灵丘铁矿尾矿制备加气混凝土的试验研究

王长龙，倪 文，李德忠，王 爽

(1.北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083; 2.河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038)

灵丘铁矿尾矿制备加气混凝土的试验研究

王长龙1，2，倪 文1，李德忠1，王 爽1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083; 2.河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038)

为综合利用固体废弃物铁尾矿，以山西灵丘低硅铁尾矿作为主要原料，铝粉作为发气剂，成功制备出了符合GB/T11968—2006标准的A3.5、B06级加气混凝土.考虑最大限度使用铁尾矿的情况下，通过试验得出生产铁尾矿加气混凝土的优化方案:尾矿粉磨时间25 min，硅砂粉磨时间为30 min，配料质量比为m(铁尾矿)∶m(硅砂)∶m(石灰)∶m(水泥)∶m(脱硫石膏)为40∶20∶24∶10∶6.由X射线衍射测试分析可知，成品中主要的矿物成分为托贝莫来石，此外还有硬石膏和尾矿中残留的石英等.扫描电镜和能谱分析结果显示，成品中形成C-S-H凝胶和托贝莫来石相互致密交织的显微结构，这是加气混凝土获得较高强度的重要原因.

铁尾矿;加气混凝土;粉磨时间;抗压强度;托贝莫来石

目前，金属矿山尾矿的处理多采用堆存方式，随着金属矿山开采规模的扩大，尾矿的堆存量也逐年增加［1］.据不完全统计，截止2010年底我国由于矿产资源开发而产生的尾矿堆存量达到100亿吨，其中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近1/3［2-4］.大量堆存的铁尾矿对矿区当地的生态环境造成了严重的危害［5-6］.近年来，尾矿的综合利用，已成为各矿山、知名高校、研究院所研究的重要课题之一［7］，而利用铁尾矿生产加气混凝土的研究相对较少.

加气混凝土是以硅质材料和钙质材料为主要原料，通过化学反应方式形成的多孔混凝土，是集保温、防火、隔音、施工方便等优点于一体的新型轻质墙体建筑材料［8-10］.随着河砂和局部地区粉煤灰资源短缺的加剧，利用铁尾矿生产加气混凝土，不仅可以解决资源短缺的问题，而且可实现铁尾矿资源的循环再利用.

本文以山西灵丘豪洋矿业有限公司铁尾矿为主要原料，对铁尾矿的细度和粉磨时间进行了试验，成功制备出铁尾矿加气混凝土，并对加气混凝土的力学性能及微观结构进行了分析.

1 试验

1.1 试验原料

1.1.1 铁尾矿

取自山西灵丘豪洋矿业有限公司，其化学成分见表1，XRD分析结果见图1.从表1可知，铁尾矿中SiO2质量分数为54.42%，未达到生产加气混凝土原料中SiO2含量的一般要求［11］，因此加入SiO2含量较高的硅砂提供一部分硅质成分.从图1可知铁尾矿中含有少量磁铁矿和黄铁矿，以及大量石英和少量的角闪石、黑云母、辉石等脉石矿物.

表1 原料化学成分分析(质量分数/%)

图1 铁尾矿的XRD谱图

1.1.2 硅砂

采用北京金隅加气混凝土有限责任公司工业生产线上生产加气混凝土所用风积砂，其化学成分见表1，XRD分析结果见图2.从表1可以看出，硅砂的SiO2质量分数达到87.17%，满足使用要求.图2表明试验采用的风积砂中的石英含量较高.

1.1.3 石灰

步入大门，一座精美的巴洛克式建筑呈现在眼前。正中间是宫殿气派的大门，两侧为两层高的建筑，每层各有五扇窗，两层建筑的两端紧连着高大的塔楼。整座宫殿显得十分精致，富有格调。

采用北京金隅加气混凝土有限责任公司工业生产线上生产加气混凝土所用石灰，活性CaO质量分数〉65%、MgO质量分数＜6%，消解时间15 min，消解温度65℃，200目筛余8%.

图2 硅砂的XRD谱图

1.1.4 水泥

采用山西灵丘豪洋水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1.

1.1.5 脱硫石膏

取自北京京能热电股份有限公司，化学成分分析见表1.

