大比例掺用铁尾矿制备轻质保温墙体材料*

喻 杰 柯昌云 喻振贤 李 汇 姜玉凤 陈 跃

(1.中国十五冶金建设有限公司技术中心;2.湖北理工学院)

矿产资源开发利用会产生大量的尾矿，这些尾矿的堆存不仅占用大量的土地，污染土壤和下游水体，而且需要较高的维护运行费用。发达的西方经济强国在尾矿综合利用方面已取得显著成就［1-2］，尾矿的处置也已成为我国相关政府部门和企业关注的热点［3-4］。目前用铁尾矿制备墙体材料大都存在以下不足:①由于未对铁尾矿的活性进行有效激发，墙体材料的力学性能不理想;②掺入大量江砂等材料，导致制备工艺复杂，设备投入较多、运行费用较高;③铁尾矿掺加比例不大，资源化程度不高［5-7］。

随着我国城镇化的深入、地价的上升以及建筑抗震等级的提高，框架结构建筑物比例越来越高，市场对非承重、低容重、隔热保温墙体材料的需求也日益旺盛。掺加铁尾矿制备的轻质、保温、高力学强度、低成本的保温砖就有了潜力巨大的市场。因此，有效激发铁尾矿的活性，提高铁尾矿掺用比例，减少水泥和江砂的用量，控制制砖生产成本就成了节能减排、降本增效的有效手段。

1 试验材料与仪器

1.1 试验材料

试验用铁尾矿为湖北黄石市灵乡铁矿铁尾矿，堆积密度2 000～2 200 kg/m3，主要化学成分分析结果见表1，粒度分析结果见表2;水泥为湖北华新水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥;膨胀珍珠岩为市售品;铁尾矿活性激发剂为自配。

表1 铁尾矿主要化学成分分析结果 %

表2 铁尾矿的粒度组成

1.2 试验仪器

NYL－300系列抗压及抗折试验机均为无锡市建材仪器机械厂生产;ZT－96振动台、ISO－679搅拌机为无锡市锡鼎建工仪器厂生产;HBY－40A标准养护箱为无锡市建筑仪器公司生产;Axios－PW4400波长色散型荧光光谱仪、DMAX－RB转靶多晶体X射线衍射仪为荷兰帕纳科公司生产;JSM－5610LV扫描电子显微镜为日本电子株式会社生产;DRH－Ⅲ导热系数测定仪为湘潭市仪器仪表有限公司生产。

2 试验方法

将试验原料水泥、铁尾矿、激发剂、膨胀珍珠岩按一定的质量比混合，添加一定量的水后在搅拌反应器中搅拌8min，在40mm×40mm×160mm的模具中振实成型，试件在标准养护箱内养护28 d，依照GB/T 17671—1999、GB 6486—1985、GB 10294—88分别检测各组试件的抗压强度、容重和导热系数。

3 试验结果与讨论

3.1 水灰比的确定

水灰比试验的水泥、铁尾矿、激发剂、膨胀珍珠岩的质量比为1∶2.5∶0.25∶0.63，试验结果见图1。

图1 水灰比对试件性能的影响

从图1可以看出，随着水灰比的提高，试件的抗压强度、容重、导热系数均先上升后下降，转折点在水灰比为0.8时，对应的容重、导热系数不超标，且试件的抗压强度最高，因此确定水灰比为0.8。

水灰比不足，原料吸水不充分，达不到物料填模所需的流动性，且影响试件的早期水化，因而试件抗压强度较低;水灰比过大，试件密实程度降低，也影响试件的强度。

普通水泥试件合适的水灰比为0.5，本试验试件水灰比较高是由于水泥在试件原料中所占比例较低，铁尾矿粒度较细、比表面积较大、吸湿性较强，且轻质、非釉化膨胀珍珠岩吸水率较大等因素所致。

3.2 激发剂用量的确定

铁尾矿主要化学成分是铁、硅、镁、钙、铝的氧化物，与普通砂岩相比，Fe2O3含量较高，碱性环境下，铁尾矿非结晶玻璃相中的活性SiO2、Fe2O3、Al2O3能产生溶解水化反应，并与Ca(OH)2反应形成以Si、Al、Fe为主要成分的非晶态铝(铁)硅酸盐［8］。因此，本试验以碱性物质作为试验尾矿的激发剂。

激发剂用量(对铁尾矿的质量分数)试验维持水泥、铁尾矿、膨胀珍珠岩的质量比为1∶2.5∶0.63，水灰比为0.8，试验结果见图2。

从图2可以看出，随着激发剂掺量的增加，试件28 d的抗压强度、容重、导热系数均先上升后趋于稳定。因此，确定激发剂的掺量为铁尾矿用量的10%，即水泥质量的0.25倍。

试验结果表明，激发剂的掺入既不影响水泥的正常水化，又可显著提高铁尾矿的活性，实现对铁尾矿中Fe2O3的有效利用，为减少水泥用量、降低铁尾矿轻质保温材料的制备成本创造条件。

