高掺量低硅铁尾矿制备泡沫混凝土试验研究

黄雯 李育彪 李鹏飞 潘梦真 刘曙 陈坤

（1.武钢资源集团程潮矿业有限公司；2.武汉理工大学资源与环境工程学院；3.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室）

我国铁尾矿排放量和堆存量巨大，占尾矿总产生量的39.31%，累计堆存铁尾矿总量近70 亿t。《全国矿产资源节约与综合利用报告（2019）》显示，2011—2018年我国尾矿总产生量呈倒“U”形，自2014年达到高峰后逐年下降，但2018年铁尾矿量仍为4.76 亿t，虽然2018 年的尾矿综合利用率达27.69%，但仍有很大提升空间［1］。目前，尾矿利用仍处于起步阶段，大多仅停留在尾矿回填或直接作为砂石骨料销售和有价金属组分回收，其综合利用率和高值利用率仍偏低［2-3］，尤其是低硅铁尾矿的高效资源综合利用一直是困扰铁矿企业的难题，其堆存不仅给企业带来巨大经济负担，更是环境污染的重要源头。目前，国内外针对低硅尾矿综合利用方面的研究较少，现有资料显示，可以利用此类尾矿制备蒸养砖、灰砂砖、瓷砖、陶粒制品等［4-6］，但上述建筑材料附加值较低，限制了产品的广泛应用，较难实现低硅铁尾矿的大规模应用。

泡沫混凝土具有轻质性、整体性、良好的热工性能、隔热防火性能、低弹减震性、耐水性、环保性，且具有一定的抗压性［7-9］；所需原料为水泥、骨料和起泡剂，不存在含苯、甲醛等有害物质，避免了环境污染；也可充分利用废弃材料、尾矿、钢渣等，节省原材料成本，降低价格，具有较强的经济性。泡沫混凝土属于多孔轻质材料，可减轻建筑物整体荷载，降低结构和基础造价，对抗震有利，也常用于节能墙体和屋面保温层［10］；其被广泛应用于夹芯构件、挡土墙、管线回填、贫混凝土填层、屋面边坡等建材方面，也被用于高速公路减轻荷重或土压、园林绿化和国防等领域［8］。

本试验对武钢资源集团程潮矿业有限公司杨家湾尾矿坝中的铁尾矿进行取样测试分析，制定了该铁尾矿的分级综合利用路线，成功制备出一种高掺量低硅铁尾矿制轻质泡沫混凝土。充分利用了低硅铁尾矿的细粒度、低成本特征，拓宽了泡沫混凝土的原材料范围，降低了原材料成本，为市场提供了更丰富的泡沫混凝土制品，对推动建筑节能减排具有重要现实意义。

1 试验

1.1 试验设备

试验设备为激光粒度分析仪（Mastersizer 2000），英国马尔文仪器有限公司；X 射线衍射仪（X'Pert PRO）、X 射线荧光衍射仪（Axios），荷兰帕纳科公司；水泥砂浆搅拌机（JJ-5），沧州建仪中科路桥试验仪器有限公司；微机电子抗折抗压试验机（YDW-10），杭州鑫高科技有限公司；电子天平（CP224C/JE1002），奥豪斯仪器（常州）有限公司；标准恒温恒湿养护箱（YH—4013），河北中柯达仪器有限公司；电热恒温干燥箱（RK/DRK-2），武汉洛克粉磨设备制造有限公司。

1.2 试剂与材料

试验主要原料为武钢资源集团程潮矿业有限公司杨家湾尾矿坝铁尾矿，作为制备泡沫混凝土的骨料，该铁尾矿的粒度分布见表1，XRD图见图1。

由表1、图1 可知，尾矿样品颗粒粒度未达到《建设用砂》（GB/T 14684-2011）中颗粒级配标准，无法直接作为机制砂使用，但可利用其制备泡沫混凝土［11］；通过XRD 图谱分析可知，铁尾矿中含有金云母、钠长石、石英、方解石、绿泥石、黄铁矿和石膏。

尾矿样XRF测试分析结果见表2。

由表2 可知，该铁尾矿中的SiO2含量为26.24%，属于低硅铁尾矿，其他含量较高的氧化物包括Al2O3、CaO、Fe2O3，结合XRD 可知，尾矿主要以方解石、云母和石膏等低硬度、易风化、易泥化矿物为主，利用难度较高［12］。

试验胶凝材料为华新42.5 水泥（华新水泥股份有限公司），混凝土添加剂有发泡剂H2O2（30%，国药集团化学试剂有限公司），混凝土稳泡剂（瑞远建材化工有限公司），聚丙烯纤维（6 mm，江西南昌沙索化工有限公司），脱模剂采用混凝土试件高效脱模剂（武汉佳华建材有限公司）。原料配比采用内掺法。

