崔孝煒 倪 文 吳 輝

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系)

隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鐵尾礦在工業(yè)固體廢棄物中所占的比例也越來越大。大量堆存的尾礦不僅占用土地、造成資源的巨大浪費，而且是周邊環(huán)境污染的重要源頭和庫區(qū)安全的重大隱患。

雖然我國近年在建設(shè)生態(tài)礦山、綠色礦山方面投入較大，也推出了不少鼓勵減排的政策，但2010年我國尾礦的綜合利用率仍僅有14%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家60%左右的水平［1］。近年來，利用鐵尾礦制備高性能混凝土成為了我國鐵尾礦綜合利用的主要途徑，北京科技大學(xué)的李德忠等［2］以鐵尾礦為主要原料制備出了高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)材料。

從已有的研究成果看，養(yǎng)護(hù)方式對混凝土材料的強(qiáng)度和水化過程具有重要的影響。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)能夠加速混凝土中水泥的水化，具有顯著提高混凝土早期強(qiáng)度、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率等作用，在混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本試驗將研究不同養(yǎng)護(hù)制度對鐵尾礦混凝土的影響，并對水化產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 試驗原料

(1)鐵尾礦。鐵尾礦取自鞍鋼齊大山鐵礦生產(chǎn)流程，粒度較細(xì)，+0.63 mm接近1%、－0.08 mm占14.40%，顆粒主要集中在0.2～0.04 mm粒級。

(2)高爐礦渣。高爐礦渣為首鋼高爐水淬礦渣。

(3)水泥熟料。水泥熟料為唐山冀東水泥廠普通硅酸鹽水泥。

(4)石膏。石膏為北京房山雙山水泥廠的脫硫石膏。

(5)減水劑。減水劑為北京慕湖外加劑公司生產(chǎn)的PC高效減水劑。

各主要原料化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 各主要原料化學(xué)成分分析結(jié)果 %

從表1可以看出，鐵尾礦SiO2含量很高，達(dá)82.80%，其次為Fe2O3，其他成分含量很低，屬優(yōu)質(zhì)混凝土摻合料。

2 膠凝材料的制備

將鐵尾礦、礦渣、水泥熟料、脫硫石膏按40∶26∶26∶8的質(zhì)量比進(jìn)行梯級混磨，梯級混磨流程見圖1。物料粉磨設(shè)備為SM?500×500型水泥實驗球磨機(jī)，研磨介質(zhì)為生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)配置，裝料量固定為5 kg，預(yù)磨、梯級混磨1、梯級混磨2產(chǎn)品比表面積分別為2 591、4 636和4 928 cm2/g。

圖1 原料梯級混磨流程

3 混凝土試塊強(qiáng)度試驗

3.1 試驗步驟

以梯級混磨制備的粉磨產(chǎn)品為膠凝材料，不粉磨鐵尾礦為骨料，按質(zhì)量比1∶1混合，加入與膠凝材料質(zhì)量比分別為0.4%和23%的減水劑和水，攪拌后制成40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試塊，在溫度為20±1℃、相對濕度≥90%的養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，分別進(jìn)行直接繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在56℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)12 h后再繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在90℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)12 h后再繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。直接繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的記為A1、在56℃和90℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)12 h后再繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的分別記為A2、A3，測定規(guī)定齡期各試塊的強(qiáng)度。

3.2 試驗結(jié)果與討論

按照《GB/T 17671—1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》對不同養(yǎng)護(hù)條件、不同齡期的混凝土試塊進(jìn)行了強(qiáng)度測試，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 A1、A2和A3試樣的抗折強(qiáng)度

圖3 A1、A2和A3試樣的抗壓強(qiáng)度

從圖2、圖3可以看出，3種養(yǎng)護(hù)條件最終均能獲得符合要求的鐵尾礦混凝土。先56℃蒸汽養(yǎng)護(hù)可以顯著提高鐵尾礦混凝土試塊的早期強(qiáng)度，對鐵尾礦混凝土試塊的后期強(qiáng)度也有積極的影響;先90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)對鐵尾礦混凝土試塊早期強(qiáng)度的積極影響更大，但對后期強(qiáng)度卻有負(fù)面影響。

