用细粒低硅铁尾矿制备三免砖

徐民主 雷国元 宋均平 罗文斌 彭文斌 虞志平

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；3.武钢矿业有限责任公司，湖北 武汉430080)

用细粒低硅铁尾矿制备三免砖

徐民主1,2雷国元1,2宋均平3罗文斌3彭文斌3虞志平3

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；3.武钢矿业有限责任公司，湖北 武汉430080)

利用某种工业粉状废物制备廉价的无水泥固化剂，并以武钢矿业公司金山店铁矿细粒低硅铁尾矿为主要原料，研制MU25级的免烧、免蒸、免水泥建材砖(简称三免砖)，考察了固化剂的掺量及其机械活化方式、试件的成型压力、化学外加剂种类及掺量、初期养护制度等工艺条件对制品抗压强度和耐水性的影响。试验结果表明：在成型压力为50 MPa条件下，混磨的固化剂掺量为25%，铁尾矿掺量为75%，有机早强剂A、防水剂B与固化剂掺量之比分别为0.02%、0.3%，初期养护温度为50 ℃、养护时间为36 h时，所制备的三免砖28 d的抗压强度和饱和抗压强度分别达到27.2 MPa和24.3 MPa，各项性能指标均能满足《JC/T422—2007 非烧结垃圾尾矿砖》的要求。该研究为尾矿的大规模利用提供了一项投资小、效益高的技术。

细粒低硅铁尾矿 三免砖 外加剂 抗压强度 耐水性

我国铁矿资源具有贫、细、杂的特点。微细粒嵌布铁矿石的选铁尾矿粒度微细，这些尾矿的堆存不仅占用大量的土地，消耗大量的人、财、物成本，而且是生态和安全的重要威胁，对企业的健康和可持续发展有着制约作用[1-3]。因此，铁尾矿处置及其综合利用是行业面临的重大课题。

用铁尾矿生产建材砖可以大量地消耗铁尾矿，是很有应用前景的尾矿综合利用技术。但建材砖的生产往往对原料中硅铝的含量有较高的要求，用低硅铁尾矿制备建材砖的难度较大。

从目前的技术水平看，用细粒铁尾矿制备建材砖或者依赖蒸压养护工艺[4]，或者需要以水泥为固化剂生产免烧、免蒸砖。前者会显著增加投资和生产成本，后者水泥用量较大、成本较高。若能以工业废渣为原料制备廉价的无水泥固化剂，将细粒低硅铁尾矿制成免烧、免蒸、免水泥砖(简称三免砖)，将是尾矿大宗综合利用技术的重大突破。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

(1)铁尾矿。取自武钢金山店选矿厂，-180、-400目含量分别达89.9%和61.9%，主要化学成分分析结果见表1。

表1 铁尾矿主要化学成分分析结果

Table 1 Main chemical compositionsof the iron ore tailings %

(2)固化剂。为实验室自制，原料为某厂的工业粉状废弃物和2种激发剂，固化剂-45 μm含量为98.1%。固化剂的机械活化方式分单磨和混磨，单磨即是指工业粉状废弃物单独细磨后再与激发剂混合制作固化剂，混磨即是指固化剂的所有组分混合细磨后再制成固化剂。

(3)外加剂。外加剂包括早强剂和防水剂，早强剂有有机早强剂A和无机早强剂工业水玻璃，防水剂为B，均为市售化学药剂。

1.2 试验方法

称取一定质量的固化剂和铁尾矿，加与铁尾矿+固化剂总质量比为24%的水和一定量的外加剂，混匀后在30 ℃下陈化24 h(含水率约为13%)，将料浆置于φ36 mm×36 mm的模具中，在一定压力下压制成型，养护后得制品。固化剂的掺量以固化剂占铁尾矿+固化剂的质量分数表示，外加剂的掺量以外加剂与固化剂的质量比表示；养护分为初期养护和自然养护(25 ℃)2阶段，鉴于华中地区气候特点，初期养护模拟太阳能温室条件，温度为40～60 ℃[5]，初期养护后再自然养护至规定龄期。用液压式万能试验机测定制品的抗压强度和饱和抗压强度，其他性能指标按照《JC/T422—2007 非烧结垃圾尾矿砖》标准进行检测。铁尾矿制备三免砖的流程见图1。

