铁尾矿来源对其易磨性及活性的影响

陈梦义，周绍豪，李北星，王　薇

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉　430040;2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉　430040;3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉　430070)



铁尾矿来源对其易磨性及活性的影响

陈梦义1,2，周绍豪1,2，李北星3，王薇1,2

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉430040;2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉430040;3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉430070)

通过粉磨时间、强度测定和活性指数指标研究了迁安和密云两种不同来源铁尾矿粉磨特性及其活性差异，并通过活性Si4+和Al3+溶出量及孔结构和SEM测试对其活性差异进行了分析。试验结果表明：不同来源铁尾矿因其化学成分及组成的矿物差异，使其易磨性、力学性能及活性均有差异。密云铁尾矿的易磨性显著高于迁安铁尾矿，且其活性Si4+和Al3+溶出量高于迁安铁尾矿，从而使其活性、力学性能及孔结构分布均优于迁安铁尾矿。

铁尾矿； 活性指数； 活性Si4+和Al3+溶出量； 孔结构

1　引　言

尾矿已成为我国目前产出量最大、综合利用率最低的固体废弃物。其中铁尾矿堆存量占全部尾矿总堆存量的近1/3，且其每年排出量近3亿吨，但其综合利用率很低，尤其在生产高附加值水泥混凝土制品方面，究其原因是其活性较低[1-3]。为了提高铁尾矿在水泥混凝土方面的应用，国内外对铁尾矿的活性及其活性提高方法进行了大量研究。如刘淑贤等[4]以唐钢石人沟铁尾矿为研究对象，研究了碱激发对铁尾矿活性的影响；李超等[5,6]以 鞍山铁尾矿为研究对象，表明采用磁化焙烧的方法可提高铁尾矿的活性；易忠来等[7]研究了热活化对马鞍山姑山铁尾矿活性的影响；郑永超等[8]研究了机械力对密云铁尾矿活性的影响；李北星等[9]研究了养护制度对迁安铁尾矿活性的影响。现有研究大都针对某一产地铁尾矿活性进行研究，然而不同来源铁尾矿的矿物组成、化学组成及物理力学性能存在差异，其来源不同是否对其活性有影响有待研究。

试验以密云和迁安铁尾矿两种不同来源的铁尾矿为研究对象，通过粉磨时间、力学性能及胶砂活性指数等指标研究了不同来源铁尾矿易磨性及胶凝活性的差异。并采用硅铝溶出量测定(酸碱溶出法)、孔结构和SEM等测试手段对其活性差异进行了分析。

2　试　验

2.1原材料

2.1.1水泥

试验所用水泥为华新P·O 52.5级普通硅酸盐水泥。其基本物理性能如表1所示。·

表1　华新P·O 52.5水泥基本物理力学性能

2.1.2铁尾矿

试验所用铁尾矿来自迁安和密云，其化学成分及矿物组成分别见表2及图1，由表2和图1可以看出：迁安铁尾矿和密云铁尾矿化学组成基本相同，均主要为SiO2，但迁安铁尾矿中SiO2含量略高于密云铁尾矿。迁安和密云铁尾矿的矿物组成略有差异，虽均主要为石英，其次为长石类矿物和云母，但迁安铁尾矿中铁质矿物主要为磁铁矿，而密云铁尾矿为赤铁矿，且密云铁尾矿中含有少量白云石。

表2　不同来源铁尾矿的化学组成

图1　不同来源铁尾矿XRD图谱(a)迁安;(b)密云Fig.1　XRD patterns of iron tailings from different regions(a)Qian'an;(b)Miyun

2.2试验方法

(1)力学性能测试。参照GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》进行不同来源铁尾矿粉水泥胶砂强度实验，其中胶砂比1∶3，水胶比0.5，将成型后的试件置于标准养护箱中养护1 d后脱模，然后至于标准养护室养护至龄期，测试力学性能。

(2)活性Si4+和Al3+测定。分别取1 g不同细度的铁尾矿样品，并分别置于装有1 mol/L，100 mL的NaOH溶液的塑料瓶中，经密封后置于20 ℃的养护室中养护7 d，然后过滤，滤液密封保存于塑料瓶中。采用美国 PerkinElmer公司生产的 Optima 4300DV全谱直读电感耦合等离子发射光谱仪对滤液中Si4+和Al3+含量进行测定。

