煤矸石与铁尾矿制备加气混凝土的试验研究

王长龙,乔春雨,王 爽,倪 文,吴 辉,仇夏杰

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083;3.河北工程大学土木工程学院,河北邯郸 056038)

煤矸石与铁尾矿制备加气混凝土的试验研究

王长龙1,2,3,乔春雨1,2,王 爽1,2,倪 文1,2,吴 辉1,2,仇夏杰1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083;3.河北工程大学土木工程学院,河北邯郸 056038)

为综合利用固体废弃物煤矿石与铁尾矿,以煤矸石和铁尾矿为主要原料制备加气混凝土,用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE－SEM)和X－射线能谱(EDX)分析制品的水化产物和微观形貌,研究了煤矸石的最佳热活化温度以及各原料组分对加气混凝土物理力学性能的影响。结果表明,煤矸石最佳煅烧温度为600℃,制备出绝干密度为608 kg/m3、抗压强度为3.64 MPa的制品,符号《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968—2006)规定的A3.5,B06级加气混凝土合格品的要求;蒸压前水化产物中出现钙矾石,蒸压后制品中主要的水化产物为托贝莫来石、C－S－H凝胶和葡萄状水钙铝榴石。

煤矸石;铁尾矿;加气混凝土;托贝莫来石;水钙铝榴石

煤矸石作为煤炭开采和洗选过程的废弃物,排放量占煤炭产量的15%～20%。截至2012年,我国煤矸石的堆存量已达50亿t,而且仍在以每年1.5～2.0亿t左右的速度递增[1－2]。煤矸石堆存占据了大量土地,给环境安全造成了隐患。事实上,煤矸石是有用的副产物资源,由于其含有大量碳和黏土矿物,可以燃烧发电、生产胶凝材料和矿井充填材料等[3－9]。煤矸石主要矿物成分是石英和长石,煤矸石与水单独反应的过程极慢,胶凝性能较弱,经过自燃或煅烧的煤矸石由于从外界获取了能量而使其Al—O键和Si—O键被打开,晶体结构发生了破坏,从而激发使其产生较强的胶凝活性。经过煅烧的煤矸石由于从外界获取能量而使其化学键Si—O,Al—O打开,晶格发生畸变,晶体结构发生破坏,从而激发产生较强的胶凝活性铁尾矿作为选铁中排放的固体废弃物。随着钢铁产业的迅速发展,铁尾矿的堆存的比例越来越大,2007—2011年铁尾矿的堆存量增长了28.99亿t,仅2011年就增长了8.06亿t,而2011年我国尾矿综合利用总量仅为3.07亿t,以铁尾矿作为主要硅质原料制备加气混凝土是近年来的一项新技术。由于铁尾矿活性较差,要作为胶凝材料在加气混凝土中使用,需通过机械粉磨使原料颗粒粒度减小、比表面积增大,表面自由能增加,反应活性随之增强[10－12]。目前,以煤矸石和铁尾矿为硅质原料制备加气混凝土的研究,在国内外鲜见报道。本文以煤矸石为主要研究对象,低温活化后,与磨细铁尾矿双掺作为硅质原料制备加气混凝土,研究了煤矸石的煅烧温度、物相转变过程和活化反应机理等,同时对双掺加气混凝土的制备工艺和产品性能进行了分析,为开发利用煤矸石和铁尾矿提供了新的技术工艺路线,以期为我国固体废弃物的综合利用提供一条新的路径。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

(1)煤矸石:煤矸石取自黑龙江省依兰县中煤龙化矿业公司,其铝硅比小于1。

(2)铁尾矿:铁尾矿取自北京首云公司密云铁矿尾矿。图1为铁尾矿的XRD谱图,可知铁尾矿的主要矿物组成为石英、角闪石、钙长石和绿泥石等。由表1可知,铁尾矿的全铁TFe含量为5.2%,化学成分主要以SiO2为主,多以石英形式存在,铁尾矿中含有氧化铁,多以磁铁矿形式存在,所以该铁尾矿属高硅低铁磁铁石英岩型尾矿。铁尾矿采用0.08 mm方孔筛筛余为65.36%。

