鋼渣與礦粉復摻固化鐵尾礦的力學特性及機理研究

倪智偉 桂婷婷 吳小剛 周玉新

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司 安徽 馬鞍山 243000;4.中船勘察設計研究院有限公司,上海 200063)

鐵尾礦是鐵礦石經選礦流程后,產生的一種粉狀或顆粒狀的固體廢棄物。近年來隨著鐵礦石消耗量的增大,鐵尾礦的排放量也逐年增多[1,2]。過去,僅采用最簡單的堆填方法處置大量的鐵尾礦,從而造成土地資源占用,環境污染,同時耗費大量的人力財力,增加了礦業經濟的負擔[3]。所以鐵尾礦的處置與利用一直是礦山企業和環境部門亟待解決的問題。

為進一步提高鐵尾礦的綜合利用率,最普遍的處理就是將鐵尾礦進行固化后以達到一定的強度,繼而用于路面路基材料。目前,國內外就采用鐵尾礦碎石、鐵尾礦砂替代碎石集料配制路用基材的研究取得了一些進展。SUN等[4]通過對水泥摻鐵尾礦等形成的混合料進行力學試驗和強度因素的分析,得出結論:水泥穩定鐵尾礦砂形成的混合料,強度和彈性模量較高,水穩定性和抗凍性也較為良好。姜明等[5]以水泥、石灰、粉煤灰和活性激發劑復配作為固化劑,研究固化劑對鐵尾礦基層強度的影響。研究表明:當固化劑摻量＞8%時,鐵尾礦基層的浸水抗壓強度可滿足二級及二級以下公路底基層強度標準。HUANG等[6]采用鋼渣-高爐渣-氟石膏基P.O 42.5水泥作為膠結劑用來固化尾礦,通過微觀試驗研究發現混合物中有大量細長的棒狀鈣礬石和絲狀水化硅酸鈣凝膠相互牢固結合。李洪斌[7]對摻鐵尾砂的水泥穩定碎石基層進行配比試驗,并對各配比下的基層材料進行了力學性能試驗,得出結論:摻4.0%水泥、20%鐵尾礦砂的水泥穩定碎石半剛性基層具有最優的路用性能,其水穩定性和抗凍性較好,同時具有較大的抗壓、劈裂強度。BAREITHER等[8]通過對水泥基鐵尾礦集料在路用工程中的應用進行可行性研究,得出結論:水泥固化鐵尾礦的無側限抗壓強度值,可作為達到路用基層應用的標準。易龍生等[9]對鐵尾礦進行大規模利用,通過對鐵尾礦路面基層材料展開力學性能和耐久性測試,研究結果表明鐵尾礦路面基層材料各項指標滿足高速公路和一級公路的要求,驗證了鐵尾礦作為高速公路基材的主成分具有可行性。劉晶磊等[10]通過對河北張家口地區鐵尾礦進行路用性能測試,研究結果表明水泥改良鐵尾礦和土凝巖改良鐵尾礦在水泥和土凝巖經濟摻量為8%的情況下,其7 d無側限抗壓強度分別為2.48 MPa和2.08 MPa,均能滿足二級及二級以下公路路基強度要求。程和平等[11]對瀝青混凝土摻不同質量分數鐵尾礦形成的混合料進行路用特性的研究,研究結果表明鐵尾礦摻量在20%時,瀝青混凝土混合料的性能最為良好,其軟化點及動穩定度最高。

以上大多數研究偏向于采用水泥或石灰對鐵尾礦基材或幾種固廢材料進行改性,但是涉及到鐵尾礦、礦物摻合料、堿渣等材料復摻效果的研究不太普遍。本文在解決大宗固廢的基礎上,研究選用礦物摻合料-鋼渣和高爐粒化礦渣微粉替代部分水泥用來固化鐵尾礦的可行性,測試各配合比下復合材料的7 d無側限抗壓強度,同時采用XRD、SEM試驗手段,探討鋼渣與礦粉作用下鐵尾礦復合材料的強度發展規律和微觀機制。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用鐵尾礦取自馬鞍山市當涂縣青山尾礦庫,過 2 mm篩,選取篩下部分。所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;鋼渣為煉爐鋼渣,過2 mm篩,選取篩下部分;礦粉為S95磨細高爐粒化礦渣粉,原料化學成分分析結果如表1所示,鐵尾礦與鋼渣級配如表2所示。

表1 鐵尾礦、鋼渣、礦粉化學成分分析結果Table 1 Chemical compositon analysis results of iron tailings,steel slag and mineral powder

表2 鐵尾礦與鋼渣級配Table 2 Grading of iron tailings and steel slag

1.2 試驗方案

為便于分析鋼渣與礦粉對復合材料的強度特性影響,根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)規范,通過雙摻、復摻形成不同體系的復合材料[12],相關配合比設計如表3所示。

