铁尾矿轻质保温砖的研制

吴庆文 ，刘艳娟

(1. 景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333403；2. 唐山学院，河北 唐山 063000)

0 引 言

随着铁矿的开发，铁尾矿越来越多，不仅占用耕地，而且也会造成对环境的污染和资源的浪费，为此材料工作者对其综合利用进行了深入研究[1-3]。目前，铁尾矿可以用于充填采空区、制备建筑材料及建筑装饰材料等[4-8]。本文拟利用铁尾矿为主要原料，采用可塑成型法制备轻质保温砖[9-10]，开辟铁尾矿应用的新领域。

1 实 验

1.1 实验所用原料

实验所用主要原料见表1。

1.2 实验所用主要设备

实验所用主要设备有：KM-1快速研磨机，湘潭华丰仪器制造有限公司；SX2箱式电阻炉，湘潭华丰仪器制造有限公司。

1.3 实验方案

以铁尾矿及紫木节粘土为主要原料，加入5wt.%-25wt.%成孔剂及少量外加剂，经研磨混合、困料、可塑成型、干燥和烧成，制成铁尾矿轻质保温砖。其工艺流程如图1所示。

表1 实验所用主要原料Tab.1 Main materials for experiments

图1 铁尾矿制备轻质保温砖工艺流程Fig.1 Preparation of light-weight insulating brick with iron tailing

2 实验结果与讨论

2.1 成孔剂及加入量对轻质保温砖气孔率和抗压强度的影响

考虑到可塑成型泥料成型的可能性，确定铁尾矿与粘土比例为4 : 1(质量比)。

选取白云石、碳酸钙、碳酸镁、煤粉做成孔剂，加入量分别为(质量百分比)5wt.%、10wt.%、15wt.%、20wt.%、25wt.%于1100 ℃烧成，保温20 min。实验结果见表2。

由表2可见，随着成孔剂加入量的增加，气孔率逐渐增加。其中白云石成孔率高，煤粉成孔率虽然也高，但因其含有硫等组份，其燃烧对环境存在一定的影响。对白云石而言，其加入量增加到一定程度时，气孔率随白云石加入量逐渐上升的速率降低，故白云石加入量取20wt.%，其气孔率为65.7 vol.%。

选取白云石做成孔剂，1100 ℃烧成、保温20 min，试样抗压强度测试结果见表3。

由表3可知，随着白云石加入量的增加，抗压强度逐渐下降。这是由于随着白云石加入量增加，气孔率增加，承载压力截面积变小，故抗压强度降低。当白云石加入量达25wt.%时，抗压强度突然下降，且强度较低。

表2 成孔剂及加入量对轻质保温砖气孔率的影响Tab.2 Effect of the pore-forming agent amount on the porosity of light-weight insulating brick

表3 白云石加入量对轻质保温砖抗压强度的影响Tab.3 Effect of the dolomite doping amount on the compressive strength of light-weight insulating brick

由以上气孔率和抗压强度的综合分析可知，选取白云石作为成孔剂，在加入量20wt.%时，其气孔率达65.7vol.%、抗压强度为7.1 MPa。既能保证材料具有较高的气孔率，同时具有较高的抗压强度。

2.2 烧成温度对轻质保温砖气孔率和抗压强度的影响

以白云石做成孔剂，加入量为20wt.%，分别于1000 ℃、1050 ℃、1100 ℃、1150 ℃、1200 ℃下进行烧成，在最高温度下的保温时间均为20 min。

升温制度设定为：室温-300 ℃，升温速度为5 ℃/min；300-700 ℃，升温速度为10 ℃/min；700 ℃-最高烧成温度，升温速度为15 ℃/min。

制备的试样气孔率见表4，抗压强度见表5。

由表4可见，随着烧成温度的提高，气孔率逐渐增加，但在1050-1150 ℃时气孔率变化不太明显。当温度升高到一定程度，气孔率反而下降，原因是当温度过高时产生液相，提高多孔轻质保温砖致密度，导致气孔率下降。

由表5可知，烧成温度升高，材料抗压强度逐渐提高，但1100 ℃以后变化不大，且在1200 ℃时，抗压强度下降。随着烧成温度的提高，烧结致密性提高，导致抗压强度提高。温度过高时，可能因为玻璃化严重，导致抗压强度降低。

表 4 烧成温度对轻质保温砖气孔率的影响Tab.4 Effect of the fi ring temperature on the porosity of light-weight insulating brick

表5 烧成温度对轻质保温砖抗压强度的影响Tab.5 Effect of the fi ring temperature on the compressive strength of light-weight insulating brick

表6 保温时间对轻质保温砖气孔率的影响Tab.6 Effect of the holding time on the porosity of light-weight insulating brick

表7 保温时间对轻质保温砖抗压强度的影响Tab.7 Effect of the holding time on the compressive strength of light-weight insulating brick

综上所述，较为合理的烧成温度为1100 ℃。

2.3 保温时间对轻质保温砖气孔率和抗压强度的影响

以白云石为成孔剂，加入量为20wt.%、烧成温度为1100 ℃，改变保温时间进行烧成，保温时间确定为10 min、15 min、20 min、25 min、30 min。实验结果见表6，材料抗压强度随保温时间的变化见表7。

由表6可见，保温时间长，将促进分解反应的进行，有助于气孔的形成。但达到一定程度，反应一旦结束，延长保温时间，将促进烧结过程的进行，导致质点的移动，质点填充到气孔之中，气孔率下降。

由表7显示，随着保温时间的增加，烧结逐渐致密，抗压强度逐步提高。但到一定程度，烧结趋于完全，使得抗压强度变化不明显且过长的保温时间还会导致抗压强度的下降及能源消耗的增加。

实验结果表明，合理的保温时间确定为20 min。

2.4 合理工艺技术条件下试样的体积密度测试

以铁尾矿和紫木节粘土为主要原料，白云石为成孔剂，辅以少量外加剂，在白云石加入量20wt.%、烧成温度1100 ℃、保温时间20 min的条件下制备轻质保温砖，并对其进行体积密度测试。测试结果表明：该轻质保温砖试样体积密度为1.10 g/cm3,符合轻质保温砖的密度要求(0.75-1.20 g/cm3)。

3 结 论

以铁尾矿和紫木节粘土为主要原料、辅以少量外加剂，加入成孔剂，可制备铁尾矿轻质保温砖。所选四种成孔剂，白云石较好，在白云石加入量20wt.%、烧成温度1100 ℃、保温时间20 min条件下，可制备出较好的轻质保温砖，其气孔率达65.7 vol.%，符合MJ5.0标准(强度 ≥ 5.0 MPa)要求；体积密度为1.10 g/cm3,符合轻质保温砖的密度要求(0.75-1.20 g/cm3)。可作为民用等建筑物保温材料。