图1 试验工艺流程Fig.1 Technical process of the experiments

2 试验结果与讨论

2.1 固化剂掺量对制品强度的影响

固化剂掺量直接影响制品的力学性能和生产成本。在不添加外加剂的情况下，固化剂单磨，成型压力为50 MPa，直接自然养护，固化剂掺量对制品抗压强度的影响见图2。

图2 固化剂掺量对制品抗压强度的影响Fig.2 Effect of curing agent dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗压强度；△—7 d饱和抗压强度； ▼—14 d抗压强度；▽—14 d饱和抗压强度

由图2可知：随着固化剂掺量的增加，制品的抗压强度和软化系数(即饱和抗压强度与抗压强度之比)逐渐提高，这与固化剂的掺量增加水化产物也相应增多有关。当固化剂掺量由20%增加到35%时，养护14 d时制品的软化系数由0.33增加到0.60，增加幅度达82%左右，表明制品的耐水性提高显著。考虑到提高铁尾矿利用率、减少固化剂用量可降低生产成本，因此，选择固化剂的掺量为25%。

2.2 成型压力对制品强度的影响

成型压力是影响制品质量的重要因素。在不添加外加剂的情况下，固化剂的掺量25%(单磨)，直接自然养护，成型压力对制品抗压强度的影响见图3。

图3 成型压力对制品抗压强度的影响Fig.3 Effect of different forming pressures on compressive strength of the products▲—7 d抗压强度；△—7 d饱和抗压强度； ▼—14 d抗压强度；▽—14 d饱和抗压强度

由图3可知，制品的抗压强度和软化系数均随成型压力增加而增大，当压力由20 MPa增加到60 MPa，养护14 d时制品的软化系数由0.46提高到0.62，升幅约35%，表明制品的耐水性能明显改善。较高成型压力可减小制品内部的孔隙率、提高制品内部颗粒间的接触程度，有利于水化产物的形成，从而提升制品的强度和耐水性能。由于成型压力由50 MPa增加到60 MPa，养护14 d时制品的软化系数仅从0.60提高至0.62，提高的幅度较小，且考虑国内成型设备压力因素，确定制品的最佳成型压力为50 MPa。

2.3 外加剂对制品强度的影响

2.3.1 A对制品强度的影响

A对制品强度影响试验不添加其他外加剂，固定固化剂掺量为25%(单磨)，成型压力为50 MPa，直接自然养护，A的掺量对制品抗压强度的影响见图4。

图4 A的掺量对制品抗压强度的影响Fig.4 Effect of A dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗压强度；△—7 d饱和抗压强度； ▼—14 d抗压强度；▽—14 d饱和抗压强度

由图4可知：A的掺量由0增加到0.02%，制品的抗压强度和软化系数均提高，养护7 d时制品的软化系数由0.48增加到0.55，增加了约15%，表明制品的耐水性能明显改善，这主要是由于A促进了固化剂中活性物质SiO2和Al2O3的溶出，加速了火山灰反应，促进了水化产物的形成，具有良好的速凝效果[6]；进一步提高A的掺量，制品的抗压强度和软化系数均下降，这主要是由于A开始发挥缓凝作用。因此，A的掺量以0.02%为宜。

2.3.2 水玻璃对制品强度的影响

水玻璃对制品强度影响试验不添加其他外加剂，试验的固化剂掺量为25%(单磨)，成型压力为50 MPa，直接自然养护，水玻璃的掺量对制品抗压强度的影响见图5。

图5 工业水玻璃的掺量对制品抗压强度的影响Fig.5 Effect of sodium silicate dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗压强度；△—7 d饱和抗压强度； ▼—14 d抗压强度；▽—14 d饱和抗压强度

综合比较工业水玻璃和A的技术与经济效果，确定选用A为早强剂，用量为0.02%。

2.3.3 B对制品耐水性的影响

2.3.3.1 B的掺量对制品耐水性的影响

B的掺量对制品耐水性影响试验不添加其他外加剂，试验的固化剂掺量为25%(单磨)，成型压力为50 MPa，直接自然养护，B的掺量对制品抗压强度的影响见图6。

图6 B的掺量对制品抗压强度的影响Fig.6 Effect of B dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗压强度；△—7d饱和抗压强度； ▼—14 d抗压强度；▽—14 d饱和抗压强度