(3)孔结构及SEM测试。以标准稠度用水量制备40 mm×40 mm×40 mm净浆试块，然后标准养护至规定龄期，采用美国Micrometics公司生产的AutoporeⅢ9420型压汞仪及日本电子株式会社生产的JSM-5610LV型扫描电子显微镜分别对其硬化浆体的孔结构及微观形貌进行测试。

3　结果与讨论

3.1不同来源铁尾矿对其粉磨能耗的影响

表3为不同来源铁尾矿粉磨至大致相同细度所耗粉磨时间。由表3可以看出：粉磨至比表面积大体相同时，密云铁尾矿所耗时间明显低于迁安铁尾矿，迁安铁尾矿粉磨时间大约为密云铁尾矿的1倍左右。说明密云铁尾矿易磨性明显优于迁安铁尾矿，这可能是因为不同来源铁尾矿矿物组成有差异，且密云铁尾矿中各矿物裂解所需能耗更低造成的。

表3　不同来源铁尾矿粉磨至相同细度所耗粉磨时间

3.2不同来源铁尾矿活性Si4+和Al3+溶出量测定

表4为不同来源铁尾矿粉活性Si4+和Al3+溶出量。由表4可以看出：铁尾矿来源不同，其活性Si4+和Al3+溶出量有较大差异，这可能与其矿物组成差异有关。随着细度的增加，迁安和密云铁尾矿活性硅铝溶出量均逐渐升高，且同细度下，密云铁尾矿活性硅铝溶出量高于迁安铁尾矿，说明密云铁尾矿中活性SiO2和Al2O3含量高于迁安铁尾矿，其主要矿物石英的无定形化程度高于迁安铁尾矿。

表4　不同来源铁尾矿粉Si4+和Al3+溶出量

3.3不同来源铁尾矿对其力学性能及活性的影响

图2　不同来源铁尾矿粉胶砂抗压强度(a)3 d;(b)28 dFig.2　Mortar compressive strength of iron tailings from different regions

图2和图3分别为不同来源铁尾矿粉的抗压强度及抗压活性指数。其中铁尾矿替代水泥量为30%，活性指数为掺30%铁尾矿-水泥胶砂与纯水泥胶砂的28 d抗压强度比。

图3　不同来源铁尾矿粉抗压活性指数Fig.3　Compressive activity index of iron tailings from different regions

由图2可以看出：密云和迁安铁尾矿对水泥胶砂试件各龄期的抗压强度影响不同。3 d龄期时，随铁尾矿细度的增加，密云铁尾矿胶砂试件抗压强度呈先增后减的趋势，而迁安铁尾矿则逐渐增加的趋势；28 d龄期时，密云和迁安铁尾矿胶砂试件抗压强度均随其细度的增加而逐渐增加。且同细度下，密云铁尾矿胶砂试件的抗压强度高于迁安铁尾矿，说明密云铁尾矿对胶砂试件的强度贡献高于迁安铁尾矿。

由图3可以看出：密云和迁安铁尾矿粉的28 d活性指数均随其细度的增加而逐渐增加，但当其细度达到750 m2/kg左右后，其活性提高幅度不显著。且同细度下，密云铁尾矿的活性指数高于迁安铁尾矿。这是因为随着铁尾矿细度的增加，一方面其活性SiO2和Al2O3含量逐渐增加，另一方面其填充浆体孔隙的微细颗粒也逐渐增加，使得硬化浆体的活性指数随细度的增加而增加，但当其细度增加到一定程度时，铁尾矿颗粒会出现团聚现象，其在浆体内部得不到有效分散，不利于其填充作用的发挥，从而使其活性指数不再显著增加。

3.4孔结构分析

图4及表5 分别为不同来源铁尾矿粉-水泥标准稠度净浆28 d龄期的孔径分布曲线及孔结构参数，其中两种铁尾矿粉比表面积为750 m2/kg左右，掺量均为20%。

表5　不同来源铁尾矿粉硬化浆体孔径分布及孔径参数

图4　不同来源铁尾矿粉硬化浆体孔径分布微分曲线Fig.4　Pore size distribution curve of iron tailings from different regions

图5　不同来源铁尾矿粉硬化浆体SEM图(a)迁安;(b)密云Fig.5　SEM photographs of hardened iron tailings paste from different regions