图1 铁尾矿XRD谱图Fig.1 XRD spectrum of the iron ore tailings

(3)生石灰:生石灰采用0.08 mm方孔筛筛余小于15%,其有效CaO含量为73%,SiO2为5.45%,MgO为3.56%,消解时间13 min,消解温度为66℃,符合JC/T 621—2009《硅酸盐建筑制品用生石灰》中的要求。

表1 原料的化学成分Table 1 Chemical composition of raw materials%

(4)水泥:使用P·O42.5普通硅酸盐,初凝时间为118 min,终凝时间190 min。

(5)脱硫石膏:化学成分列于表1,其细度为0.08 mm方孔筛筛余小于8%。

(6)铝粉膏:活性铝含量为89%,固体含量为78%,发气率16 min为92%、30 min大于99%,200目筛余为1.4%,水分散性好,无团粒,盖水面积为5 153 cm2/g。

1.2 试验方法

1.2.1 材料的预处理

将煤矸石破碎至＜2 mm后进行烘干处理,至含水率在1%以下,利用SMϕ500 mm×500 mm实验室用球磨机粉磨,磨机的装料量为5 kg,粉磨后煤矸石细度为0.08 mm方孔筛筛余8%以下,用CD－1400X型马弗炉进行煅烧,保温时间4 h,煅烧煤矸石水淬冷却至常温。

将铁尾矿烘干后利用SMϕ500 mm×500 mm实验室用球磨机粉磨,粉磨后其细度为0.08 mm方孔筛筛余7.5%以下。

1.2.2 加气混凝土的制备

将预处理好的煤矸石和铁尾矿与水泥、石灰、脱硫石膏搅拌混匀,而后加入温水(55℃)搅拌90 s,再加入铝粉膏搅拌40 s,将混合料经浇注、静停、脱模和蒸压养护流程后得到7组制品。试验中煤矸石掺入量(质量分数,下同)为35%,30%,25%,20%,15%, 10%和5%,铁尾矿掺入量为25%,30%,35%,40%, 45%,50%和55%,每组制品中石灰、水泥和石膏掺入量固定为25%,10%,5%,铝粉膏掺入量为干料总用量的0.06%,水加入量为干料总用量的0.60。浇注中使用模具的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,发气和静停的温度为55℃,试件经过3 h的静停养护。将经过成型和预养护的坯体放入蒸压釜中进行饱和蒸汽压力蒸压养护。蒸压制度为:升温2 h,恒温8 h(最高压力1.25 MPa,温度185℃),降温2 h,得到加气混凝土制品。用不同掺量煤矸石制备出的加气混凝土制品,其对应编号为CT1,CT2,CT3,CT4, CT5,CT6和CT7。

1.2.3 性能表征

煤矸石铁尾矿加气混凝土制品的绝干密度、强度等性能测定参照《蒸压加气混凝土性能试验方法(GB/T 11969—2008)》;胶砂试块强度测试按照《水泥胶砂强度检验法》(GB/T 17671—1999)。

煤矸石、铁尾矿和加气混凝土制品的物相分析用日本理学Rigaku D/MAX－RC 12KW旋转阳极衍射仪,衍射仪为Cu靶,波长1.540 6 nm,工作电压40 kV,工作电流150 mA;煤矸石的差示扫描量热(DSC)和热重(TG)分析用德国NETZSCH公司的综合热分析仪,工作气氛为空气,工作温度0～1 000℃;加气混凝土制品水化产物的微观形貌分析采用德国蔡司SUPRATM55场发射扫描电镜(FESEM)。

