低硅鐵尾礦陶粒的制備與應(yīng)用

王德民 雷國(guó)元 宋均平 王 濤 劉博華 羅文斌 程依金 劉 署

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.武漢科技大學(xué)礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.武漢鋼鐵(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司)

我國(guó)鐵礦資源具有貧、細(xì)、雜的特點(diǎn)，鐵礦石選礦會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)粒尾礦。尾礦堆存不僅占有土地，而且對(duì)庫(kù)區(qū)周邊、尤其對(duì)庫(kù)區(qū)下游環(huán)境構(gòu)成潛在危害。截止到2011年底，我國(guó)尾礦堆存量高達(dá)120億t左右，而且每年以15億t左右的速度在增長(zhǎng)，與之相對(duì)應(yīng)的是我國(guó)目前尾礦利用率不足當(dāng)年產(chǎn)尾礦的17%［1-2］，鐵尾礦處置及其綜合利用是行業(yè)面臨的重大課題。

回填礦山采空區(qū)、生產(chǎn)建材是很有前景的尾礦處置和綜合利用技術(shù)。輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能化是建材行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，陶粒是建材領(lǐng)域重要的輕質(zhì)骨料，市場(chǎng)前景良好。目前，用高硅鐵尾礦制備多孔陶粒的研究有過(guò)報(bào)道［3］，但用低硅鐵尾礦制備陶粒卻鮮見(jiàn)報(bào)道，用低硅鐵尾礦制造輕質(zhì)陶粒依然有大量的工作要做。本研究將以某低硅鐵尾礦為原料開(kāi)展陶粒的研制與應(yīng)用工作。

1 試驗(yàn)原料

(1)鐵尾礦。取自某鐵礦山，粒度篩析結(jié)果見(jiàn)表1，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2，XRD圖譜見(jiàn)圖1。

表1 鐵尾礦粒度篩析結(jié)果

表2 鐵尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

圖1 鐵尾礦XRD圖譜

由表1、表2可知，該鐵尾礦屬于細(xì)粒低硅鐵尾礦，添加高硅、高鋁成分有利于提高生球的硅、鋁含量。

由圖1可知，鐵尾礦的主要礦物相為石英(SiO2)、鎂方解石((Mg0.064Ca0.936)CO3))、斜長(zhǎng)石((Na，Ca)(Si，Al)4O8)、赤鐵礦(Fe2O3)、鐵輝石(CaFe(Si2O6))等。

(2)工業(yè)粉狀廢物。取自某電廠，－38.5 μm占89.5%，具有高硅、鋁特征，用于低硅鐵尾礦陶粒制備可以彌補(bǔ)鐵尾礦的硅、鋁不足。其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表3，XRD圖譜見(jiàn)圖2。

表3 工業(yè)粉狀廢物主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

圖2 工業(yè)粉狀廢物XRD圖譜

從表3可知，該工業(yè)粉狀廢物SiO2、Al2O3含量高達(dá)51.84%和30.39%，具有較好的提高生球硅、鋁含量的效果。

由圖2可知，工業(yè)粉狀廢物的主要礦物相有石英(SiO2)、赤鐵礦(Fe2O3)、多鋁紅柱石(Al2.3Si0.7O4.85)、 鈉長(zhǎng)石(Na(AlSi3O8))等。

(3)KD。一種粉狀農(nóng)業(yè)廢棄物，磨細(xì)后取－100目部分。KD具有成孔、供熱作用。

(4)水泥。為湖北華新水泥股份有限公司制造的42.5普通硅酸鹽水泥。

(5)水。為生活用自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 鐵尾礦陶粒制備

2.2 輕質(zhì)陶粒型混凝土制備

在《JGJ51—2002 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程附錄A》規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行輕質(zhì)陶粒型混凝土原料的配比試驗(yàn)(取最佳工藝條件下燒制的陶粒)，按計(jì)算后的配合比稱(chēng)取陶粒和水泥，將陶粒預(yù)濕至飽和面干后與水泥、水混勻，然后澆筑在體積為100 mm×100 mm×100 mm的模具中，人工搗實(shí)后放在20℃的YH－40B型恒溫養(yǎng)護(hù)箱中靜停養(yǎng)護(hù)10 d，使料漿硬化成型。

2.3 產(chǎn)品分析

2.3.1 鐵尾礦陶粒性能分析

根據(jù)GB/T 17431.2—2010測(cè)定鐵尾礦陶粒的堆積密度、表觀密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率和空隙率;根據(jù)GB/T 3810.3—1999測(cè)定鐵尾礦陶粒的顯氣孔率，用X＇Pert MPD Pro型X射線衍射儀對(duì)鐵尾礦、工業(yè)粉狀廢物和鐵尾礦陶粒進(jìn)行物相分析。

2.3.2 輕質(zhì)陶粒型混凝土性能分析

用TYE－2000型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定抗壓強(qiáng)度，根據(jù)GB/T 10297—1998用QTM－500型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定樣品導(dǎo)熱系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 陶粒原料成分試驗(yàn)

3.1.1 KD添加量試驗(yàn)

固定工業(yè)粉狀廢物添加量為固體原料總質(zhì)量的17%，低硅鐵尾礦+KD總添加量為固體原料總質(zhì)量的83%，KD添加量變化范圍為固體原料總質(zhì)量的6%～12%，KD添加量對(duì)陶粒性能影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，隨著KD添加量的增加，陶粒的筒壓強(qiáng)度和表觀密度逐漸降低，而陶粒吸水率和顯氣孔率逐漸增加。綜合考慮，確定KD添加量為固體原料總質(zhì)量的8%。