由图4和表5可以看出：迁安和密云铁尾矿粉硬化浆体均以100 nm以下的无害凝胶孔和少害孔为主，且密云铁尾矿粉因其活性稍高于迁安铁尾矿，而使其硬化浆体中20 nm以下的无害凝胶孔数量稍高于迁安铁尾矿，200 nm以上多害孔的数量、平均孔径及孔隙率稍低于迁安铁尾矿，这也是密云铁尾矿硬化浆体具有更高力学性能的原因。

3.5SEM分析

图5为不同来源铁尾矿粉水泥硬化浆体28 d龄期SEM照片。

由图5可以看出：迁安和密云铁尾矿粉硬化浆体中均可看到许多呈不规则形状的铁尾矿颗粒，铁尾矿颗粒与周围浆体界面清晰可见，浆体结构均比较疏松。

4　结　论

不同来源的铁尾矿，其矿物组成及化学成分存在差异，导致其在易磨性、活性及其对胶砂强度的贡献规律等方面存在较大区别，在今后铁尾矿的资源化利用中，应当重视铁尾矿来源对其物化性能的影响，不可对所有铁尾矿的物化性能规律一概而论。

(1)密云铁尾矿矿物成分裂解所需能耗低于迁安铁尾矿，使其在粉磨过程中需要能量小，易磨性高;

(2)密云铁尾矿主要矿物石英的无定形化程度高于迁安铁尾矿，使其活性、孔结构分布及其浆体力学性能较优。

[1] Zhang S,Xue X,Liu X.Current situation and comprehensive utilization of iron ore tailings resources[J].MiningScience,2006,42(4):403-408.

[2] 张淑会,薛向欣,金在峰,我国铁尾矿的资源现状及其综合利用[J].材料与冶金学报,2004,3(4):241-245.

[3] 蔡霞.铁尾矿用作建筑材料的进展[J].金属矿山,2000,292(10):45-48.

[4] 刘淑贤,聂轶苗,牛福生.尾矿矿渣制备地质聚合物材料工艺条件的研究[J].金属矿山,2010,(9):182-185.

[5] Li C,Sun H H,Bai J,et al.Innovative methodology for comprehensive utilization of iron ore tailings:Part 1:the recovery of iron from iron ore tailings using magnetic separation after magnetizing roasting[J].JournalofHazardousMaterials,2010,174(9):71-77.

[6] Li C,Sun H H,Bai J,et al.Innovative methodology for comprehensive utilization of iron ore tailings:Part 2: the residues after iron recovery from iron ore tailings to prepare cementitious material[J].JournalofHazardousMaterials, 2010,174(9):78-83.

[7] 易忠来,孙恒虎,李宇.热活化对铁尾矿胶凝活性的影响[J].武汉理工大学学报,2009,31(12):5-7.

[8] 郑永超,倪文,徐丽,等.铁尾矿的机械力化学活化及制备高强结构材料[J].北京科技大学学报,2010,32(4):504-507.

[9] 李北星,陈梦义,王威,等.养护制度对富硅铁尾矿粉的活性及其浆体结构的影响[J].武汉理工大学学报,2013,35(8):1-5.

Effect of Iron Tailings Regions on the Grindability and Activity

CHENMeng-yi1,2,ZHOUShao-hao1,2,LIBei-xing3,WANGWei1,2

(1.Wuhan Harbor Engineering Design and Research Co.Ltd.,China Communications Construction Company Ltd.,Wuhan 430040,China;2.Hubei Key Laboratory of Advanced Materials & Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures,Wuhan 430040,China;3.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

The grinding time, strength test and activity index were used to study the differences of grinding characteristics and activity of iron tailings from two different regions (Qian'an and Miyun ),and the activity difference was analyzed by the elution amount of activity Si4+and Al3+as well as pore structure and SEM test. The results show that the differences of chemical and mineral composition existing in iron tailings from different regions lead to great differences of their grinding energy, mechanical properties and activity. The grindability of Miyun iron tailings is significantly better than Qian'an iron tailings. Moreover, with a higher elution amount of activity Si4+and Al3+,the activity, mechanical properties and pore structure of Miyun iron tailings are also superior to Qian'an iron tailings.

iron tailings;activity index;elution amount of activity Si4+and Al3+;pore structure

国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA062405).

陈梦义(1988-)，女，硕士.主要从事高性能水泥混凝土方面的研究.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1265-05