2 结果与讨论

2.1 煅烧温度对煤矸石活性的影响

图2为煤矸石的XRD谱图,可以看出,煤矸石的主要矿物组成有石英和黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石和白云母),同时还存在少量菱铁矿和钙长石等。由于石英和钙长石晶体分别属于三方晶系和三斜晶系,化学性质比较稳定,不易被活化,而高岭石、伊利石和蒙脱石属层状结构或片状结晶的铝硅酸盐矿物,受热易分解,从而煤矸石的物相组成和微观结构被改变,煤矸石的火山灰反应活性被提高。因此,将煤矸石通过低温活化制备加气混凝土。

图2 煤矸石的XRD谱图Fig.2 XRD spectrum of coal gangue

图3为煤矸石DSC－TG曲线,可以看出随着温度升高,煤矸石的TG曲线呈降低趋势,说明煤矸石加热过程是连续失重的,其失重范围(250～600℃)较宽且一直延续到600℃以上。250℃之前主要是失去游离水和吸附水。由DSC曲线可知,在379℃出现一个明显的吸热峰,应为吸附水脱除所引起。在250～600℃出现明显的放热峰,随温度升高累计失重达25.21%,451℃处的放热谷可能是由于碳质燃烧以及部分400～500℃菱铁矿分解并氧化成赤铁矿引起的;525℃处形成吸热峰是由于高岭石脱去羟基,转变为偏高岭石[13],大部分伊利石脱去羟基,α－石英转变为β－石英,同时剩余大部分菱铁矿500～600℃吸热分解被氧化成赤铁矿和少量磁铁矿[14]。600～1 000℃发生轻微失重0.99%,850～950℃部分白云母发生吸热反应脱去羟基,976℃偏高岭石发生相变,生成无定形A12O3,SiO2放热[14]。

图3 煤矸石的DSC－TG曲线Fig.3 DSC－TG curves of coal gangue

按照《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)测得煤矸石空气干燥基水分0.43%、干燥基灰分72.81%、干燥基挥发分14.98%和干燥基固定碳10.78%,与图3煤矸石的DSC－TG分析结果基本相近。

煤矸石经煅烧后的生成偏高岭石是煤矸石活性的主要来源,通过煅烧可以破坏煤矸石中Al—O和Si—O化学键结构,形成具有活性的无定形相[15]。热活化温度决定着煅烧煤矸石的活性,温度过低,煤矸石中的碳质燃烧不充分,煤矸石中主要组分高岭石分解不彻底,导致活性较低;煅烧温度过高,当大于1 050℃时,无定形态组分就会结合生成莫来石,导致活性降低[16]。

结合图2,选取5个温度(500,600,700,800, 900℃)下煅烧煤矸石,将煅烧后煤矸石以30%掺量加入水泥中制作5组胶砂试块进行强度测试(依次编号为CGC1,CGC2,CGC3,CGC4和CGC5,其中以水泥制作的胶砂试块为CGC0),分析不同的煅烧温度对煤矸石活化程度的影响,强度测试结果见表2。

表2 胶砂试块力学性能测试结果Table 2 Test results of mechanical properties of hydrous blockMPa

从表2可以看出,煤矸石质胶凝材料的胶砂强度低于同龄期的普通硅酸盐水泥,CGC1和CGC5的水化28d的抗压强度分别为34.83 MPa和39.78 MPa(＜42.5 MPa),其他试块均大于42.5号水泥强度标准,其中CGC2的28 d抗压强度最高,为45.82 MPa。综上可知,600℃煅烧后煤矸石的活性最高,故其最佳煅烧温度为600℃。600℃煅烧后煤矸石的主要化学成分见表1,经煅烧后煤矸石的化学成分以SiO2和Al2O3为主,煅烧后其固定碳含量为0.63%。

