用首鋼大石河鐵尾礦制備蒸壓加氣混凝土*

王長龍 梁 慶 王顏軍 倪 文 喬春雨

(1.北京科技大學土木與環境學院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室; 3.河北工程大學土木工程學院;4.首鋼礦業公司大石河鐵礦)

尾礦是將開采出的礦石破碎、磨礦、分級，選出有價值的精礦后排放的細粒固體廢棄物，是工業固體廢棄物的主要組成部分［1］。隨著我國粗鋼產量的逐年提升，國內鐵礦山的開采規模不斷擴大，鐵尾礦的堆存量也不斷增加。據統計，截至2011年底，我國鐵尾礦的堆存總量已經超過30億t［2］。我國對鐵尾礦的綜合利用主要集中在尾礦再選、尾礦用作土壤改良劑及復墾覆土、尾礦制備水泥或膠凝材料、尾礦制備免燒磚或空心砌塊、尾礦制備微晶玻璃及飾面磚、尾礦用作建筑砂或制備混凝土等方面［3-8］。但從總體情況來看，鐵尾礦的利用率不高，利用技術落后，高附加值產品少，研究成果轉化率低。

蒸壓加氣混凝土是以硅質材料(砂、粉煤灰及含硅尾礦等)和鈣質材料(石灰、水泥等)為主要原料，通過化學反應方式形成的多孔混凝土，是一種集保溫、防火、隔音等優點為一體的新型輕質墻體材料［9-11］。利用鐵尾礦生產蒸壓加氣混凝土，不但可以提高鐵尾礦的利用率，還可以解決鐵尾礦占用土地、污染環境的問題。

首鋼大石河鐵礦選礦廠年排放尾礦400多萬t，該礦有兩個尾礦庫，其中孟家沖尾礦庫已閉庫，大石河采區尾礦庫雖在使用但難以再繼續加高擴容，估算服務年限僅剩9.46 a。為此，首鋼礦業公司提出了以大石河鐵礦尾礦為主要原料生產蒸壓加氣混凝土砌塊和蒸壓磚的尾礦資源化利用目標。本試驗開展用大石河鐵尾礦－水泥－石灰原料體系制備蒸壓加氣混凝土的研究，為大石河鐵礦尾礦的資源化利用提供技術依據。

1 試驗材料

1.1 原 料

(1)鐵尾礦。由大石河鐵礦提供，密度2.7 g/ cm3，白度35.1，0.08 mm以下粒級占8.1%，其化學成分分析結果見表1，XRD分析結果見圖1。由表1可知，鐵尾礦SiO2含量＞65%、K2O+Na2O含量＜5%、SO3含量 ＜2%，符合國家標準《JC/T 622—2009 硅酸鹽建筑制品用砂》要求。從圖1可知，鐵尾礦中的主要礦物為石英、普通角閃石、黑云母、斜長石、綠泥石、方解石、赤鐵礦。分析結果表明，該鐵尾礦屬于富含石英和硅酸鹽的高硅鐵尾礦。

表1 原料化學成分分析結果 %

圖1 鐵尾礦XRD圖譜

(2)水泥。市售品，符合國家標準《GB 175—2007 通用硅酸鹽水泥》中對PO42.5水泥的質量要求，其化學成分分析結果見表1。

(3)石灰。市售生石灰，消解溫度為67℃，消解時間為14 min，0.08 mm方孔篩篩余量小于15%，其化學成分分析結果見表1。由表1可知，石灰CaO、MgO、SiO2含量符合國家標準《JC/T 621—2009 硅酸鹽建筑制品用生石灰》要求。

(4)脫硫石膏。取自北京京能熱電股份有限公司，0.08 mm方孔篩篩余量為7.5%，其化學成分分析結果見表1。

1.2 添加劑

(1)鋁粉膏。濟南某公司生產，固體含量為77%，活性鋁含量為86%，16 min發氣率為91%，30 min發氣率大于99%，0.08 mm方孔篩篩余量為3%，水分散性好，無團粒，蓋水面積為5 300 cm2/g，符合國家標準《JC/T 407—2000 加氣混凝土用鋁粉膏》要求。

(2)穩泡劑。江山市天順生物化工廠生產的第8代加氣混凝土專用GT－717型穩泡劑。

2 試驗方法

2.1 蒸壓加氣混凝土制備

試驗目標是制備強度級別為A3.5(抗壓強度≥3.5 MPa)、密度級別為B06(干密度≤650 kg/m3)的蒸壓加氣混凝土，制備流程見圖1。

圖2 試驗流程

(2)將磨好的尾礦漿與石灰、水泥、石膏按一定配比攪拌混勻，然后按液固比為0.6、穩泡劑用量為總水量的8%加入溫水和穩泡劑，攪拌90 s。溫水的溫度控制在使料漿的澆注溫度為50℃左右。

(3)按原料總量(干量)的0.06%加入鋁粉膏，攪拌40 s。

(4)將配好的料漿澆注到100 mm×100 mm×100 mm的試模中，在一定溫度下于養護箱中靜停養護4 h。

(5)脫模，將坯體送至北京市金隅加氣混凝土有限公司，采用工業蒸壓釜進行飽和蒸汽壓力蒸壓養護，蒸壓養護條件:升溫升壓2 h，恒溫恒壓8 h (壓力1.25 MPa、溫度180℃)、降溫降壓2 h。蒸壓完成后烘干，即得成品。

2.2 樣品檢測

參照《GB/T 11969—2008 蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》檢測制品的干密度和抗壓強度，抗壓強度測定在YES－300型數顯液壓壓力試驗機上進行。采用D/MAX－RC型旋轉陽極X射線衍射儀對制品進行XRD分析。