根據表3配合比,先按比例稱取相應的鐵尾礦、水泥、鋼渣和礦粉進行充分拌合,按最優含水率稱取一定量的蒸餾水再次進行均勻拌合。

表3 配合比設計Table 3 Design of mix proportion

1.2.1 無側限抗壓強度試驗

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009),采用直徑為50 mm、高為 50 mm的模具進行試樣的制備,靜置1 d后取出試樣進行密封處理,置于標準養護箱內標養至設計齡期的前一天,取出試樣進行浸水飽和24 h[13]。采用 QJ-211s萬能試驗機進行試件的無側限抗壓強度試驗,將飽水后的試樣取出置于試驗機的墊板中心處,通過計算機控制儀器設置圓柱體直徑50 mm,以1 mm/min的速率加載,待試樣破壞后停止試驗。

1.2.2 固結不排水剪切試驗

按照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)制備直徑為50 mm、高為 100 mm的試樣,置于標準養護箱內養護7 d后取出[14]。采用英國GDS動三軸儀進行固結不排水剪切試驗,設置圍壓0.1、0.3、0.5、0.7 MPa。

1.2.3 XRD試驗

取經無側限抗壓強度試驗破壞后試樣的中心破碎部位,采用無水乙醇浸泡處理后放入40℃干燥箱進行烘干6 h。再對其進行研磨后過0.075 mm篩,取用篩下部分,采用日本理學 X射線衍射儀(Rigaku)進行 XRD 測試,掃描角度為 10°～80°,速率為10°/min。

1.2.4 SEM試驗

取經上述處理后0.075 mm篩下微量粉末,經鍍金處理后采用儀器日立Hitachi Su8010進行掃描電鏡分析。

2 試驗結果與討論

2.1 無側限抗壓強度試驗

圖1反映了表3中各試樣的7 d、28 d和60 d無側限抗壓強度的變化規律。

從圖1可以看出,各試樣抗壓強度均隨齡期有所增大。相較于單摻水泥固化鐵尾礦試樣S10I0M0,水泥摻量在0～3%,即摻量很少的情況下,很大程度上抑制復合材料的強度增長。試樣S0I4M8僅摻有礦物摻合料(鋼渣、礦粉)固化鐵尾礦,其7 d無側限抗壓強度僅為1.654 MPa;然而水泥、鋼渣和礦粉配比適量下,如試樣 S8I6M6、S5I8M8,水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾砂的強度要大于單摻水泥固化鐵尾礦的強度。結果表明:水泥摻量＞5%的情況下,通過添加鋼渣和礦粉用來固化鐵尾礦的效果有明顯改良。試樣S8I6M0的強度最低,7 d無側限抗壓強度值最小,為1.506 MPa,僅摻有水泥和鋼渣固化鐵尾礦;試樣S8I0M6的7 d無側限抗壓強度值最大,為4.379 MPa,此時鋼渣摻量為0,水泥摻量為8%,礦粉摻量為6%。研究表明:較活性較差的鋼渣,礦粉具有更高的活性。試樣S5I8M8為最經濟配比,在水泥摻量5%的情況下,鋼渣和礦粉的摻量均為8%,其無側限抗壓強度也大于水泥固化鐵尾礦的強度。

圖1 無側限抗壓強度Fig.1 Unconfined compressive strength

2.2 固結不排水剪切試驗

為進一步展開對水泥-鋼渣-礦粉復摻固化鐵尾礦的強度特性研究,選用試樣S10I0M0和S5I8M8進行不同圍壓下的固結不排水剪切試驗,結果如圖2所示。峰值強度和殘余強度均隨圍壓的增大而增大,試樣S5I8M8在4種不同圍壓下的強度增幅分別為1.3%、7.7%、13.0%、22.2%,試樣S10I0M0的增幅則分別為 1.5%、15.0%、20.7%、25.8%,圍壓對水泥-鋼渣-礦粉復摻固化鐵尾礦的強化效果更加顯著。在相同圍壓下,試樣S5I8M8在剪切破壞后,其殘余強度均要大于試樣S10I0M0。即水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾礦較單摻水泥固化鐵尾礦提高了強度,其結構更為致密,失穩破壞后仍具有較高的承載強度。