图4为600℃直接煅烧煤矸石的XRD谱图,煅烧后煤矸石中高岭石、伊利石和蒙脱石的特征谱线完全消失,而石英、钙长石和白云母的特征峰仍然存在,衍射峰的强度变化不明显,石英的峰形变得更加尖锐明显,说明煅烧后石英的结晶度高,晶形完整。煅烧后出现新的物相赤铁矿和磁铁矿是由于煤矸石中菱铁矿经煅烧、吸热分解后被氧化所致。600℃煅烧后黏土矿物伊利石、蒙脱石大量分解且低结晶度或无定形化,高岭石转变为偏高岭石,说明在2θ=20°～30°的衍射峰下面有宽泛的“凸包”背景的原因。

图4 600℃直接煅烧煤矸石的XRD图谱Fig.4 XRD spectrum of coal gangue calcinated at 600℃

2.2 煤矸石掺量对加气混凝土性能的影响

图5为经600℃煅烧后不同掺量煤矸石对加气混凝土性能的影响。

图5 不同掺量煅烧煤矸石对加气混凝土性能的影响Fig.5 The influence of different content of coal gangue calcinated on samples properties

由图5可以看出,随着煤矸石掺量的降低,加气混凝土制品的绝干密度和抗压强度呈现升高趋势。随着煤矸石掺量由35%减小到5%,加气混凝土制品的密度由586 kg/m3升高到613 kg/m3,说明原料体系中煤矸石的掺量对加气混凝土绝干密度影响较大,由于CT1制品中煤矸石的掺量为35%,铁尾矿掺量为25%,较少的铁尾矿不能完全填充水化产物之间的空隙,CT7制品中煤矸石掺量为5%,而铁尾矿的掺量为55%,足够的铁尾矿颗粒可完全填充制品的空隙,使制品CT7的绝干密度最大。而随着煅烧煤矸石掺量的减小,制品的抗压强度2.25 MPa升高到4.30 MPa。当加气混凝土制品中中煤矸石掺量在20%,15%,10%和5%时,CT4,CT5,CT6和CT7的制品抗压强度分别为3.64,3.88,4.12和4.30 MPa,制品的性能符合《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968—2006)中A3.5,B06级合格品的要求。同时试验中发现煤矸石掺量为35%的CT1制品和30%的CT2制品浇注中料浆的稠化速度快,料浆流动性较差,坯体内气孔结构不均匀,同时CT1制品的外表面有垂直于制品发气方向的较大裂纹,CT2制品存在垂直于发气方向的细小裂纹,说明在本文的试验条件下,煤矸石用量太大,对制品的性能会造成不利影响,煤矸石对物料体系料浆的浇注稳定性影响显著,综合料浆浇注稳定性及制品的物理力学性能,以尽可能多地利用煤矸石为目标,选择煤矸石掺量为20%的加气混凝土制品CT4为最优配比。

2.3 加气混凝土制品组成和形貌分析

为了验证CT4号配方的可靠性,采用X射线衍射分析对CT4制品蒸压前后的物相组成进行了初步研究,测试结果如图6所示。蒸压前经静停养护后, CT4制品中主要物相为1.1 nm托贝莫来石、水钙铝榴石、钙矾石、氢氧化钙、碳酸钙、石英、钙长石、角闪石、硬石膏、绿泥石、白云母、磁铁矿和赤铁矿。经蒸压后,制品中的主要物相为1.1 nm托贝莫来石、水钙石榴石、碳酸钙、铁钙闪石、石英、硬石膏、绿泥石、白云母、磁铁矿和赤铁矿。

