铁尾矿粉对碱矿渣泡沫混凝土力学性能的影响

田雨泽， 张兴师， 胡君一， 孙秋柏， 潘常升

(1. 辽宁科技大学土木工程学院，辽宁 鞍山　114000；2．辽宁集佳节能墙体装备有限公司，辽宁 鞍山　114000)



铁尾矿粉对碱矿渣泡沫混凝土力学性能的影响

田雨泽1， 张兴师1， 胡君一1， 孙秋柏1， 潘常升2

(1. 辽宁科技大学土木工程学院，辽宁 鞍山114000；2．辽宁集佳节能墙体装备有限公司，辽宁 鞍山114000)

为了研究铁尾矿粉对碱矿渣泡沫混凝土力学性能的影响，用掺入了铁尾矿粉的碱矿渣泡沫混凝土制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，分别将混凝土试块养护3、 7、28 d后，测试其抗压强度. 结果表明：随着铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土表观密度的增加，其抗压强度不断增大；当铁尾矿粉的掺量从10%增加到30%时，碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度逐渐增大；当铁尾矿粉的掺量从30%增加到50%时，碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度逐渐减小，且强度损失较明显，随着铁尾矿粉细度的提高，碱矿渣泡沫混凝土的强度逐渐增大.

铁尾矿粉；碱矿渣；泡沫混凝土；抗压强度

铁尾矿粉是铁选厂在特定经济技术条件下，将铁矿石磨细，选取“有用组分”后排放的废弃物[1]. 铁尾矿在工业固体废弃物中的比例越来越大，大量的铁尾矿工业废弃物的堆积，不仅造成资源的极大浪费，而且污染环境，威胁尾矿库下游人民的生命财产安全. 如何处理大量的尾矿已成为亟待解决的问题. 目前，国内外对铁尾矿的二次利用主要集中于尾矿再选(从尾矿中回收有价成分)、矿山采空区的充填、尾矿复垦、用作建筑材料等方面. 在建筑行业中，铁尾矿主要用于烧制水泥、代替天然骨料、制砖或加气混凝土、制备微晶玻璃、制备白炭黑等，但总体利用率仍较低[2]. 现在，许多矿业企业为了选出更多的铁精矿，加强了对铁矿石的粉磨，致使铁尾矿粒级越来越细[3]，加剧了铁尾矿粉在铁尾矿废弃物中的比重. 碱矿渣混凝土是碱金属化合物作为碱组分去激发矿渣而得到的一种水硬性胶凝材料. 因其容易获得高强度且后期强度稳步增长、早强快硬、孔结构优良、抗水抗冻融等性能较好而被广泛应用. 同时，由于制造碱矿渣混凝土的原料来源广泛且价格低廉，因而发展碱矿渣混凝土在能源和资源紧张的今天显得更有意义[4-6].

泡沫混凝土是将化学发泡剂或物理发泡剂发泡后加入到胶凝材料、掺合料、改性剂、卤水等制成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、自然养护后形成的含有大量封闭气孔的多孔材料. 具有投资小、规模灵活、见效快、价格低、就地取材、利废环保、生产方式灵活、易于实施、轻质、保温、隔热、防潮、隔声、抗

震性好等优点[7-8]. 已有研究表明[9]，适量的铁尾矿粉掺入泡沫混凝土中，可使泡沫混凝土获得良好的工作性能，若铁尾矿粉能改良碱矿渣泡沫混凝土的工作性能，则以铁尾矿粉为骨料，以铁尾矿粉、高炉矿渣、水泥熟料、发泡剂和自制外加剂混磨产品为胶凝材料制成碱矿渣泡沫混凝土，既能解决铁尾矿的处理问题，又节约建材成本，保护互不干涉. 因此，研究铁尾矿粉对碱矿渣泡沫混凝土力学性能的影响具有现实意义. 本实验研究了铁尾矿粉的掺量、细度对碱矿渣泡沫混凝土抗压强度的影响，并且研究了表观密度对铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土抗压强度的影响.

1　实验部分

1.1主要原料

矿渣粉为鞍钢矿渣开发公司生产的S95矿渣粉(比表面积>400 m2/kg)；铁尾矿粉为辽阳弓长岭浮选矿粉，主要化学成分见表1；水泥为辽阳天瑞水泥有限公司生产的普通水泥；发泡剂为H2O2；稳泡剂为硬钙；外加剂为自制外加剂；激发剂为KMnO4.

表1　铁尾矿粉主要化学成分

1.2主要实验设备

沈阳巨林机械公司生产的KEW-300型水泥恒应力压力试验机.

1.3实验方法

根据所需配比计算出试验所需的矿渣粉、尾矿粉、水泥、外加剂等物料量，称出所需物料，并将其充分混合制成预混料. 各组分配比见表2.