1.3 试件制备

泡沫混凝土适宜的成型料浆温度为15～30 ℃、环境温度为5～35 ℃。温度影响发泡剂产气速率、水泥凝结硬化速率及料浆黏滞阻力，从而对发泡过程产生影响［13］。相关文献表明，料浆温度与环境温度都会对产气过程产生影响［14］，所以该试验应控制环境温度20±1 ℃，采用化学发泡法制备泡沫混凝土，按一定配合比称取所需原料，置于水泥胶砂搅拌机中，将干料搅拌2～3 min，再加入一定量温水（20±1 ℃）低速搅拌2 min，随后快速加入发泡剂，并高速搅拌10 s，使料浆与化学发泡剂充分接触发生反应，最后将浆料转入模具中。室温下静置成型24 h 后脱膜养护，标准养护（20±1 ℃）或自然养护（薄膜覆盖）28 d 取样切割得试样，测密度、抗压强度等指标。试件为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件。

2 结果与讨论

2.1 水料比的影响

水料比对铁尾矿粉泡沫混凝土性能有显著影响。水料比过高，易导致凝结时间过长，产生分层泌水等现象，影响其性能；水料比过低，易发生团聚现象，影响均匀性。合适的水料比能确保料浆的均匀性，提高泡沫混凝土强度、耐久性等。水泥与铁尾矿总用量为100%，以铁尾矿为内掺基料，条件为20±1 ℃，铁尾矿50%，发泡剂6%，稳泡剂0.4%和聚丙烯纤维0.3%，探究水料比对泡沫混凝土性能的影响，水料比分别为0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 时，测得泡沫混凝土干密度和28 d抗压强度，结果见图2。

由图2可见，水料比对泡沫混凝土抗压强度和干密度影响较大，水料比为0.35 时，28 d 抗压强度0.740 MPa，干密度804.96 kg/m3；随水料比增大，抗压强度先增大后减少，而干密度逐渐降低；当水料比升高到0.45 时，28 d 抗压强度达到最大值0.930 MPa，干密度755.97 kg/m3；随水料比继续升高至0.60 时，28 d抗压强度下降到0.310 Mpa，干密度478.13 kg/m3；由此可知，水料比较小时，由于加入的水少，使得料浆过稠，部分水泥未能与水充分接触，水化反应不完全，干密度较大，抗压强度较低；当水料比升高到0.45时，其水化反应较好，故抗压强度明显变大；随水料比继续升高至0.60 时，抗压强度明显降低，主要原因可能是料浆稠度较低，导致干密度较低、料浆内气泡不稳定，易发生分层现象，并显著降低试件抗压强度；因此，取抗压强度最高、干密度相对较低时的水料比0.45作为后续试验条件。

2.2 水泥用量的影响

水泥作为重要的无机胶凝材料，主要通过水泥的水化反应为混凝土提供黏结强度。为探究水泥用量对泡沫混凝土性能的影响，试验在水料比为0.45时，选用水泥用量分别为干料质量的60%，55%，50%，45%，40%，测得泡沫混凝土干密度和28 d 抗压强度值，结果见图3。

由图3 可见，随水泥用量增加，抗压强度与干密度均增大；当水泥用量由40%增加到45%时，干密度变化不大，28 d 抗压强度由0.500 MPa 增加到0.950 MPa，干密度为497.90 kg/m3，满足A05 等级抗压强度和干密度；当水泥用量由45%增加到60%时，抗压强度缓慢增大，但干密度明显增大，其中，水泥用量为60%时，28 d 抗压强度达1.070 MPa，干密度为784.95 kg/m3；分析原因可能是因为水泥用量过少时，水化反应不均匀、胶凝强度偏低，降低了泡沫混凝土抗压强度；随水泥用量增加，铁尾矿粉能较好地分散在水泥颗粒间，改善料浆流动性，使气泡均匀分布在料浆中，水化反应较完全；综合考虑行业标准《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）要求，确定后续试验水泥用量为45%。

2.3 发泡剂用量的影响

选用H2O2作为发泡剂，其反应后的产物无害且无污染，产生泡沫量多。由于铁尾矿中存在Fe、Cu等金属离子，可发生自身氧化还原反应。基于上述试验，水泥用量为45%，其他条件不变，调整发泡剂用量分别为4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，6.5%，7.0%时，研究发泡剂用量对泡沫混凝土干密度和抗压强度的影响，见图4。

由图4 可见，随发泡剂用量增加，28 d 抗压强度及干密度均呈下降趋势；当发泡剂用量从4.5%增加至7.0%时，抗压强度从2.513 MPa 下降到0.734 MPa，干密度从870.33 kg/m3降至500.45 kg/m3；当发泡剂用量为6%时，抗压强度为1.253 MPa，干密度为640.36 kg/m3，满足标准中A07 等级抗压强度和干密度要求；发泡剂用量与抗压强度、干密度呈负相关，可能是由于发泡剂用量增加，导致浆料气泡增多，孔结构和力学结构被破坏。由于水泥和铁尾矿量是主要强度来源，其单位体积随气泡增多而减少会导致抗压强度降低和干密度逐渐降低；综合考虑，后续试验选取发泡剂用量为6.0%。