通过对比CT4制品蒸压前后的XRD可知,蒸压前氢氧化钙大量参与反应,而煤矸石和铁尾矿原料体系中硅溶出较少,参与反应的Si4+不足,氢氧化钙过量,所以蒸压前制品中水化产物托贝莫来石生成量比较少,即图中蒸压前托贝莫来石的衍射峰比较弱,氢氧化钙的衍射峰比较明显;蒸压后两种硅质原料中在碱性条件下大量Si4+溶出,相应的氢氧化钙提供的Ca2+与新溶出的Si4+促进了水化产物托贝莫来石结晶生成,由蒸压前后的制品中存在的石英特征峰减弱说明,生成的托贝莫来石的数量增加,随着蒸压时间的延长,氢氧化钙达到平衡,之后钙的供应终止,所以蒸压后的XRD曲线托贝莫来石的衍射峰总体呈现增强趋势,同时蒸压后的矿物相中,没有氢氧化钙的特征峰。蒸压前制品中出现水化产物钙矾石,是由于体系中水泥在水化初期生成水化铝酸钙(C－A－H)和石膏中SO结晶物水化硫铝酸钙(AFT),由于钙矾石的分解温度大约为70℃,分解为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)、Al3+和SO,在蒸压的恒温阶段,AFm继续分解成六水铝酸三钙(C3AH6)和CaSO4,所以图6中蒸压后XRD曲线中没有钙矾石的特征谱线,由于原料体系中加入了起缓凝作用的石膏以及AFm高温蒸压后分解,蒸压后曲线中石膏的衍射峰高于蒸压前。

图6 CT4制品蒸压前和蒸压后XRD图谱Fig.6 XRD spectra of CT4 for before autoclaved and after autoclaved

水钙铝榴石是水石榴石的一种,同水石榴石一样,由于煤矸石和铁尾矿原料体系中Al元素的存在,水钙铝榴石是CaO－Al2O3－SiO2－H2O体系在蒸压过程中最先出现的含铝硅酸盐相,随着蒸压时间增长,孔溶液OH－含量降低,水钙铝榴石会逐渐转变为更加稳定的铝硅酸盐矿物相,如托贝莫来石等[18],它对加气混凝土制品的性能有重要影响[19]。水钙铝榴石可在很宽的温度范围获得,由于蒸压前氢氧化钙大量参与反应,而煤矸石和铁尾矿中溶出的参与水化反应Si4+和A13+比较少,水钙铝榴石快速生成[20]。随着蒸压时间增长,部分水钙铝榴石转化为托贝莫来石,但由于蒸压时间有限,水钙铝榴石未完全转变为托贝莫来石,因此图6中CT4制品蒸后的XRD谱线中,出现水化产物水钙铝榴石与托贝莫来石共存的现象。

制品中的铁钙闪石为双链状结构,由于原料在高碱环境中大量溶出的Al3+以及添加了活性Al粉膏,在高温蒸养条件下,Ca2+和Al3+分别与角闪石中的Fe2+和Si4+发生了离子置换,形成了铁钙闪石。原料体系中原有的脉石矿物钙长石物相经蒸压后分解,形成了新的矿物相,进入到托贝莫来石结构,这对制品强度的发展极为有利。图中蒸压前后石英的衍射峰强度明显下降,部分残余的石英作为主要骨料存在于制品中。制品中形成的碳酸钙是由于在制备中Ca(OH)2碳化所导致。白云母、绿泥石、磁铁矿和赤铁矿没有参与到蒸压反应中,这些矿物相作为骨料存在于制品中。

此外从图6可看出,图中有宽泛的“凸包”背景存在于2θ=26°～34°的衍射峰下面,说明CT4在于制品之中存在有大量的无定形(无衍射性)的非晶态和结晶度极低物质,一些小的颗粒尺寸存在于制品中,导致衍射峰宽化,同时并入XRD衍射背景当中。

经蒸压后加气混凝土制品CT4水化产物形貌(FE－SEM)如图7所示。可以看出制品中水化产物密集丛生,试样断面上生成大量结晶度比较好的板片状托贝莫来石和结晶比较差的C－S－H凝胶(图7(a)中A处)以及直径为0.5～1.0 μm的球状和葡萄状颗粒(图7(b)),作为“黏结剂”的C－S－H凝胶将这些密集的水化产物相互胶结在一起,形成良好的网络状空间结构体系,该体系能够较好地抵抗外界的荷载,在外界应力作用下,不易引起应力集中,对制品物理力学性能的提高起到了一定作用[21－23]。制品中C－S－H凝胶解释了图6中2θ=26°～34°的衍射峰下面有宽泛的“凸包”背景存在大量无定型非晶态物质的原因。图8为图7(b)中C区域水化产物的电子衍射谱(EDX)分析,图中数据分析表明其化学成分存在以下关系:n(Ca)/n(Si+Al)=0.72,与水钙铝榴石(Al2Ca3(SiO4)2.16(OH)3.36)的n(Ca)/n(Si+Al)= 0.72的组成一致。