由图6可知：增加B的掺量，制品的抗压强度总体呈小幅下降趋势；B的掺量由0增加到0.3%，养护14 d制品的软化系数由0.61提高到0.71，这是由于B的乳液会吸附在物料颗粒表面，增加制品内部毛细孔表面的憎水性，减弱了毛细孔内水对制品强度的负面影响[9]。但是，表面的憎水性也会减弱固化剂的水化反应，使制品的抗压强度下降。综合考虑2种效应，选择B的掺量为0.3%。

2.3.3.2 掺加B情况下初期养护温度对制品耐水性的影响

B的溶解度随温度的升高而提高，需要考察温度对B提高制品耐水性的影响。固化剂的掺量为25%(单磨)，成型压力为50 MPa，不同温度下初期养护2 d再自然养护5 d，初期养护温度对B提高制品耐水性的影响见表2。

表2 初期养护温度对B提高制品耐水性的影响Table 2 Effect of initial stage curing temperature for B on improving the water resistance of the products

由表2可知，初期养护温度升高，制品的抗压强度和软化系数提高，掺加0.3%的B，初期养护温度超过50 ℃时，制品的软化系数超过0.8，达到JC/T422—2007标准要求。因此，添加B时，应实行分段养护制度，且初期养护温度不应低于50 ℃。

2.4 A和B复掺情况下初期养护制度对制品耐水性的影响

A和B复掺情况下初期养护制度对制品耐水性影响试验的固化剂掺量为25%(单磨)，B和A的掺量分别为0.3%和0.02%，成型压力50 MPa，不同温度、不同时间的初期养护加自然养护(总养护龄期为7 d)，初期养护制度对制品耐水性的影响见表3。

表3 初期养护制度对制品耐水性的影响Table 3 Effect of the initial stage of curing regime on water resistance of the products

由表3可知，提高初期养护温度、延长初期养护时间，制品的耐水性提高；相同初期养护温度条件下，掺加外加剂与不掺加外加剂相比，制品的耐水性显著提高，因此，掺加外加剂有利于缩短养护时间。这是由于养护温度的提高加速了水化反应的进行，提高了制品的强度和耐水性。综合考虑矿区的气候特点和运行成本因素，初步确定初期养护制度为50 ℃、48 h。

2.5 固化剂的机械活化方式对制品强度性能的影响

试验固定固化剂的掺量为25%，B和A的掺量分别为0.3%和0.02%，成型压力为50 MPa，50 ℃初期养护一定时间后再自然养护至总龄期7 d，机械活化方式对制品抗压强度的影响见图7。

图7 固化剂的机械活化方式对制品抗压强度的影响Fig.7 Effect of the mechanically milling facilities of curing agent on compressive strength of the products▼—混磨条件下的抗压强度；▽—混磨条件下的饱和抗压强度； ▲—单磨条件下的抗压强度；△—单磨条件下的和饱抗压强度

由图7可知：固化剂混磨情况下制品的强度明显优于单磨。当初期养护时间为36 h时，单磨和混磨的软化系数分别为0.74和0.82，混磨时比单磨时增加了约11%，耐水性能得到了显著提升。这是由于在强烈的机械冲击、剪切、磨削作用和粉状颗粒之间的相互挤压、碰撞作用下，一方面可以促使工业粉状废弃物中的玻璃体发生部分解聚，增加其反应活性[10]，另一方面可提高各成分间的混匀程度，增大其反应比表面积，加速水化反应的进行。

2.6 综合条件试验

前述试验结果表明，细粒低硅铁尾矿制备三免砖的最佳条件如下：混磨的固化剂掺量为25%，铁尾矿掺量为75%，B和A的掺量分别为0.3%和0.02%，成型压力为50 MPa，50 ℃下初期养护36 h再自然养护至总龄期28 d。该条件下样品的性能测试结果与标准要求对比列于表4。

由表4可知，按照《JC/T422—2007 非烧结垃圾尾矿砖》标准，所得三免砖样品性能达到MU25级产品要求。

3 细粒低硅铁尾矿制备三免砖产业化可行性分析

利用所研制的固化剂固化细粒低硅铁尾矿，可以制备出免烧、免水泥、免蒸的“三免砖”，产品质量达到MU25级规定的要求。该技术具有尾矿掺加量大、设备投资小、生产工艺简单、生产成本低等优点。国内目前的砖机可以达到产品成型压力要求；目前国内太阳能温室温度最高可达到60 ℃以上[5]，因此，分段养护中的初期养护可以通过太阳能温室养护来实现，冬季低温时，可以通过燃烧矿区周边廉价的燃料向太阳能温室供热。