准确称量试验所需水量，与预混料充分搅拌，水化均匀后加入发泡剂，通过发泡剂的加入量来调节样品的表观密度；将发泡浆料注入模具中，静置发泡，待定型后拆模，制作成100 mm×100 mm×100 mm的标准样块. 将样块分别养护3、7、28 d后测试其抗压强度.

表2　铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土主要成分

1.4性能测试

表观密度、抗压强度试件应采用符合JG237标准的规定. 抗压强度试验机应符合GB/T10294的规定.

2　结果与讨论

2.1不同密度对泡沫混凝土抗压强度的影响

在泡沫混凝土各组分掺量一定时，考察了不同

表观密度等级对其抗压强度的影响，详见表3. 可以看出，随着泡沫混凝土表观密度的增加，其抗压强度不断增大；当矿渣粉掺量为40%、铁尾矿粉掺量为30%、水泥掺量为25%时，养护28 d后表观密度为700 g/cm3的铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度可达到2.57 MPa.

铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土的表观密度与其孔结构特征、孔形貌特征及孔径大小等因素相关. 在制备表观密度较小的混凝土时，混凝土中大量气泡在搅拌过程中发生合并、破裂，且气泡分布不均匀，致使混凝土成型后形成大量的大气孔和孔壁结构不够完整的连通孔. 所以表观密度较小的铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土抗压强度低. 随着表观密度的增大，铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土的气泡逐渐变小，独立的封闭孔增多，孔分布均匀，贯通孔减少，孔壁结构比较完整，所以抗压强度提高.

表3　不同密度对泡沫混凝土抗压强度的影响

2.2铁尾矿粉掺量对碱矿渣泡沫混凝土抗压性能的影响

针对表观密度等级为700 g/cm3和400 g/cm3的碱矿渣泡沫混凝土，在水泥的掺量为25%条件下改变铁尾矿粉和矿渣粉的配比，考察其对抗压强度的影响. 不同掺量的铁尾矿粉对表观密度等级为700、400 g/cm3的碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度的影响见表4，根据表4得到铁尾矿粉掺量对碱矿渣泡沫混凝土抗压强度的影响曲线，见图1. 由图可知，当铁尾矿粉的掺量从10%增加到30%时，碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度逐渐增大；当铁尾矿粉的掺量从30%增加到50%时，碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度逐渐减小，且强度损失较明显. 铁尾矿粉掺量在30%左右，对碱矿渣泡沫混凝土强度最为有利，且该掺量不随表观密度的变化而改变.

表4　不同掺量的铁尾矿粉对碱矿渣泡沫混凝土抗压强度的影响

当铁尾矿粉的掺量适中时，铁尾矿粉颗粒能够充分地分散在基体中，铁尾矿粉颗粒起到了力学骨架的作用，从而起到补强作用；但随着铁尾矿粉的掺量继续增大，矿渣粉的含量减少，由矿渣粉水化生成的C- S- H凝胶相对减少，部分铁尾矿粉颗粒和矿渣残存颗粒不能被C- S- H凝胶完全包裹，凝胶与铁尾矿粉、矿渣残存颗粒之间的黏结力下降，致使基体界面一定程度上遭受破坏，部分铁尾矿粉颗粒发生沉积，导致碱矿渣泡沫混凝土抗压强度下降.

2.3铁尾矿粉细度对碱矿渣泡沫混凝土抗压性能的影响

针对表观密度等级为700 g/cm3的碱矿渣泡沫混凝土，在铁尾矿粉掺量为30%不变的条件下改变铁尾矿粉的细度，考察其对抗压强度的影响，详见表5和图2. 可以看出，随着铁尾矿粉细度的提高，碱矿渣泡沫混凝土的强度逐渐增大. 当铁尾矿粉的细度为200目时，养护28 d天后表观密度为700 g/cm3的铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度可达到2.56 MPa. 随着铁尾矿粉细度的提高，其比表面能增加，更有利于铁尾矿粉分散到基体中，这使得铁尾矿粉与基体界面的结合更加紧密、结构更加致密，最终导致碱矿渣泡沫混凝土的强度增大.

表5　铁尾矿粉细度对碱矿渣泡沫混凝土抗压性能的影响

2.4掺有铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土的水化过程及微观形貌分析

制品在凝结硬化过程中，矿渣发生复杂的水化反应，碱矿渣泡沫混凝土结构的形成过程包括原始矿渣结构的解体和新结构的缩聚. 矿渣玻璃体由“富硅相”和“贫硅相”的分相结构构成. 富硅相中，硅离子的含量较高，结构紧密，硅氧四面体的键合方式主要以三维骨架结构和层状结构为主，当外界条件发生变化时，硅氧四面体结构解体较难；贫硅相中，硅离子的含量较低，钙离子和铝离子较高，结构较松散，硅氧四面体的键合方式主要以孤立状、链状或环状结构和组群状结构键合，外界条件发生变化时，硅氧四面体结构容易解体[10]. 矿渣在水泥水化反应正在进行的溶液中，贫硅相迅速水化，逐步裸露出来水化速度比较慢的富硅相；随着矿渣水化的不断进行，富硅相逐渐部分水解，形成新的水化凝胶产物，同时，普通硅酸盐水泥水化也生成凝胶产物，这些凝胶物质相互黏结填充于矿渣的网络结构中.