4 混凝土試塊微觀分析

4.1 混凝土試塊的XRD分析

將直接標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、先56℃和90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d和28 d的鐵尾礦混凝土用Rigaku D/Max－RC衍射儀進(jìn)行XRD分析，衍射圖譜見圖4、圖5。

圖4 A1、A2、A3試塊養(yǎng)護(hù)3 d的XRD圖譜

圖5 A1、A2、A3試塊養(yǎng)護(hù)28 d的XRD圖譜

從圖4可以看出，直接標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和先不同溫度下蒸汽養(yǎng)護(hù)過3 d的試塊的XRD圖譜大致相同，均主要由石英、綠泥石、赤鐵礦、Ca(OH)2、鈣礬石和二水石膏組成。養(yǎng)護(hù)3 d時，各試樣中均已出現(xiàn)水化產(chǎn)物——鈣礬石，但先經(jīng)56℃蒸汽養(yǎng)護(hù)過的試塊中鈣礬石的衍射峰最強(qiáng)，說明先56℃蒸汽養(yǎng)護(hù)更能加快水泥熟料的早期水化速度。

從圖5可以看出，28 d時各試樣均已生成了大量的水化產(chǎn)物——鈣礬石，未水化的二水石膏量很少。先56℃蒸汽養(yǎng)護(hù)產(chǎn)物中二水石膏的衍射峰強(qiáng)度明顯低于直接標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和先90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)，說明先56℃蒸汽養(yǎng)護(hù)更能加快尾礦和礦渣的二次水化速度。

4.2 混凝土試塊的SEM分析

將直接標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、先56℃和90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)的28 d鐵尾礦混凝土用英國劍橋S250型掃描電鏡觀察，鐵尾礦混凝土試塊的微觀形貌見圖6。

從圖6可以看出，鐵尾礦混凝土主要由石英，未水化的C3S和C2S，水化產(chǎn)物CH、鈣礬石和C－SH凝膠組成。到水化齡期為28 d時，在鐵尾礦混凝土試塊的氣孔中看到長桿狀的鈣礬石晶體，鐵尾礦顆粒和鈣礬石晶體已完全被C－S－H凝膠包裹膠結(jié)成整體，隨著水化過程的進(jìn)行，凝膠相不斷生成，并且填入孔隙，使得大的空隙減少，混凝土結(jié)構(gòu)變得更加致密;相比較而言，先蒸汽養(yǎng)護(hù)的試塊的結(jié)構(gòu)致密度明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試塊。

5 結(jié)論

(1)不同養(yǎng)護(hù)方式對鐵尾礦混凝土的強(qiáng)度有影響。先蒸汽養(yǎng)護(hù)比直接標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)更有利于提高鐵尾礦混凝土的早期強(qiáng)度，先56℃蒸汽養(yǎng)護(hù)還能提高鐵尾礦混凝土的后期強(qiáng)度，但先90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)對鐵尾礦混凝土的后期強(qiáng)度有負(fù)面影響。因此，先蒸汽養(yǎng)護(hù)時溫度的選擇很重要，它不僅決定了能源消耗，而且影響鐵尾礦混凝土的后期強(qiáng)度。

圖6 A1、A2、A3試塊養(yǎng)護(hù)28 d的SEM照片

(2)XRD和SEM分析結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)方式對鐵尾礦混凝土的水化硬化過程有重要影響，但不會改變水化產(chǎn)物的物相組成。鐵尾礦高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料主要由石英，未水化的C3S和C2S，水化產(chǎn)物CH、鈣礬石和C－S－H凝膠組成，隨著反應(yīng)齡期的增長，C－S－H凝膠不斷包裹未發(fā)生反應(yīng)的尾礦顆粒和鈣礬石，膠結(jié)成整體，并填入原有的孔隙中，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加致密。

［1］ 楊國華，郭建文，王建華.尾礦綜合利用現(xiàn)狀調(diào)查及其意義［J］.礦業(yè)工程，2010，2(8):55-57.

［2］ 李德忠，倪 文，鄭永超，等.大摻量鐵尾礦高強(qiáng)混凝土材料的制備［J］.金屬礦山，2010(2):167-170.

［3］ 于 淼，倪 文，陳 勇，等.齊大山鐵尾礦制作人工魚礁材料的研究［J］.金屬礦山，2012(11):163-167.