图7 制品CT4的水化产物的SEM照片Fig.7 SEM photos of the hydration products of sample CT4

图8 图7(b)中C区域的能谱分析图谱Fig.8 EDX spectra of region C in the Fig.7(b)

3 结 论

(1)实验所选的中煤龙化矿业公司煤矸石有效活化的煅烧温度为600℃。

(2)以煅烧后的煤矸石和磨细的铁尾矿为主要硅质原料,其生产加气混凝土的优化方案(质量分数)为:煤矸石∶铁尾矿∶石灰∶水泥∶石膏=20∶40∶25∶10∶5,铝粉膏掺量为干料总量0.06%,水加入量为干料总量的0.60,浇注水温55℃,静停养护温度55℃。蒸压养护条件为:升温2 h,恒温恒压8 h(温度185℃,最高压力1.25 MPa),降温2 h。制品符合《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968—2006)中A3.5,B06级合格品的要求。

(3)煤矸石铁尾矿加气混凝土蒸压前的水化产物为托贝莫来石、水钙铝榴石、钙矾石、C－S－H凝胶;蒸压后制品的钙矾石分解,水化产物为大量结晶良好的针状或棒状的托贝莫来石、低结晶度或无定形的C－S－H凝胶以及未完全转变为托贝莫来石的直径为0.5～1.0 μm的球状和葡萄状水钙铝榴石。

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Experimental study on autoclaved aerated concrete from coal gangue and iron ore tailings

WANG Chang-long1,2,3,QIAO Chun-yu1,2,WANG Shuang1,2,NI Wen1,2,WU Hui1,2,QIU Xia-jie1,2

(1.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.School of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China)

For comprehensive utilization of coal gangue and iron ore tailings,XRD,FE-SEM and EDX were used to analyze hydration products and microstructure of autoclaved aerated concrete(AAC)mainly from coal gangue and iron ore tailings.Furthermore,it was studied that the influence of raw materials and the optimal thermal activation temperature of coal gangue to physical and mechanical prosperities.The results show that 600℃is the optimal calcination temperature AAC with bulk density of 608 kg/m3and strength of 3.64 MPa,which can reach the requirements of A3.5,B06 level of AAC product regulated by“autoclaved aerated concrete block”GB 11968—2006.There exists ettringite before autoclaved and the main hydration products are tobermorite,C－S－H gel and hibschite,which is globular and botryoidalis.

coal gangue;iron ore tailings;autoclaved aerated concrete;tobermorite;hibschite

TD926

A

0253－9993(2014)04－0764－07

王长龙,乔春雨,王 爽,等.煤矸石与铁尾矿制备加气混凝土的试验研究[J].煤炭学报,2014,39(4):764－770.

10.13225/ j.cnki.jccs.2013.0551

Wang Changlong,Qiao Chunyu,Wang Shuang,et al.Experimental study on autoclaved aerated concrete from coal gangue and iron ore tailings[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):764－770.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0551

2013－04－25 责任编辑:张晓宁

国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2012AA062405);河北省建设科学技术研究计划资助项目(2012－136)

王长龙(1977—),男,黑龙江七台河人,副教授,博士研究生。E－mail:13716996653@139.com。通讯作者:倪 文(1961—),男,河北香河人,教授,博士。Tel:010－62334308,E－mail:niwen@ces.ustb.edu.cn