2.4 稳泡剂用量的影响

稳泡剂在发泡水泥中的主要作用是通过增加泡沫体系稳定性使产泡过程中气泡在料浆中稳定存在。基于上述试验，发泡剂用量为6.0%，其他条件不变，调整稳泡剂用量分别为0.25%，0.30%，0.35%，0.40%，0.45%，研究稳泡剂用量对泡沫混凝土干密度和抗压强度的影响，结果见图5。

由图5 可见，随着稳泡剂用量的增加，干密度先增大后减小，用量0.3%时最大，为788.74 kg/m3，用量0.45%时最小，为720.23 kg/m3；抗压强度在稳泡剂用量为0.25%～0.4%时，变化幅度不大（1.018～1.059 MPa）；当稳泡剂用量为0.45%时，抗压强度显著下降到0.916 MPa；整体而言，28 d 抗压强度较好且平缓，可能是由于稳泡剂改善了气孔形貌，降低了气孔孔径，增加了泡沫混凝土抗压强度；但是，随稳泡剂用量增大，抗压强度又下降，可能是过量的稳泡剂会延长凝结时间，导致泡沫混凝土内部气泡破裂；考虑实际生产成本，选择干密度相对较低、抗压强度相对较高时的用量，即0.25%，此时干密度为720.23 kg/m3，抗压强度为1.049 MPa。

2.5 聚丙烯纤维用量的影响

纤维具有亲水性，在铁尾矿泡沫混凝土中会形成相互交织的三维网状结构，使铁尾矿泡沫混凝土的力学性能得到提高，影响收缩率。固定稳泡剂用量为0.25%，控制其他条件不变，调整聚丙烯纤维用量分别为0.20%，0.25%，0.30%，0.35%，0.40%，0.45%，测得稳泡剂用量对泡沫混凝土抗压强度和干密度的影响，结果见图6。

由图6可见，聚丙烯纤维对泡沫混凝土干密度影响较小，在679～689 kg/m3范围内波动，但抗压强度随聚丙烯纤维用量增加呈先上升后下降趋势；当用量为0.3%时，抗压强度最大，为1.335 MPa，干密度为683.54 kg/m3；随聚丙烯纤维用量增加，抗压强度先增加，主要是因为聚丙烯纤维分割会在产气过程再分割气孔，使气孔更加细小，孔隙分布更加均匀，但孔隙率几乎不变，且纤维在泡沫混凝土中相互支撑，形成了稳定的三维网络结构，可以有效减缓泡沫混凝土开裂，缩短裂纹的长度，使泡沫混凝土的力学性能得到显著提高［15］；但当纤维用量大于0.30%时，泡沫混凝土抗压强度明显降低，主要是因为过多的纤维在料浆中团聚，影响了浆体流动性能，纤维团的沉降导致“串泡”现象，形成薄弱部位，最终导致大孔增多、抗压强度显著下降［15］；因此，聚丙烯纤维最佳用量选取0.30%。

2.6 最优条件试验

由单因素条件试验可以确定高掺量低硅铁尾矿制备泡沫混凝土最优原料配比铁尾矿55%，发泡剂6.0%，水料比0.45，稳泡剂0.25%，聚丙烯纤维0.3%。由于不同试验阶段，操作过程中外界温度、水温等条件发生了变化或测试误差，不同试验阶段所得试件测试指标存在一定差异，在20±1 ℃的环境温度及水温条件下，进行最优条件重复试验，制得最优轻质泡沫混凝土（表3），该最优轻质泡沫混凝土抗压强度和密度关系满足行业标准《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中A06、C1等级。

3 结论

（1）泡沫混凝土在配制过程中合理控制水料比，有利于气泡均匀分布和稳定存在，从而形成干密度小、抗压强度高的泡沫混凝土试件。水泥用量是泡沫混凝土性能极为重要的影响因素之一，泡沫混凝土的抗压强度和干密度均随水泥用量增大而增大，当水泥用量为45%时，发泡水泥强度较高、干密度较低，抗压强度和干密度满足《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中A05～A07对应强度等级。

（2）泡沫混凝土抗压强度和干密度均随发泡剂用量和水料比增加而减小，随稳泡剂用量增加先增加后减小，通过调整水料比和稳泡剂用量可以达到调节泡沫混凝土抗压强度和干密度的目的；抗压强度随聚丙烯纤维用量增加呈先上升后下降趋势，适量聚丙烯纤维可显著提高泡沫混凝土抗压强度。

（3）泡沫混凝土最佳原料配比为铁尾矿55%，普通硅酸盐水泥45%，发泡剂6%，聚丙烯纤维0.3%，稳泡剂0.25%，水料比0.45，最优轻质泡沫混凝土28 d 抗压强度为1.080 MPa，干密度为600.09 kg/m3。