1.2 试验方法

本试验是选用干粉混合搅拌的试验.物料中铁尾矿和硅砂在试验前均进行细磨，采用实验室的SMΦ500×500小型磨机磨细，按各自所需细度进行粉磨，并利用LMS-30型激光粒度分析仪测定铁尾矿和硅砂粒级组成.原材料经过加工处理，计量混合均匀后放在搅拌桶中，加入50℃温水搅拌120 s;然后加入铝粉再搅拌40 s，浇注到模具，在70℃下静停养护2 h，硬化后的坯体送到工厂高压釜进行蒸压养护.蒸压养护中饱和蒸汽压力在1.3 MPa，温度控制在180℃.成品烘干至恒重后，进行强度指标及微观结构特征分析.

2 结果与讨论

2.1 铁尾矿的细度试验

2.1.1 铁尾矿的粒度分析

原矿铁尾矿的200目筛余为70.80%，不能直接用来生产加气混凝土，需通过球磨机对原尾矿进行磨细和均化处理.控制铁尾矿磨料时间为15、20、25、30、35、40 min，其粒度分布和比表面积，结果如表2和图3所示.

表2 不同粉磨时间铁尾矿的粒度比表面积

从图3中可以看出，粉磨初期，主要以矿物的颗粒尺寸减小为主，粉磨40 min颗粒分布迅速集中，颗粒粒度达到亚微米.随着颗粒粒径变小，亚微米级的颗粒明显增多，相应的比表面积增大，由于小颗粒的聚集而出现粉磨平衡，即所谓的粉磨极限［12-13］.

图3 不同粉磨时间铁尾矿的粒度分布

试验中主要原材料配比如下:铁尾矿质量分数60%、石灰质量分数为24%、水泥质量分数为10%、石膏质量分数为(6%)、Al粉的质量分数为0.57‰，水料比为0.57，55℃热水搅拌.铁尾矿的细度对浇注的稳定性及制品的性能影响见表3.

表3 铁尾矿细度对浇注稳定性的及制品的性能影响

试验结果显示，随着铁尾矿粉磨时间的增加，制品的强度先增加后减小.粉磨时间短，尾矿颗粒粗，与石灰的接触面小，反应进行得不够充分，水化产物也少，制品的强度低.铁尾矿的细度也不易过小，细度过小会使制品内部不能形成好的骨架结构，增加需水量，制品干缩比增大［14］.从经济上和性能上考虑，选用铁尾矿的粉磨时间为25 min (200目筛筛余7.3%).

2.2 硅砂的细度试验

2.2.1 硅砂的粒度分析

试验中使用的硅砂粉磨时间为15、20、25、30、35、40 min，利用激光粒度仪分析不同粉磨时间下所得铁尾矿粉的粒度分布和比表面积，结果如表4和图4所示.从图4可以看出，随着粉磨时间从15 min增加到40 min，硅砂的粒度分布范围由宽变窄，并逐渐向粒度值小的方向集中，颗粒粒度达到亚微米.粉磨早期的粒度分布变化较大到后期粒度分布变化甚微，与比表面积的变化情况相对应［14］.

表4 不同粉磨时间硅砂的粒度比表面积

2.2.2 硅砂粉磨时间的确定

试验中配合比如下:粉磨25 min铁尾矿质量分数为40%、硅砂质量分数为20%、石灰质量分数为24%、水泥质量分数为10%、石膏质量分数为6%、Al粉质量分数为0.57‰，水料比为0.57，55℃热水搅拌.不同粉磨时间的硅砂在相同试验条件下，其物理性能影响见表5.

图4 不同粉磨时间硅砂的粒度分布

表5 硅砂细度对浇注稳定性的及制品的性能影响

从表5可知，随着硅砂粉磨时间的延长，制品的强度、比强度上升明显.在铁尾矿粉磨25 min前提下，硅砂粉磨30 min时，制品的强度、比强度最大.从制品的表面看，硅砂粉磨时间过短，胶凝材料过少，混合料的和易性差，易产生蜂窝现象;反之，如果硅砂粉磨时间过长，骨料的用量过少，缺乏应有的骨架，而且料浆流动性很差，不利于形成良好的气孔结构.因此，考虑到磨矿能耗、经济等因素，确定硅砂的粉磨时间为30 min(200目筛筛余2.25%).

试验结果显示，当铁尾矿粉磨25 min，硅砂粉磨30 min，满足蒸压加气混凝土对硅质材料粒径的要求，可生产出符合GB 11968—2006的A3.5、B06的产品.当硅砂粉磨时间从15～30 min变化时，制品的强度从2.89 MPa增加到4.18 MPa;粉磨时间从30～40 min变化时，制品强度变化不大.为了最大限度地利用尾矿、降低成本，故确定B4为优化配比.