矿渣中的贫硅相水化生成的Ca2+、Mg2+、Al3+作为活性阳离子，使OH-与富硅相充分接触，促使富硅相逐渐溶解，主要的化学键破坏如方程式[11]为

或者

遭受破坏的化学键主要是Ca—O、Mg—O、Al—O以及Si—O. 由于旧键断裂，新键形成，碱矿渣结构分解的中间产物中含有 [SiO4]4-、[AlO4]5-等阴离子和Ca(OH)+、Ca(OH)(H2O)+等阳离子. 随着水化反应的进行，阴阳离子达到一定的过饱和度时，将生成中间络合物，中间络合物再转化为高度无定形的单聚物. 水化反应到达一定阶段，中间络合物和单聚物分别发生缩聚反应，转化为多聚物，最终生成CaO—SiO2—H2O系统的水化物C- S- H凝胶和CSH(Ⅰ)托贝莫来石族，还可能包含部分Na2O—Al2O3—SiO2—H2O系统的水化物水霞石、钠沸石、方沸石和其他沸石类水化物[12-13].

表观密度等级为700 g/cm3的掺铁尾矿粉的碱矿渣泡沫混凝土经常温养护28 d后，水化产物微观形貌见图3. 由图可知，水化产物密集丛生，结构紧致. 试样断面上A处生成的结晶是结晶程度比较好的C- S- H(Ⅰ)凝胶，B处叶片状或者板状结晶是托贝莫来石和沸石类矿物，其中托贝莫来石部分来自普通硅酸盐水泥的水化产物，部分来自矿渣的水化产物，C 处柱状产物是钙沸石类矿物，D处覆盖层是沸石类无定形凝胶状矿物. 由于无定形凝胶状矿物将铁尾矿粉颗粒、立方形矿物、矿渣的残存颗粒牢固地包裹住，无定形凝胶将这些密集的水化产物相互胶结在一起，形成良好的网络状框架结构，该结构能够改变制品气孔结构，较好地抵抗外界的荷载，在应力作用下，不易引起应力集中，提高了制品的强度[14-18]，因此，图中没有出现预期的立方形杆沸石类矿物和铁尾矿粉颗粒.

3　结论

1) 随着铁尾矿粉碱矿渣泡沫混凝土表观密度的增加，其抗压强度也不断增大.

2) 当铁尾矿粉的掺量从10%增加到30%时，碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度逐渐增大；当铁尾矿粉的掺量从30%增加到50%时，碱矿渣泡沫混凝土的抗压强度逐渐减小，且强度损失较明显. 铁尾矿粉掺量在30%左右，对碱矿渣泡沫混凝土强度最为有利.

3) 随着铁尾矿粉细度的提高，碱矿渣泡沫混凝土的强度逐渐增大.

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(责任编辑郑筱梅)

Effect of Iron Ore Tailings Powder on Performance of Alkali-activated Slag Foamed Concrete

TIAN Yuze1, ZHANG Xingshi1, HU Junyi1, SUN Qiubai1, PAN Changsheng2

(1. School of Civil Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114000, Liaoning, China;2. Liaoning Jijia Energy Saving Wall Equipment Corporation, Anshan 114000, Liaoning, China)

In order to study the effects of iron tailings powder on the mechanical performance of alkali-activated slag foam concrete， alkali-activated slag concrete doped with powdered iron ore tailings was made into 100 mm×100 mm×100 mm cube specimens, which was respectively cured 3 days, 7 days and 28 days. Then the compressive strength of concrete block was tested. The results show that with the increase of the apparent density of alkali-active slag foam concrete, compressive strength also continually grows. When the content of iron tailings powder rises from 10% to 30%, the compressive strength of the alkali-active slag foam concrete increases too. When the content of iron tailings powder rises from 30% to 50%, the compressive strength decreases, and the loss of strength is obvious. With the increase of fineness of iron ore tailings powder, the compressive strength of the alkali-active slag foam concrete gradually improves.

iron ore tailings powder； alkali-activated slag；foamed concrete；compressive strength

2015- 05- 15

“十二五”科技支撑计划资助项目(2013BAJ15B03)

田雨泽(1970—)， 男， 副教授， 主要从事新型建筑材料、施工技术方面的研究， E-mail: tianyuzhe@163.com

TU 528

A

0254-0037(2016)05-0742-06

10.11936/bjutxb2015050046