3.3 膨胀珍珠岩掺量的确定

膨胀珍珠岩属质轻、多孔材料，以原料掺入墙体材料中可降低墙体的容重，提高墙体的保温、隔热效果。膨胀珍珠岩掺量试验的水泥、铁尾矿、激发剂的质量比为1∶2.5∶0.25，水灰比为0.8，试验结果见图3。从图3可以看出，随着膨胀珍珠岩掺量的增加，试件28 d的抗压强度、导热系数和容重不同程度下降，其中抗压强度下降最明显。膨胀珍珠岩掺量的增加也就意味着在试件中的体积占比提高，胶凝物相对量下降，试件孔隙增多，因而试件的抗压强度、容重和导热系数下降。综合考虑，确定膨胀珍珠岩的掺量为水泥+铁尾矿质量的18%，即膨胀珍珠岩的掺量为水泥用量的0.63倍。

3.4 铁尾矿掺量的确定

铁尾矿掺量试验的水泥、膨胀珍珠岩的质量比为1∶0.63，激发剂掺量取铁尾矿用量的10%，水灰比为0.8，试验结果见图4。

图4 铁尾矿用量对试件性能的影响

从图4可以看出，随着铁尾矿用量的增加，试件28 d的抗压强度、容重和导热系数不同程度下降，其中抗压强度下降最显著、导热系数次之、容重下降幅度最小。铁尾矿用量的增加意味着水泥相对量的下降，因而影响试件的胶结强度，降低物料填充时的流动性和试件密实度。综合考虑，确定铁尾矿的掺量为混合料的48%，即水泥用量的2.5倍，对应试件的抗压强度为5.36 MPa、容重为863 kg/m3、导热系数为0.138W/(m·k)。为了最大限度地掺加铁尾矿，实际生产过程中应根据尾矿性质的变化进行调整，同时微调尾矿及激发剂的掺量。

4 试件微观分析

4.1 试件的SEM分析

按试验确定的原料组分所得试件的内部SEM照片见图5。

从图5可以看出，试件内部呈蜂窝状结构，既有大量的宏观孔，也有大量的微细孔，膨胀珍珠岩颗粒、微粒纤维、晶粒隐约可见，但不规则。这是因为，随着水化的不断进行，水化物不断填充空隙，水化空间不断缩小，原始大孔多被水化物等填充、交织或胶结，孔洞明显缩小。试件中充斥着絮凝状C－S－H凝胶，样品中的铁尾矿等组分颗粒因被侵蚀而表面变得粗糙，许多小孔和水化产物覆盖其表面，说明铁尾矿颗粒参与了水化反应。

图5 28 d试件的SEM图片

图5中层状的为CH晶体，立方体小颗粒可能是碳化产生的CaCO3晶体，球形颗粒可能为未水化完全的水泥颗粒和铁尾矿颗粒，而白色带毛须状的则是膨胀珍珠岩颗粒。

水泥的水化反应和铁尾矿激发后的系列反应产生了以C－S－H为主要成分的系列水化产物，这些水化物结构紧凑，胶结着铁尾矿骨料颗粒和膨胀珍珠岩等，使试件保持试模的形状，并具备足够的机械强度、较小的试件密度和导热性能。

4.2 试件的XRD分析

按试验确定的原料组分所得试件的XRD衍射图谱见图6。

图6 试件的XRD图谱

从图6可以看出，试件的主要物相为方解石、石英、Ca(OH)2、白云石，赤铁矿、C3S、长石等少量;主晶相为方解石、其次是C－S－H、石英，剩余的是原料的残留相，如赤铁矿、长石等。

相关研究表明，C－S－H凝胶的组成受多种因素的影响，在水化良好的情况下，C－S－H凝胶的组成可大致用Cx－S－Hx－0.5表示，水化产物主要是C2SH(C)、2CaO·SiO2·(2～4)H2O［9］。在标准养护过程中，水泥熟料快速水化生成C－S－H凝胶，并生成大量Ca(OH)2，在激发剂的共同作用下，铁尾矿中活性粉末参与反应，随着钙硅比下降，水化速度降低，水化产物将体系内空间填充成紧凑结构，既保证了产品的力学性能，又控制了容重。

5 结论

(1)试验用激发剂对铁尾矿具有显著的活性激发作用，能显著提高试件的抗压强度，从而增加铁尾矿的掺量，降低原料成本。

(2)当水泥、铁尾矿、激发剂、膨胀珍珠岩的质量比为1∶2.5∶0.25∶0.63，水灰比为0.8时，试件表面平整、均匀、无开裂，28 d的抗压强度＞5 MPa、容重＜900 kg/m3、导热系数＜0.231 W/(m·k)，满足轻质保温墙体材料的性能要求，是各类非承重墙及屋顶隔热层的价廉物美用材。

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