2.3 XRD分析

铁尾矿加气混凝土制品B4的XRD谱图见图5.经过蒸压养护后，B4制品中其主要水化产物为托贝莫来石(Tobermorite)和水化硅酸钙凝胶CSH(B)，此外还有一定数量的石英、硬石膏、磁铁矿、方解石和水榴子石.制品在蒸压过程中，硅质原料铁尾矿和河砂中的硅不断溶出，与石灰等钙质原料反应生成托贝莫来石和水化硅酸钙等水化产物［16］.其中，托贝莫来石作为一种结晶完好的单碱型水化硅酸钙，结晶成柳叶状或叶片状，与2θ为25°～35°纤维状的结晶度较低的水化硅酸钙凝胶CSH(B)，水化产物相互搭接，形成致密的显微结构，使制品获得较好的强度［17］.从图5可以看出，石英的衍射峰为 4089、496、206、469、830、238、552、224，表明在制品中有残余的石英存在.而原尾矿中的矿物相如角闪石、黑云母等经高温蒸压分解后，形成了新的物相，而水化硅酸钙CSH(B)凝胶作为“粘结剂”将各相结合成整体，对强度的生成有利［18］.

图5 加气混凝土制品B4的水化产物XRD谱图

2.4 SEM分析

由图6(a)可以看出，制品经高温蒸压养护后，水化产物密集丛生，形成凝胶状和大量柳叶状或叶片状的水化产物(托贝莫来石).密集的水化产物相互连接，形成良好的网络状框架结构，这种网络状结构能够改变制品孔结构，能够较好的抵抗外界的荷载，在外界应力的作用下，不易引起应力集中，对提高制品的强度起到了积极作用［17，19-22］.从图6(b)对图6(a)的放大图片中可以看出，水化产物中存在有板状物或片状物，同时水化产物的周边有未反应的石英颗粒的存在，由于选择的视域不同，石英颗粒数量也存在差异.

从图7对图6(a)标注区域的分析图谱及定量结果可见，在15.0 kV时，谱图中含有Ca、Si、Al、O元素的原子数分数分别为 49.17%、21.79%、2.86%、26.18%，与托贝莫来石成分基本相同.

图6 制品B4的水化产物的SEM照片

图7 图6(a)中标注区域的能谱分析结果

3 结论

1)当铁尾矿尾矿原样SiO2质量分数在54%以上时，能够利用其作为生产加气混凝土的主要硅质原料.

2)通过试验研究，得出山西灵丘铁尾矿生产加气混凝土的优化方案:尾矿粉磨时间25 min，硅砂粉磨时间为30 min，配料质量分数为m(铁尾矿)∶m(硅砂)∶m(石灰)∶m(水泥)∶m(石膏)= 40∶20∶24∶10∶6，Al粉为0.57‰，水料比为0.57.

3)通过XRD及SEM分析可知，在蒸压条件下，铁尾矿加气混凝土的水化产物为大量结晶良好的托贝莫来石、部分凝胶状CSH(B)，托贝莫来石呈柳叶状或叶片状，结晶程度高，数量多.

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Experimental study on aerated concrete with Lingqiu iron ore tailings

WANG Chang-long1，2，NI Wen1，LI De-zhong1，WANG Shuang1
(1.Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)

For comprehensive utilization of iron ore tailings，the aerated concrete was successfully prepared by Shanxi Lingqiu low-silica iron ore tailings as the main raw material and aluminum powder as gas evolution agent，which is in line with GB/T11968—2006 of the A3.5 B06-class.In the case of the maximize use of iron ore tailings，the optimized plan of aerated concrete production was that the iron ore tailings grinding time was 25 min，silica sand grinding time was 30 min，burdening mass ratio of iron ore tailings，silica sand，lime cement and gypsum was 40∶20∶24∶10∶6.The major mineral phases in the aerated concrete product were tobermorite with residue quartz and anhydrite.SEM and EDS results showed that the finished product to form bense microstructure by C-S-H gel and tobermorite，it was important reason that aerated concrete obtained high strength.

iron ore tailings;aerated concrete;granding time;compressive strength;tobermorite

TU 522 文献标志码:A 文章编号:1005-0299(2012)06-0007-06

2011-11-25.

国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA062405).

王长龙(1977-)，男，副教授，博士研究生;

倪 文(1961-)，男，教授，博士生导师.

倪 文，E-mail:niwen@ces.ustb.edu.cn.

(编辑 程利冬)