趙云良，張一敏，陳鐵軍

(武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430070)

鄂西高磷赤鐵礦儲(chǔ)量巨大，如何利用分選過(guò)程產(chǎn)生的大量尾礦，實(shí)現(xiàn)鄂西鐵礦尾礦的高效利用，始終是不可避免的重大課題。鐵尾礦綜合利用的途徑一般有有價(jià)元素的再選[1]、制作建筑材料[2-3]、利用尾礦充填采空區(qū)[4]、制作功能材料[5-7]、尾礦回填與復(fù)墾等[8-9]。鄂西某選礦廠附近石灰石資源豐富且尚未開(kāi)發(fā)利用，為實(shí)現(xiàn)該地赤鐵礦尾礦和石灰石資源的綜合利用，以它們?yōu)橹饕现苽湔魤捍u具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)粉煤灰制備蒸壓磚進(jìn)行了大量研究[10-11]，但隨著粉煤灰的綜合利用程度不斷加深，粉煤灰價(jià)格也隨之升高，粉煤灰蒸壓磚的生產(chǎn)成本增加，以礦山尾礦為主要原料制備蒸壓磚成為了重要的研究課題。本研究在鐵尾礦特性分析的基礎(chǔ)上，利用其作為骨料和硅源，以鄂西當(dāng)?shù)刎S富而廉價(jià)的石灰石作為鈣源，再摻配適量黃沙，制備性能較好的蒸壓磚，以便為鄂西赤鐵礦尾礦高效大量利用提供新的途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料及其特性

1.1.1 赤鐵礦尾礦

赤鐵礦尾礦取自鄂西建始縣某選礦廠，為強(qiáng)磁選尾礦。尾礦干燥后經(jīng)兩段顎式破碎機(jī)和一段對(duì)輥破碎機(jī)破細(xì)成粉狀，作為試驗(yàn)用原料。以Xios advanced X線(xiàn)熒光光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鐵尾礦化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of hematite tailings %

由表 1可知：該赤鐵礦尾礦 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.4%，屬低硅型鐵尾礦[12]。

采用D/Max-IIIA型XRD衍射儀對(duì)其進(jìn)行礦物組成分析，掃描速度為15 (°)/min，步長(zhǎng)為0.02°，靶材為Cu靶，電壓為40 kV，電流為30 mA，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 赤鐵礦尾礦XRD圖Fig.1 XRD pattern of hematite tailings

從圖1可知：該赤鐵礦尾礦的礦物組成主要成分是赤鐵礦和石英，次要礦物為綠泥石和方解石等。

用篩分分析法對(duì)其進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 鐵尾礦粒度特性曲線(xiàn)Fig.2 Particle size distribution of hematite tailings

從圖2可見(jiàn)：鐵礦尾礦粒度較小，粒徑小于0.044 mm的占50.44%，小于0.074 mm的占82.14%，故鐵尾礦顆粒有較大的比表面積，有利于其硅質(zhì)成分在蒸壓過(guò)程中與氫氧化鈣充分反應(yīng)。同時(shí)，鐵尾礦顆粒中存在部分較粗顆粒，在復(fù)合體系中起到骨料的作用。

1.1.2 石灰

石灰為蒸壓反應(yīng)提供鈣源，與復(fù)合體系中的硅質(zhì)材料反應(yīng)生成各種水化產(chǎn)物，使制品獲得一定強(qiáng)度；另一方面石灰消化時(shí)可產(chǎn)生大量熱量，加強(qiáng)了水分子的熱運(yùn)動(dòng)，提高成型物料的塑性。試驗(yàn)所用石灰為自制煅燒石灰。石灰石取自鄂西建始縣某選礦廠附近，在煅燒溫度為1 150 ℃、恒溫時(shí)間為30 min條件下，所制得石灰的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.26%，消化溫度為99 ℃，消化時(shí)間為280 s，滿(mǎn)足JC/T 621—1996(《硅酸鹽建筑制品用生石灰》)一等品技術(shù)要求。

1.1.3 黃沙

由于所用鐵尾礦為低硅型鐵尾礦，為滿(mǎn)足制備蒸壓磚一定的鈣硅比和顆粒級(jí)配，摻入適量的硅質(zhì)材料——黃沙，試驗(yàn)用黃沙粒度為0.9～1.6 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

由表2可知：黃沙中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.60%。黃沙的摻入直接影響蒸壓磚的性能，表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：(1) 提供硅源。黃沙中的SiO2多以游離的石英態(tài)存在，在水熱條件下能更為迅速的溶解于 Ca(OH)2飽和溶液，生成水化硅酸鈣，提高蒸壓磚性能；(2) 改善粒級(jí)。黃沙在復(fù)合體系中充當(dāng)粗骨料，在加壓成型中，起到了傳遞壓力作用，克服較小鐵尾礦顆粒所造成的密度不勻、憋氣分層等現(xiàn)象，并提高了制品的強(qiáng)度[13]。

