙率為20%較適宜。

2.4 振動(dòng)時(shí)間對(duì)透水磚性能的影響

固定焙燒鐵尾礦摻量為60%，水膠比0.3，目標(biāo)孔隙率20%，考察振動(dòng)時(shí)間對(duì)透水磚性能的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5（a）和（b）可知，隨著振動(dòng)時(shí)間增加，透水磚抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸增大，透水系數(shù)逐漸降低。振動(dòng)時(shí)間由30 s增加至40 s時(shí)，抗壓強(qiáng)度由13.74 MPa增加到15.44 MPa，抗折強(qiáng)度從2.97 MPa增加到3.34 MPa，透水系數(shù)由3.63×10-2cm/s降低到2.58×10-2cm/s；振動(dòng)時(shí)間繼續(xù)增加到70 s時(shí)，抗折和抗壓強(qiáng)度分別為4.54 MPa、20.48 MPa，透水系數(shù)為1.51×10-2cm/s。在振動(dòng)成型中，振動(dòng)時(shí)間增加，被膠凝材料包裹的骨料之間的緊密結(jié)合，造成了孔隙率減小，透水磚整體結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，所以導(dǎo)致透水系數(shù)逐漸減小［11］。綜合考慮透水磚性能因素，振動(dòng)時(shí)間為40 s時(shí)效果最佳，此時(shí)透水磚抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，透水系數(shù)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)。

2.5 鐵尾礦焙燒前后對(duì)透水磚性能的影響

固定水膠比為0.3，目標(biāo)孔隙率20%，振動(dòng)時(shí)間40 s時(shí)，考察鐵尾礦焙燒前后對(duì)透水磚性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)未焙燒鐵尾礦透水磚力學(xué)性能均不達(dá)標(biāo)，為客觀地進(jìn)行對(duì)比，選取振動(dòng)時(shí)間為60 s，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6（a）和（b）可知，隨著焙燒和未焙燒鐵尾礦摻量的增加，抗折和抗壓強(qiáng)度逐漸降低。焙燒尾礦摻量為60%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為17.07 MPa，抗折強(qiáng)度為3.94 MPa。未焙燒尾礦摻量從40%增加到50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度由25.63 MPa降低到14.54 MPa，抗折強(qiáng)度由5.27 MPa降低到3.38 MPa，隨著未焙燒鐵尾礦用量繼續(xù)增加到80%時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度均達(dá)到最小，分別為0.28 MPa和1.2 MPa。

由6（c）可知，隨著焙燒和未焙燒尾礦摻量增加，透水系數(shù)均逐漸增大。焙燒尾礦摻量在60%時(shí)，透水系數(shù)為1.89×10-2cm/s。未焙燒尾礦摻量由40%增加到50%時(shí)，透水系數(shù)從0.74×10-2cm/s增加到2.15×10-2cm/s；隨著未焙燒鐵尾礦摻量繼續(xù)增加到80%時(shí)，透水系數(shù)達(dá)到最大為5.12×10-2cm/s。

綜合透水磚的性能指標(biāo)，當(dāng)焙燒尾礦摻量為60%時(shí)效果最佳，抗折、抗壓強(qiáng)度分別為3.94 MPa和17.07 MPa，透水系數(shù)符合國家B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)未焙燒尾礦摻量為50%時(shí)效果最佳，抗折、抗壓強(qiáng)度分別為3.38 MPa和14.54 MPa，透水系數(shù)符合國家A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由此可以看出焙燒尾礦比未焙燒尾礦多替代水泥10%的情況下，力學(xué)性能焙燒尾礦透水磚較好，而透水性能則未焙燒尾礦透水磚較好。

3 結(jié) 論

（1）焙燒尾礦制備透水磚最佳試驗(yàn)條件為：焙燒尾礦摻量為60%，振動(dòng)時(shí)間為40 s、水膠比0.3，目標(biāo)孔隙率20%。透水磚最優(yōu)條件下的指標(biāo)為：抗折強(qiáng)度為3.34 MPa，符合國家標(biāo)準(zhǔn)Rf3.0，抗壓強(qiáng)度為15.44 MPa，符合國家標(biāo)準(zhǔn)MU15，透水系數(shù)為2.58×10-2cm/s，符合國家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)孔隙率為23.41%。

（3）通過焙燒尾礦和未焙燒尾礦對(duì)比可知，在滿足透水磚的透水性能和力學(xué)性能的情況下焙燒尾礦可以代替水泥60%；未焙燒尾礦替代水泥50%。