圖3 KD添加量對(duì)陶粒性能影響試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 工業(yè)粉狀廢物添加量試驗(yàn)

固定KD的添加量為固體原料總質(zhì)量的8%，低硅鐵尾礦+工業(yè)粉狀廢物總添加量為固體原料總質(zhì)量的92%，工業(yè)粉狀廢物添加量變化范圍為固體原料總質(zhì)量的13%～19%，工業(yè)粉狀廢物添加量對(duì)陶粒性能影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 工業(yè)粉狀廢物添加量對(duì)陶粒性能的影響

由圖4可見(jiàn)，隨著工業(yè)粉狀廢物添加量的增加，陶粒的強(qiáng)度和表觀密度逐漸增加，而陶粒吸水率和顯氣孔率逐漸降低，且各指標(biāo)變化趨勢(shì)均較為平緩。綜合考慮，確定工業(yè)粉狀廢物的添加量為固體原料總質(zhì)量的17%。

3.2 鐵尾礦陶粒的物理性能及XRD圖譜

3.2.1 鐵尾礦陶粒的物理性能

對(duì)原料中鐵尾礦、工業(yè)粉狀廢物、KD的質(zhì)量比為75∶17∶8的陶粒進(jìn)行了粒度分析和物理性能分析，結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5。

表4 成品陶粒的篩析

表5 成品陶粒的物理性能

由表5可見(jiàn)，成品陶粒的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到《GB/T 17431.1—2010 輕集料及其試驗(yàn)方法》中粉煤灰陶粒的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 鐵尾礦陶粒的XRD圖譜

鐵尾礦陶粒的XRD圖譜見(jiàn)圖5。

圖5 鐵尾礦陶粒XRD圖譜

由圖5可見(jiàn)，低硅鐵尾礦陶粒中主要為輝石(Ca(Mg，F(xiàn)e，Al)(Si，Al)2O6)、赤鐵礦(Fe2O3)、鈉長(zhǎng)石((Ca，Na)(Si，Al)4O8)等礦物相。通過(guò)與圖1、圖2的對(duì)比可以看出，陶粒焙燒前后的礦物相發(fā)生了顯著變化，原料中石英、鎂方解石、斜長(zhǎng)石、鐵輝石、多鋁紅柱石的礦物相在高溫焙燒過(guò)程中消失。礦物相的顯著減少表明生成了新的礦物，提高了陶粒的強(qiáng)度并改善了陶粒的性能。

3.3 輕質(zhì)陶粒混凝土的性能

由于成品陶粒的級(jí)配符合《GB/T 17431.1—2010 輕集料及其試驗(yàn)方法》中16～5 mm粒級(jí)的級(jí)配要求。因此，直接用篩出－5 mm粒級(jí)的成品陶粒為輕質(zhì)骨料，與水泥配制輕質(zhì)陶粒混凝土。

《JGJ 51—2002 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程附錄A》規(guī)定:陶粒用量為其密實(shí)堆積密度值，水泥用量在150～250 kg/m3之間。試驗(yàn)成品陶粒的密實(shí)堆積密度為920 kg/m3，則陶粒用量為920 kg/m3，水泥用量為220 kg/m3，試驗(yàn)中水灰比為0.37(不含預(yù)濕陶粒用水)，對(duì)應(yīng)的輕質(zhì)鐵尾礦陶粒混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值為5.37 MPa，容重為1 250 kg/m3，達(dá)到了《JGJ 51—2002 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中密度等級(jí)為1 200、抗壓強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C5.0的技術(shù)要求。經(jīng)檢測(cè)，輕質(zhì)陶粒混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.571 W/m·K，遠(yuǎn)低于普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)(1.5～1.7 W/m·K)［4］。

4 結(jié)論

(1)以某低硅鐵尾礦為主要原料，在鐵尾礦、工業(yè)粉狀廢物、KD質(zhì)量比為75∶17∶8時(shí)可以燒制出優(yōu)質(zhì)鐵尾礦陶粒，各項(xiàng)指標(biāo)性符合《GB/T 17431.1—2010 輕集料及其試驗(yàn)方法》要求。

(2)輕質(zhì)鐵尾礦陶粒混凝土符合《JGJ51—2002輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中密度等級(jí)為1 200、抗壓強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C5.0的要求，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、保溫性好等特點(diǎn)。

(3)我國(guó)鐵礦山選礦廠絕大部分分布在農(nóng)村地區(qū)，尤其是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的中西部省份的農(nóng)村地區(qū)，在我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)剛剛起步的今天，開(kāi)發(fā)利用鐵尾礦生產(chǎn)鐵尾礦陶粒混凝土既有利于減少固體廢棄物的堆存量，又有利于建設(shè)節(jié)能型建筑，具有顯著的節(jié)能減排意義。

［1］ 孟躍輝，倪 文，張玉燕．我國(guó)尾礦綜合利用發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.中國(guó)礦山工程，2010，39(5):4-9．

［2］ 中國(guó)礦產(chǎn)綜合利用協(xié)會(huì).2010—2011年度大宗工業(yè)固體廢棄物綜合利用發(fā)展報(bào)告［M］.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2012.

［3］ Liu Y S，Du F，Yuan L，et al．Production of lightweight ceramisite from iron ore tailings and its performance investigation in a biological aerated filter(BAF)reactor［J］.Hazardous Materials，2010，178:999-1006．

［4］ 肖建莊，宋志文，張 楓．混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)與分析［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2010，13(1):17-21．