表2 黃沙化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical compositions of yellow sands %

1.2 試件制備及檢測(cè)

將石灰石在一定溫度下經(jīng) XZ-13電阻爐恒溫煅燒30 min，制得生石灰，冷卻后將其放入GJ-Ⅱ型密封式化驗(yàn)制樣機(jī)中粉磨備用。

將赤鐵礦尾礦、石灰、黃沙和石膏按比例稱(chēng)量后，在 JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)中混合均勻(混合料含水率為15%)，消化后裝入直徑為50 mm的模具中，模具放置在YES-100數(shù)顯式液壓壓力試驗(yàn)機(jī)中以20 MPa的壓力成型，即制得磚坯。

磚坯在YZF-2A型蒸壓釜中進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，國(guó)外學(xué)者研究表明在飽和蒸汽正常的條件下恒壓時(shí)間和壓力的乘積為70～75 kg/(cm2·h)就能獲得良好的制品[14]，故試驗(yàn)蒸汽選用壓力為1.2 MPa，蒸壓時(shí)間為6 h。磚坯出釜后，即得赤鐵礦尾礦蒸壓磚。

蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)按照 GB/T 2542—2003(《砌墻磚試驗(yàn)方法》)的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 配方設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用原料赤鐵礦尾礦、石灰、黃沙和石膏之間存在化學(xué)反應(yīng)，在復(fù)合體系中是相互影響、相互制約，故試驗(yàn)采用 3因素 4水平的正交試驗(yàn)進(jìn)行配方設(shè)計(jì)。

選取石灰、黃沙和石膏摻量為考察因素，以抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，尋求最佳的配方，選用 4水平的L16(45)正交表所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的因素水平表見(jiàn)表 3，正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析分別如表4和表5所示。

由表4和表5結(jié)果可知：影響赤鐵礦尾礦蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度從大到小的順序?yàn)槭?A)、黃沙(B)和石膏(C)，即A＞B＞C。綜合考慮赤鐵礦尾礦的利用率、原料成本和蒸壓磚性能，配方的適宜組合為A4B3C1，即石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，不摻入石膏，此時(shí)赤鐵礦尾礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。

表3 因素水平表(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Levels of factors %

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of orthogonal experiments

表5 正交試驗(yàn)的極差分析Table 5 Range analysis of orthogonal experiment

2.2 攪拌工藝的影響

在一般情況下，傳統(tǒng)混凝土物料采用一次攪拌，即可達(dá)到技術(shù)要求[15]。但是，由于本試驗(yàn)所用石灰為自燒石灰，在加水?dāng)嚢钑r(shí)石灰開(kāi)始消化，為提高石灰消化擴(kuò)散和成型物料塑性，考慮采用預(yù)攪拌和終攪拌的2次攪拌工藝，即增加預(yù)攪拌工序。

在赤鐵礦尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%條件下，以未經(jīng)預(yù)攪拌和經(jīng)預(yù)攪拌的 2種攪拌工藝分別制得赤鐵礦尾礦蒸壓磚，并對(duì)蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同攪拌工藝對(duì)塑性和抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of different stirring processes on plasticity and compressive strength

由圖3可知：經(jīng)一次攪拌工藝的成型物料塑性指標(biāo)為2.1 cm·kg，蒸壓磚抗壓強(qiáng)度為18.58 MPa；經(jīng)2次攪拌工藝的成型物料塑性指標(biāo)為2.5 cm·kg，蒸壓磚抗壓強(qiáng)度為21.20 MPa，均高于一次攪拌，并將制品級(jí)別提高，從MU15提高到MU20。這是因?yàn)槭以谙^(guò)程中會(huì)部分結(jié)塊形成假性顆粒，導(dǎo)致成型坯體不密實(shí)，而2次攪拌工藝能很好地對(duì)消化物料起到粉碎作用。另外，第二次攪拌時(shí)加入少量水，并將這部分水均勻分布在尚未形成良好水膜的固體顆粒表面，有效地提高了成型物料的塑性和蒸壓磚的抗壓強(qiáng)度。

后續(xù)試驗(yàn)全部采用2次攪拌工藝，工藝參數(shù)為：一次攪拌加水10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，二次攪拌加水5%。

2.3 成型壓力的影響

壓制成型使硅源顆粒與鈣源顆粒緊密接觸以保證顆粒間的反應(yīng)高效進(jìn)行，同時(shí)為磚坯提供初始強(qiáng)度。在赤鐵礦尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，采用2次攪拌工藝不變的條件下改變成型壓力，分別為10，15，20，25和30 MPa，考察成型壓力對(duì)蒸壓磚制品的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 成型壓力對(duì)制品性能的影響Fig.4 Effect of different forming pressures on performance of autoclaved bricks