圖2 峰值強度和殘余強度Fig.2 Peak strength and residual strength

2.3 XRD分析

單摻水泥試樣 S10I0M0、水泥-鋼渣互摻試樣S8I6M0、水泥-鋼渣-礦粉復摻試樣S5I8M8的7 d無側限抗壓強度分別為2.91 MPa、1.506

MPa和3.562 MPa,對3種試樣進行X射線衍射分析,結果見圖3。圖3(a)為單摻水泥固化鐵尾礦的衍射圖譜,鐵尾礦中含有大量的石英,所以圖譜中有明顯的SiO2衍射峰,以及水泥水化產物C—S—H衍射峰及部分產物Ca(OH)2、3CaO·SiO2(簡稱 C3S)和 2CaO·SiO2(簡稱C2S)短峰。圖3(b)為水泥-鋼渣復摻固化鐵尾礦的衍射圖譜,由于鋼渣摻量的增加和水泥摻量的減小,減弱了其水化反應,很難發生水泥的完全水化反應,圖3(b)中幾乎觀察不到水化產物C—S—H的衍射峰值。圖3(c)為水泥-鋼渣-礦粉復摻固化鐵尾礦的衍射圖譜,已經觀察不到水化產物Ca(OH)2的衍射峰值了,說明Ca(OH)2由于礦粉的摻入已經完全參與了反應,加劇了水化反應,生成C—S—H和部分C3S和C2S。水泥的水化主要是水泥熟料中礦物質的水化反應以及少量CaSO4參與的水化反應,這是導致水泥基材強度增長的主要原因。在硅酸鹽水泥熟料礦物組成主要有C3S、C2S、鋁酸三鈣3CaO·AI2O3(簡稱C3A)。在水泥充分水化反應的情況下,C—S—H為硅酸鈣凝膠,是C2S和C3S的水化產物,對水泥基材料的強度起決定性作用。

圖3 XRD圖譜Fig.3 XRD spectrum

2.4 SEM分析

選取試樣S10I0M0、S8I6M0和S5I8M8進行掃描電鏡試驗。圖4為單摻水泥、水泥-鋼渣互摻、水泥-鋼渣-礦粉復摻固化鐵尾礦的SEM形貌圖。單摻水泥固化鐵尾礦會發生水泥的水化反應,如圖4(a)所示可以清晰地看到晶體之間出現較大孔隙,且發育不完全,并觀察到生長在孔隙間的針狀產物水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)和白色絮狀物—水化硅酸鈣凝膠(C—S—H)。圖4(b)是由鋼渣替換部分水泥,相對于圖4(a)來說,水泥摻量減少,由于鋼渣的活性低于水泥,水泥的水化反應減小,強度降低,此時的鋼渣僅充當骨架作用。在水泥基復合膠凝體系的水化過程中,火山灰材料的反應對水泥水化產物具有較強的依賴性,而鋼渣的反應則具有比較強的獨立性,因此鋼渣中主要膠凝相的水化與水泥水化生成的Ca(OH)2不發生化學反應。圖4(c)是水泥-鋼渣-礦粉復摻固化鐵尾礦的SEM形貌圖,可以看出其結構致密,由于礦渣微粉具有潛在的水化活性,水泥水化反應產生的Ca(OH)2可以激發潛在活性的礦粉,使得礦粉進行水化反應生成C—S—H填充在混合物的孔隙中,提高了混合物的強度,同時將強度較低的Ca(OH)2晶體轉化成強度較高的水化硅酸鈣凝膠,也驗證了其強度大于單摻水泥固化鐵尾礦的強度。

圖4 SEM形貌Fig.4 SEM topography

3 結 論

(1)水泥摻量＞5%的情況下,通過添加鋼渣與礦粉用來固化鐵尾礦的效果有明顯改良。較活性較差的鋼渣,礦粉具有更高的活性。在水泥摻量為5%時,鋼渣、礦粉摻量均為8%,為最經濟配比。在合適的配比下,能通過摻入鋼渣與礦粉替代部分水泥滿足工程所需復合材料的強度。

(2)固結不排水剪切試驗中,圍壓對于水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾礦的強化作用要優于單摻水泥固化鐵尾礦。水泥-鋼渣-礦粉固化鐵尾礦的峰值強度、殘余強度均大于單摻水泥固化鐵尾礦,其結構更為致密,失穩破壞后仍具有較高的承載強度。

(3)水泥固化鐵尾礦主要是因為水泥發生了水化反應;在僅有鋼渣替代部分水泥固化鐵尾礦的結構中,鋼渣活性較低僅充當骨架作用,致使強度降低。水泥-鋼渣-礦粉復摻固化鐵尾礦形成的復合材料中,鋼渣摻量對于水化反應具有抑制作用,水泥水化反應生成的Ca(OH)2激發了礦粉的潛在活性生成C—S—H,使得結構致密,礦粉摻量的增加使得強度較低的Ca(OH)2晶體完全參與水化反應生成C—S—H和部分C3S、C2S,提高了混合物的強度。