鐵尾礦來(lái)源對(duì)其易磨性及活性的影響

陳夢(mèng)義，周紹豪，李北星，王　薇

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢　430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430040;3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430070)

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鐵尾礦來(lái)源對(duì)其易磨性及活性的影響

陳夢(mèng)義1,2，周紹豪1,2，李北星3，王薇1,2

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430040;3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070)

通過(guò)粉磨時(shí)間、強(qiáng)度測(cè)定和活性指數(shù)指標(biāo)研究了遷安和密云兩種不同來(lái)源鐵尾礦粉磨特性及其活性差異，并通過(guò)活性Si4+和Al3+溶出量及孔結(jié)構(gòu)和SEM測(cè)試對(duì)其活性差異進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同來(lái)源鐵尾礦因其化學(xué)成分及組成的礦物差異，使其易磨性、力學(xué)性能及活性均有差異。密云鐵尾礦的易磨性顯著高于遷安鐵尾礦，且其活性Si4+和Al3+溶出量高于遷安鐵尾礦，從而使其活性、力學(xué)性能及孔結(jié)構(gòu)分布均優(yōu)于遷安鐵尾礦。

鐵尾礦； 活性指數(shù)； 活性Si4+和Al3+溶出量； 孔結(jié)構(gòu)

1　引　言

尾礦已成為我國(guó)目前產(chǎn)出量最大、綜合利用率最低的固體廢棄物。其中鐵尾礦堆存量占全部尾礦總堆存量的近1/3，且其每年排出量近3億噸，但其綜合利用率很低，尤其在生產(chǎn)高附加值水泥混凝土制品方面，究其原因是其活性較低[1-3]。為了提高鐵尾礦在水泥混凝土方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)鐵尾礦的活性及其活性提高方法進(jìn)行了大量研究。如劉淑賢等[4]以唐鋼石人溝鐵尾礦為研究對(duì)象，研究了堿激發(fā)對(duì)鐵尾礦活性的影響；李超等[5,6]以 鞍山鐵尾礦為研究對(duì)象，表明采用磁化焙燒的方法可提高鐵尾礦的活性；易忠來(lái)等[7]研究了熱活化對(duì)馬鞍山姑山鐵尾礦活性的影響；鄭永超等[8]研究了機(jī)械力對(duì)密云鐵尾礦活性的影響；李北星等[9]研究了養(yǎng)護(hù)制度對(duì)遷安鐵尾礦活性的影響。現(xiàn)有研究大都針對(duì)某一產(chǎn)地鐵尾礦活性進(jìn)行研究，然而不同來(lái)源鐵尾礦的礦物組成、化學(xué)組成及物理力學(xué)性能存在差異，其來(lái)源不同是否對(duì)其活性有影響有待研究。

試驗(yàn)以密云和遷安鐵尾礦兩種不同來(lái)源的鐵尾礦為研究對(duì)象，通過(guò)粉磨時(shí)間、力學(xué)性能及膠砂活性指數(shù)等指標(biāo)研究了不同來(lái)源鐵尾礦易磨性及膠凝活性的差異。并采用硅鋁溶出量測(cè)定(酸堿溶出法)、孔結(jié)構(gòu)和SEM等測(cè)試手段對(duì)其活性差異進(jìn)行了分析。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

2.1.1水泥

試驗(yàn)所用水泥為華新P·O 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。其基本物理性能如表1所示。·

表1　華新P·O 52.5水泥基本物理力學(xué)性能

2.1.2鐵尾礦

試驗(yàn)所用鐵尾礦來(lái)自遷安和密云，其化學(xué)成分及礦物組成分別見(jiàn)表2及圖1，由表2和圖1可以看出：遷安鐵尾礦和密云鐵尾礦化學(xué)組成基本相同，均主要為SiO2，但遷安鐵尾礦中SiO2含量略高于密云鐵尾礦。遷安和密云鐵尾礦的礦物組成略有差異，雖均主要為石英，其次為長(zhǎng)石類(lèi)礦物和云母，但遷安鐵尾礦中鐵質(zhì)礦物主要為磁鐵礦，而密云鐵尾礦為赤鐵礦，且密云鐵尾礦中含有少量白云石。

表2　不同來(lái)源鐵尾礦的化學(xué)組成

圖1　不同來(lái)源鐵尾礦XRD圖譜(a)遷安;(b)密云Fig.1　XRD patterns of iron tailings from different regions(a)Qian'an;(b)Miyun

2.2試驗(yàn)方法

(1)力學(xué)性能測(cè)試。參照GB17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》進(jìn)行不同來(lái)源鐵尾礦粉水泥膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，其中膠砂比1∶3，水膠比0.5，將成型后的試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，然后至于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至齡期，測(cè)試力學(xué)性能。