3 試驗結果與討論

3.1 鐵尾礦細度對制品性能的影響

暫定原料質量比為鐵尾礦60%、石灰23%、水泥12%、脫硫石膏5%(均為干量，下同)，靜停養護溫度為55℃，控制鐵尾礦磨礦時間分別為10、20、30、40、50 min，制品的干密度和抗壓強度如表2所示。

表2 鐵尾礦磨礦時間對制品性能的影響

鐵尾礦的細度對料漿的澆注穩定性和制品的性能有一定的影響。在相同的液固比下，尾礦細度過細，會導致料漿黏稠度增大，發氣速度與料漿稠化速度不協調，產生憋氣現象;尾礦細度過粗，易出現塌模、冒泡、沉陷等現象。

從表2可以看出，在試驗磨礦時間范圍內，制品的干密度和抗壓強度均達到目標，但磨礦時間為30 min時制品的抗壓強度最高，達到4.8 MPa，說明此時料漿的稠化速度與發氣速度相協調，有利于形成均勻的氣孔結構，因此確定鐵尾礦的磨礦時間為30 min，相應的鐵尾礦細度為－0.08 mm占97.2%。

3.2 石膏摻量對制品性能的影響

在蒸壓加氣混凝土的生產中，石膏作為調節劑，其主要作用是抑制石灰的消解，并延緩鋁粉膏的發氣速度，延長料漿的稠化時間。

將鐵尾礦濕磨30 min，暫定水泥質量分數為10%、石灰質量分數為25%、靜停養護溫度為55℃，改變石膏的質量分數，同時相應調整鐵尾礦的質量分數，制品的干密度和抗壓強度如表3所示。

表3 石膏摻量對制品性能的影響

由表3可知:在各石膏摻量下，制品的干密度和抗壓強度均達到目標，但石膏摻量為5%時制品的抗壓強度最高，達到4.75 MPa;石膏摻量增加或減少，制品的強度都有不同程度的下降。因此確定石膏摻量為5%。

3.3 原料配比的確定

將鐵尾礦濕磨30 min，固定石膏摻量為5%，暫定靜停養護溫度為55℃，改變鐵尾礦、石灰、水泥的摻量，制品的干密度和抗壓強度如表4所示。

表4 原料配比對制品性能的影響

從表4可知，各原料配比下，制品的干密度和抗壓強度均達到目標，但Q2號原料配比所得制品的抗壓強度最高，所以確定Q2號原料配比為優化配比。

3.4 靜停養護溫度對制品性能的影響

在原料配比相同的情況下，靜停養護溫度不同，料漿的稠化速度也不同，同時與鋁粉膏的發氣速度也不完全協調一致。要想使料漿的稠化速度與鋁粉膏的發氣速度保持同步，從而在制品內部形成較好的氣孔結構，提高制品的性能，就要有合適的靜停養護溫度。

將鐵尾礦濕磨30 min，采用Q2號原料配比，考察靜停養護溫度對制品性能的影響，試驗結果見表5。

表5 靜停養護溫度對制品性能的影響

由表5可以看出，各靜停養護溫度下，制品的干密度和抗壓強度均達到目標，但靜停養護溫度為60℃時制品的抗壓強度最高。這說明適當提高靜停養護溫度對制品強度的發展有利，但靜停養護溫度過高，水分蒸發過快，料漿的稠化速度與鋁粉膏的發氣速度不一致，從而造成憋氣現象，影響制品后期強度的發展。因此，選取靜停養護溫度為60℃。

3.5 制品XRD分析

對上述選定條件下獲得的鐵尾礦蒸壓加氣混凝土制品進行X射線衍射分析，結果如圖3所示。

圖3 制品XRD圖譜

從圖3可以看出:經蒸壓養護后，制品中的新生成物相主要為0.9 nm托貝莫來石(Ca5Si6O18H2)、1.1 nm托貝莫來石(Ca5Si6O175H2O)和1.4 nm托貝莫來石(Ca5Si6O18H28H2O)，這些不同結合水含量托貝莫來石的形成保證了制品具有較高的強度［12-13］。鐵尾礦中的黑云母、方解石經高溫蒸壓后仍有殘留，說明它們在本研究所采用的蒸壓條件下活性較低，未能全部參與反應［14-15］;赤鐵礦的衍射峰強度沒有變化，說明赤鐵礦沒有參與反應，在制品中起骨料作用;石英的衍射峰強度有明顯下降，部分殘余的石英也在制品中起骨料作用。此外，圖3中存在一定彌散的背景，表明制品中有無定形物質或結晶度極低(無衍射峰)的物質存在，它們導致了衍射峰的寬化，同時影響XRD圖譜的背景值［16-18］。

4 結論

(1)成功利用首鋼大石河鐵礦尾礦制備出了強度級別為A3.5、密度級別為B06的蒸壓加氣混凝土，對擴大蒸壓加氣混凝土的原材料來源、促進鐵尾礦綜合利用、保護礦山環境具有積極意義。

(2)利用大石河鐵尾礦制備A3.5、B06級鐵尾礦－水泥－石灰體系蒸壓加氣混凝土的合適工藝參數如下:鐵尾礦磨礦細度為－0.08 mm占97.2%，4種原料鐵尾礦、石灰、水泥、石膏的配比為60∶25∶10∶5，鋁粉膏加入量為原料總量的0.06%，液固比為0.6，穩泡劑用量為總水量的8%，料漿澆注溫度為50℃，靜停養護溫度為60℃，靜停養護時間為4 h，蒸養壓力為1.25 MPa，蒸養溫度為180℃，蒸養時間為8 h。

(3)鐵尾礦蒸壓加氣混凝土的主要水化產物為不同結合水含量的托貝莫來石。鐵尾礦中的赤鐵礦基本不參與水熱反應，其在蒸壓加氣混凝土制品中起骨料作用。

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