表4 标准要求及制品性能测试结果Table 4 Standard requirement and test results of products′ performance

由于矿区周边工业发达，固化剂原料和外加剂均易得，所制备的固化剂成本约为150元/t，有机早强剂A成本约为1 1000元/t，防水剂B的成本约为 7 850元/t。按照以上工艺，以每块砖重2.5 kg计，对应的固化剂、A、B成本分别约为0.094元、0.001元、0.015元，人工水电成本为0.021元，设备折旧为0.002元，太阳能温室养护费约0.002 3元，其他费用为0.004元，则每块砖总成本为0.139 3元。考虑矿区周围市场的供需状态、价格的变动趋势、税收、墙改基金以及生产成本等影响价格的各种因素，预测每块砖售价为0.250元，盈利约为0.110元/砖。

4 结 论

(1)以金山店铁尾矿为主要原料，在混磨的固化剂掺量为25%，铁尾矿掺量为75%，防水剂B和早强剂A的掺量分别为0.3%和0.02%，成型压力为50 MPa条件下压制的试件，经50 ℃、36 h的初期养护再自然养护至总龄期28 d，制得的三免砖的抗压强度和吸水饱和抗压强度分别达到27.2 MPa和24.3 MPa，总体性能达到MU25级产品国家标准要求，表明利用低硅细粒铁尾矿制备三免砖是可行的。

(2)防水剂B和早强剂A的掺入能显著提高三免砖的耐水性，但防水剂B必须在50～60 ℃下初期养护一段时间其耐水性才能充分发挥。

(3)固化剂的混磨效果优于单磨，可以提高制品的耐水性，有利于缩短养护时间。

(4)该尾矿制备三免砖的工艺简单、投资小、适用性强，按照该工艺制备2.5 kg/块的三免砖总成本为0.1393元/块，预测售价为0.250元/块，盈利空间广阔。该方案既可大宗量处置尾矿，又可为企业带来较大的经济效益。

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(责任编辑 罗主平)

Preparation of Bricks Made from Fine Low-silica Iron Ore Tailingswithout Sintering，Autoclave Curing or Cement

Xu Minzhu1,2Lei Guoyuan1,2Song Junping3Luo Wenbin3Peng Wenbin3Yu Zhiping3

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；2.HubeiKeyLaboratoryforEfficientUtilizationandAgglomerationofMetallurgicMineralResources，Wuhan430081，China；3.WuhanSteelMiningCo.，Ltd.，Wuhan430080，China)

MU25 grade burning-free，autoclave curing-free and non-cement(“Three-free” for short)bricks were prepared by the fine low-silica iron ore tailing of Jinshandian Iron Mine，Wuhan Steel Mining Co.，Ltd.，as the main raw material，and the self-made non-cement made of industrial power waste as curing agent.The effect of the technical conditions such as dosage of curing agent and its mechanically milling facilities，molding pressure，the type and dosage of chemical admixture，the initial stage of curing regime on the compressive strength and water resistance of the products was investigated.The results show that the 28 d compressive strength and water absorption saturated compressive strength of the bricks can reach 27.2 MPa and 24.3 MPa respectively at conditions of forming pressure of 50 MPa，the curing agent of mixed grinding and the iron ore tailing of 25% and 75% respectively，dosage ratio of early strength agent A and waterproof ingagent B to curing agent of 0.02% and 0.3% respectively，early curing temperature of 50 ℃ and curing for 36 h.All properties meet the requirement in JC/T422-2007 standard “Unfired Bricks Made of Tailings”.The study provides a low investment and high profit technique for large scale utilization of such tailings.

Fine low-silica iron ore tailing，Three-free brick，Admixture，Compressive strength，Water resistance

2015-07-25

冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室开放基金项目(编号：Mk201211)。

徐民主(1989—)，男，硕士研究生。通讯作者 雷国元(1964—)，男，教授，博士。

TD926.4

A

1001-1250(2015)-11-184-05