(2)活性Si4+和Al3+測(cè)定。分別取1 g不同細(xì)度的鐵尾礦樣品，并分別置于裝有1 mol/L，100 mL的NaOH溶液的塑料瓶中，經(jīng)密封后置于20 ℃的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7 d，然后過(guò)濾，濾液密封保存于塑料瓶中。采用美國(guó) PerkinElmer公司生產(chǎn)的 Optima 4300DV全譜直讀電感耦合等離子發(fā)射光譜儀對(duì)濾液中Si4+和Al3+含量進(jìn)行測(cè)定。

(3)孔結(jié)構(gòu)及SEM測(cè)試。以標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量制備40 mm×40 mm×40 mm凈漿試塊，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，采用美國(guó)Micrometics公司生產(chǎn)的AutoporeⅢ9420型壓汞儀及日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡分別對(duì)其硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)及微觀(guān)形貌進(jìn)行測(cè)試。

3　結(jié)果與討論

3.1不同來(lái)源鐵尾礦對(duì)其粉磨能耗的影響

表3為不同來(lái)源鐵尾礦粉磨至大致相同細(xì)度所耗粉磨時(shí)間。由表3可以看出：粉磨至比表面積大體相同時(shí)，密云鐵尾礦所耗時(shí)間明顯低于遷安鐵尾礦，遷安鐵尾礦粉磨時(shí)間大約為密云鐵尾礦的1倍左右。說(shuō)明密云鐵尾礦易磨性明顯優(yōu)于遷安鐵尾礦，這可能是因?yàn)椴煌瑏?lái)源鐵尾礦礦物組成有差異，且密云鐵尾礦中各礦物裂解所需能耗更低造成的。

表3　不同來(lái)源鐵尾礦粉磨至相同細(xì)度所耗粉磨時(shí)間

3.2不同來(lái)源鐵尾礦活性Si4+和Al3+溶出量測(cè)定

表4為不同來(lái)源鐵尾礦粉活性Si4+和Al3+溶出量。由表4可以看出：鐵尾礦來(lái)源不同，其活性Si4+和Al3+溶出量有較大差異，這可能與其礦物組成差異有關(guān)。隨著細(xì)度的增加，遷安和密云鐵尾礦活性硅鋁溶出量均逐漸升高，且同細(xì)度下，密云鐵尾礦活性硅鋁溶出量高于遷安鐵尾礦，說(shuō)明密云鐵尾礦中活性SiO2和Al2O3含量高于遷安鐵尾礦，其主要礦物石英的無(wú)定形化程度高于遷安鐵尾礦。

表4　不同來(lái)源鐵尾礦粉Si4+和Al3+溶出量

3.3不同來(lái)源鐵尾礦對(duì)其力學(xué)性能及活性的影響

圖2　不同來(lái)源鐵尾礦粉膠砂抗壓強(qiáng)度(a)3 d;(b)28 dFig.2　Mortar compressive strength of iron tailings from different regions

圖2和圖3分別為不同來(lái)源鐵尾礦粉的抗壓強(qiáng)度及抗壓活性指數(shù)。其中鐵尾礦替代水泥量為30%，活性指數(shù)為摻30%鐵尾礦-水泥膠砂與純水泥膠砂的28 d抗壓強(qiáng)度比。

圖3　不同來(lái)源鐵尾礦粉抗壓活性指數(shù)Fig.3　Compressive activity index of iron tailings from different regions

由圖2可以看出：密云和遷安鐵尾礦對(duì)水泥膠砂試件各齡期的抗壓強(qiáng)度影響不同。3 d齡期時(shí)，隨鐵尾礦細(xì)度的增加，密云鐵尾礦膠砂試件抗壓強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)，而遷安鐵尾礦則逐漸增加的趨勢(shì)；28 d齡期時(shí)，密云和遷安鐵尾礦膠砂試件抗壓強(qiáng)度均隨其細(xì)度的增加而逐漸增加。且同細(xì)度下，密云鐵尾礦膠砂試件的抗壓強(qiáng)度高于遷安鐵尾礦，說(shuō)明密云鐵尾礦對(duì)膠砂試件的強(qiáng)度貢獻(xiàn)高于遷安鐵尾礦。

由圖3可以看出：密云和遷安鐵尾礦粉的28 d活性指數(shù)均隨其細(xì)度的增加而逐漸增加，但當(dāng)其細(xì)度達(dá)到750 m2/kg左右后，其活性提高幅度不顯著。且同細(xì)度下，密云鐵尾礦的活性指數(shù)高于遷安鐵尾礦。這是因?yàn)殡S著鐵尾礦細(xì)度的增加，一方面其活性SiO2和Al2O3含量逐漸增加，另一方面其填充漿體孔隙的微細(xì)顆粒也逐漸增加，使得硬化漿體的活性指數(shù)隨細(xì)度的增加而增加，但當(dāng)其細(xì)度增加到一定程度時(shí)，鐵尾礦顆粒會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，其在漿體內(nèi)部得不到有效分散，不利于其填充作用的發(fā)揮，從而使其活性指數(shù)不再顯著增加。