由圖4可知：制品的抗壓強(qiáng)度和凍融后抗壓強(qiáng)度隨著成型壓力的增加先快速增加，當(dāng)成型壓力達(dá)到20 MPa后趨于平緩；抗折強(qiáng)度隨著成型壓力的增加并不太明顯，當(dāng)成型壓力分別為5 MPa和10 MPa時(shí)，凍融后質(zhì)量損失在1%以上，當(dāng)成型壓力大于20 MPa時(shí)，凍融后質(zhì)量損失明顯降低并趨于緩和。這是由于在成型壓力低于一定值時(shí)，物料的孔隙率很大，顆粒間的內(nèi)摩擦力小，成型壓力的增加能顯著地提高物料顆粒的緊密程度，有利于蒸壓反應(yīng)的充分進(jìn)行和磚坯的初始強(qiáng)度提高；但當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，顆粒間摩擦力增大，同時(shí)，顆粒間未排出的氣體壓縮導(dǎo)致反膨脹力增大，此時(shí)，成型壓力的增加并不能有效地提高顆粒間的致密度。故試驗(yàn)選取 20 MPa作為適宜的成型壓力。

2.4 優(yōu)化試驗(yàn)

將上述各試驗(yàn)所得結(jié)果組合成優(yōu)化試驗(yàn)方案制備一批赤鐵礦尾礦蒸壓磚，并參照GB 11945—1999(《蒸壓灰砂磚》)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)化試驗(yàn)方案及抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可知：在優(yōu)化試驗(yàn)方案條件下制備的蒸壓磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到GB 11945—1999(《蒸壓灰砂磚》)規(guī)定的MU20級(jí)的要求，這說(shuō)明利用鄂西赤鐵礦尾礦及當(dāng)?shù)厥沂Y源并摻入適量黃沙，制備性能較好的赤鐵礦尾礦蒸壓磚是可行的。

表6 優(yōu)化試驗(yàn)方案及蒸壓磚性能Table 6 Optimization experiment and performance of autoclaved brick

3 制品表征

為研究制備的蒸壓磚的強(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)在赤鐵礦尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，采用2次攪拌工藝，成型壓力為20 MPa，蒸汽壓力為1.2 MPa，蒸壓時(shí)間為6 h條件下制備的蒸壓磚進(jìn)行XRD和SEM分析，結(jié)果分別見(jiàn)圖5和圖6。

從圖5可以看出：蒸壓磚的主要物相有赤鐵礦、石英、方解石、水石榴石、托勃莫來(lái)石和Ⅰ型水化硅酸鈣。這說(shuō)明在1.2 MPa的蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，赤鐵礦尾礦和黃沙中的SiO2溶解，并與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)生成了Ⅰ型水化硅酸鈣、托勃莫來(lái)石和水石榴石，這些水化產(chǎn)物填充在骨架的孔隙中，賦予蒸壓磚強(qiáng)度，尤其是托勃莫來(lái)石具有良好的物理力學(xué)性能，為蒸壓磚的高強(qiáng)度提供了保證。

圖5 蒸壓磚的X線(xiàn)衍射譜Fig.5 XRD pattern of autoclaved brick

圖6 蒸壓磚的SEM形貌圖Fig.6 SEM morphologies of autoclaved brick

由圖6(a)看到：蒸壓磚的結(jié)構(gòu)致密，孔隙少且小，顆粒級(jí)配合適，顆粒之間的連接緊密，水化產(chǎn)物很好地包覆在赤鐵礦尾礦及黃沙顆粒表面，蜂窩狀的水化硅酸鈣交織填充在孔隙中，這為蒸壓磚強(qiáng)度的發(fā)揮提供了很好的條件。圖6(b)中，薄片狀的托勃莫來(lái)石，纖維狀的Ⅰ型水化硅酸鈣以及未分解完全的水石榴石聚集在一起，相互交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)水化產(chǎn)物在顆粒上附著，并膠結(jié)赤鐵礦尾礦和黃沙顆粒形成緊密和堅(jiān)固的骨架，使整個(gè)復(fù)合體系結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙率降低，從而使蒸壓磚具有較高的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1) 利用鄂西赤鐵礦尾礦及當(dāng)?shù)厥沂Y源并摻入適量黃沙為原料制備蒸壓磚。在赤鐵礦尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 70%，石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%，黃沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，采用2次攪拌工藝，成型壓力為20 MPa，蒸汽壓力為1.2 MPa，蒸壓時(shí)間為6 h條件下制備的蒸壓磚達(dá)到GB 11945—1999(《蒸壓灰砂磚》)規(guī)定的MU20級(jí)的要求。

(2) 赤鐵礦尾礦蒸壓磚強(qiáng)度主要來(lái)源于水化反應(yīng)生成的Ⅰ型水化硅酸鈣、托勃莫來(lái)石和水石榴石，它們相互交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并膠結(jié)赤鐵礦尾礦和黃沙顆粒，形成緊密和堅(jiān)固的骨架。

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