王宏霞 張文生 葉家元 張建波

中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024

鐵尾礦替代鐵粉制備硅酸鹽水泥熟料的研究*

王宏霞 張文生 葉家元 張建波

中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024

研究鐵尾礦取代鐵粉時鐵尾礦對硅酸鹽水泥生料易燒性及水泥物理力學性能的影響，結果表明，鐵尾礦摻量的變化對生料的易燒性影響不明顯。鐵尾礦取代鐵粉煅燒水泥熟料有助于熟料礦相的發(fā)育，并使熟料具有較高的水化活性，其強度超過鐵粉配制的水泥。本實驗范圍內(nèi)，鐵尾礦作為鐵質(zhì)原料的最大摻量為3.1%。

鐵尾礦 硅酸鹽水泥熟料 易燒性 強度

0 引言

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦后的礦物廢料。正如同其他工業(yè)固體廢棄物，其不但會占用大量土地資源，污染環(huán)境，而且還須耗資輸送和建庫存放等，因而鐵尾礦的資源化利用問題一直是人們關注的焦點[1-3]。

我國研究者們對鐵尾礦在水泥生產(chǎn)中的應用開展了大量的研究工作，并取得了一些成果。但由于不同地區(qū)鐵尾礦的物化特性差別很大，因而其具體應用方式不盡相同。例如，二氧化硅含量高的鐵尾礦被用來取代黏土燒制水泥熟料，而氧化鐵含量較高的鐵尾礦就可替代鐵質(zhì)原料等。

目前，有關鐵尾礦的研究更多著眼于高硅鐵尾礦取代黏土燒制水泥熟料方面，在高鐵鐵尾礦方面的研究甚少[4,5]。為此，本研究選取了廈門某廠的氧化鐵高達40%以上的鐵尾礦，開展了其部分或全部取代鐵粉燒制水泥熟料的研究。其研究結果旨在為鐵尾礦在水泥生產(chǎn)中的應用提供一定的理論依據(jù)和實驗指導。

1 原材料和實驗方法

1.1 原材料

實驗所用的鈣質(zhì)原料、硅質(zhì)原料、鋁質(zhì)校正原料及鐵質(zhì)原料的化學組成見表1所示。

1.2 實驗方法

將各原料分別在球磨機中粉磨至0.08 mm方孔篩篩余小于5%。然后在確定的率值下（石灰飽和系數(shù)KH為0.88、硅率SM為2.58及鋁率IM為1.62），鐵尾礦取代鐵粉從10%到100%變化，配制出了11組生料。其相關配料如表2所示。配制好的生料置于高溫爐中在五種不同溫度（1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃、1 450 ℃）下進行煅燒。煅燒完成后出爐急冷至室溫，得到熟料試樣。

表1 各原材料的化學組成 w%

采用甘油乙醇法測定熟料的fCaO含量；采用德國布魯克的X-射線衍射儀進行測定熟料的礦物組成；采用金相顯微鏡觀察熟料的巖相結構。

表2 由鐵尾礦部分和全部取代鐵粉的水泥生料配料表 %

2 結果分析與討論

2.1 生料的易燒性

對煅燒所得熟料進行fCaO測定，其測定結果見圖1所示。

圖1 不同溫度煅燒下生料的易燒性

圖1為11種生料在五種不同煅燒溫度下所得熟料的fCaO。由圖1可看出，煅燒溫度為1 250 ℃時，各原料的fCaO均較高。這表明在此溫度下各種礦物還未大量形成。同時，從該曲線也可看出，隨著鐵尾礦取代量的增大（從0%～60%），fCaO的量呈下降趨勢，而后又逐漸上升。其原因可能在于隨著鐵尾礦含量的增大，鐵尾礦所含的石英阻礙了C2S吸收fCaO，因而使得fCaO來不及被C2S吸收形成C3S，故fCaO較高。