3.4孔結(jié)構(gòu)分析

圖4及表5 分別為不同來(lái)源鐵尾礦粉-水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿28 d齡期的孔徑分布曲線(xiàn)及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中兩種鐵尾礦粉比表面積為750 m2/kg左右，摻量均為20%。

表5　不同來(lái)源鐵尾礦粉硬化漿體孔徑分布及孔徑參數(shù)

圖4　不同來(lái)源鐵尾礦粉硬化漿體孔徑分布微分曲線(xiàn)Fig.4　Pore size distribution curve of iron tailings from different regions

圖5　不同來(lái)源鐵尾礦粉硬化漿體SEM圖(a)遷安;(b)密云Fig.5　SEM photographs of hardened iron tailings paste from different regions

由圖4和表5可以看出：遷安和密云鐵尾礦粉硬化漿體均以100 nm以下的無(wú)害凝膠孔和少害孔為主，且密云鐵尾礦粉因其活性稍高于遷安鐵尾礦，而使其硬化漿體中20 nm以下的無(wú)害凝膠孔數(shù)量稍高于遷安鐵尾礦，200 nm以上多害孔的數(shù)量、平均孔徑及孔隙率稍低于遷安鐵尾礦，這也是密云鐵尾礦硬化漿體具有更高力學(xué)性能的原因。

3.5SEM分析

圖5為不同來(lái)源鐵尾礦粉水泥硬化漿體28 d齡期SEM照片。

由圖5可以看出：遷安和密云鐵尾礦粉硬化漿體中均可看到許多呈不規(guī)則形狀的鐵尾礦顆粒，鐵尾礦顆粒與周?chē)鷿{體界面清晰可見(jiàn)，漿體結(jié)構(gòu)均比較疏松。

4　結(jié)　論

不同來(lái)源的鐵尾礦，其礦物組成及化學(xué)成分存在差異，導(dǎo)致其在易磨性、活性及其對(duì)膠砂強(qiáng)度的貢獻(xiàn)規(guī)律等方面存在較大區(qū)別，在今后鐵尾礦的資源化利用中，應(yīng)當(dāng)重視鐵尾礦來(lái)源對(duì)其物化性能的影響，不可對(duì)所有鐵尾礦的物化性能規(guī)律一概而論。

(1)密云鐵尾礦礦物成分裂解所需能耗低于遷安鐵尾礦，使其在粉磨過(guò)程中需要能量小，易磨性高;

(2)密云鐵尾礦主要礦物石英的無(wú)定形化程度高于遷安鐵尾礦，使其活性、孔結(jié)構(gòu)分布及其漿體力學(xué)性能較優(yōu)。

[1] Zhang S,Xue X,Liu X.Current situation and comprehensive utilization of iron ore tailings resources[J].MiningScience,2006,42(4):403-408.

[2] 張淑會(huì),薛向欣,金在峰,我國(guó)鐵尾礦的資源現(xiàn)狀及其綜合利用[J].材料與冶金學(xué)報(bào),2004,3(4):241-245.

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[6] Li C,Sun H H,Bai J,et al.Innovative methodology for comprehensive utilization of iron ore tailings:Part 2: the residues after iron recovery from iron ore tailings to prepare cementitious material[J].JournalofHazardousMaterials, 2010,174(9):78-83.

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Effect of Iron Tailings Regions on the Grindability and Activity

CHENMeng-yi1,2,ZHOUShao-hao1,2,LIBei-xing3,WANGWei1,2

(1.Wuhan Harbor Engineering Design and Research Co.Ltd.,China Communications Construction Company Ltd.,Wuhan 430040,China;2.Hubei Key Laboratory of Advanced Materials & Reinforcement Technology Research for Marine Environment Structures,Wuhan 430040,China;3.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

The grinding time, strength test and activity index were used to study the differences of grinding characteristics and activity of iron tailings from two different regions (Qian'an and Miyun ),and the activity difference was analyzed by the elution amount of activity Si4+and Al3+as well as pore structure and SEM test. The results show that the differences of chemical and mineral composition existing in iron tailings from different regions lead to great differences of their grinding energy, mechanical properties and activity. The grindability of Miyun iron tailings is significantly better than Qian'an iron tailings. Moreover, with a higher elution amount of activity Si4+and Al3+,the activity, mechanical properties and pore structure of Miyun iron tailings are also superior to Qian'an iron tailings.

iron tailings;activity index;elution amount of activity Si4+and Al3+;pore structure

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2012AA062405).

陳夢(mèng)義(1988-)，女，碩士.主要從事高性能水泥混凝土方面的研究.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1265-05