溫度為1 300～1 450 ℃時，fCaO量均遠小于1%，曲線的變化規(guī)律幾乎一致，各溫度下的fCaO的差距很小。這表明在1 300～1 450 ℃正是水泥熟料中各種礦物大量形成階段。在本實驗范圍內(nèi)，鐵尾礦摻量的變化（即0%～3.1%）對fCaO的影響不明顯。

2.2 水泥熟料的XRD分析

鑒于L6對應的fCaO較低，實驗對經(jīng)1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃和1 450 ℃煅燒的L0、L6和L10熟料進行礦物組成分析。其結果見圖2所示。

圖2 不同試樣在不同煅燒溫度下的XRD圖譜

從圖2可清晰看到，在1 300 ～1 450 ℃的煅燒溫度下，L0、L6和L10試樣的主要礦物組成基本相同，均含有鐵鋁酸四鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣等。這說明在1 300 ℃以上的溫度煅燒下，水泥礦物相大量形成。而在1 250 ℃煅燒下，礦相組成顯示大量硅酸二鈣（特征峰：0.488 nm、0.2751 nm、0.2731 nm）的存在。這一結果顯然與上述生料fCaO的實驗結果相一致。從圖2中也看出，隨著煅燒溫度從1 250 ℃增加到1 300 ℃，C2S的特征峰變小，而C3S的特征峰變強。并隨溫度從1 300 ℃增大到1 450 ℃，這種現(xiàn)象越來越明顯。

2.3 水泥熟料的巖相分析

選取L0和L10在1 450 ℃煅燒所得熟料進行巖相分析如圖3所示。由圖3可見，L0中，A礦的晶體尺寸偏小，并且細晶成堆，尺寸不均勻，不規(guī)則狀分布。而L10中，A礦尺寸偏大，形態(tài)主要呈規(guī)則的長柱狀、板狀。晶體邊界棱角完整；B礦表面平滑。

圖3 水泥熟料的光學顯微鏡圖片

2.4 水泥物理力學性能

在L0和L10試樣在1 450 ℃煅燒所得的熟料中摻入5%石膏，然后將其磨制成硅酸鹽水泥（比表面積為345 m2/kg），按照GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的標準進行水泥性能檢測，結果如表3所示。

由表3可知，鐵尾礦全部取代鐵粉配制的水泥，其凝結時間正常，安定性合格，并且其早期強度和后期強度均超過鐵粉配料的水泥強度，達到硅酸鹽水泥52.5硅酸鹽水泥國家標準的要求。結合上述水泥熟料的巖相分析可見，鐵尾礦取代鐵粉有助于水泥熟料礦相的發(fā)育，并使熟料具有較高的水化活性，其強度超過鐵粉配制的水泥。

表3 硅酸鹽水泥的性能

3 結束語

（1）在本實驗范圍內(nèi)，鐵尾礦摻量的變化（即0%～3.1%）對fCaO的影響不明顯。

（2）鐵尾礦取代鐵粉煅燒水泥熟料有助于熟料礦相的發(fā)育，并使熟料具有較高的水化活性，其強度超過鐵粉配制的水泥。

（3）在本實驗條件下，鐵尾礦作為鐵質(zhì)原料的最大摻量為3.1%。

[1] 肖立光, 伊晉宏, 崔正旭. 國內(nèi)外鐵尾礦的綜合利用現(xiàn)狀[J].吉林建筑工程學院學報, 2010, 2(4):22-27.

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

[3] Zhang s, Xue x, et al. Current situation and comprehensive utilization of iron ore tailings resources [J]. Mining science, 2006,42 (4):403-408.

[4] 王國忠, 吳村. 鐵尾礦配料的普通水泥熟料形成及其節(jié)能效果[J]. 沈陽建筑工程學院學報, 2000, 16 (2): 112-114.

[5] 王國忠, 趙穎華, 許亙元. 鐵尾礦做原料在普通硅酸鹽水泥中的實驗研究及機理分析[J]. 硅酸鹽通報, 1999, 6: 32-37.

TQ172.43

A

1008-0473(2015)02-0032-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.02.008

2014-12-29）

*國家“863”計劃項目（2012AA062405）