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铁尾矿在泡沫混凝土中的应用研究

日期：2019-10-25 16:32:28

铁尾矿是矿石经破碎、筛分、研磨、分级等工艺处理后余下的部分，是选矿后的废弃物。铁尾矿是工业固体废弃物的主要组成部分，我国的铁尾矿总量大、颗粒细、种类多，其长期堆放容易带来危害。近年来随着固体废弃物带来的环境问题、安全问题日益凸显，国家相继颁发了一系列政策鼓励综合治理固废。建材行业是大宗工业固废应用的最大市场，约70%工业固废主要应用在建材领域。本文主要以某铁矿企业排放的铁尾矿为研究对象，探索研究其在泡沫混凝土中的应用。

1、试验
(1)试验原材料
铁尾矿：某铁矿企业排放的铁尾矿，颜色为土灰色，颗粒较细，状态为类似团状的土颗粒；
水泥：基准水泥，满足GB 8076—2008要求；
减水剂：聚羧酸类减水剂，固体粉状；
促凝剂：自制促凝剂、偏铝酸钠、水玻璃、硫铝酸盐水泥；
激发剂：自制激发剂，由几种组分混合而成，占比最多的为具有活性的掺合料；
泡沫剂：自制泡沫剂，使用时将发泡剂与水按照1:40质量比混合均匀，通过发泡机发泡。
(2)试验方法
制备工艺：（1）将铁尾矿、水泥、自制激发剂以一定比例混合均匀，在胶砂搅拌机中均匀搅拌2.5min，将减水剂与水同时缓慢加入，搅拌5min（慢4.5min，快0.5min）；（2）将发泡剂与水按照1:40质量比混合均匀，用发泡机发泡，通过改变加入的泡沫量调整浆体容重，加入泡沫后，搅拌2min（慢1.5min，快0.5min）；（3）迅速加入速凝剂，快速搅拌约10～15s，然后成型试块。
养护制度：20℃±2℃、55%±5%湿度静养12h～16h，在90℃条件下蒸养6h（加热2h，恒温4h），脱模冷却至室温后，在20℃、90%湿度养护箱中养护至规定龄期进行测试。
测试方法：（1）干密度参考JG/T 266—2011试验方法；（2）胶砂试验参考GB/T 17671—1999，泡沫混凝土抗压强度所用试模为70.7×70.7×70.7mm，一组三块，测试方法参考JG/T 266-2011；（3）化学成分分析，主要利用X射线荧光光谱仪进行主要元素分析。

表1铁尾矿化学成分/%

项目	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	K₂O	SO₃	MnO
铁尾矿	43.0	21.6	13.8	9.2	2.1	1.6	1.2

2、试验结果与分析
(1)铁尾矿基本性能研究
铁尾矿的主要化学元素含量见表1。某铁矿企业排放的铁尾矿如图1所示。图1中铁尾矿颜色为土灰色，颗粒较细，呈团状土块，加水搅拌后，可慢慢形成泥浆，但块状颗粒溶解不充分，泥浆中会夹杂较少1～2mm的小颗粒。
参照GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》试验方法，对铁尾矿活性指数进行检测，将铁尾矿取代30%基准水泥，测试其1d蒸养活性、28d活性；以水泥+铁尾矿为胶材，水胶比定为0.5，成型干密度为800～850kg/m?的泡沫混凝土，研究铁尾矿掺量对泡沫混凝土的影响。
胶砂强度测试结果及对比如图2所示。由图2可知，引入30%铁尾矿后，1d蒸养活性指数为70%，28d强度降幅较大，活性指数只有52%。随着铁尾矿掺量的逐渐增大，泡沫混凝土的抗压强度逐渐降低，当铁尾矿掺量为50%时，强度只有2.2MPa，约为对比组（4.8MPa）的45%（如图3所示）。综上可知，铁尾矿的加入会显著降低材料体系的抗压强度，掺量越多，降幅越大，因此需引入改性组分对材料体系的强度进行优化。
(2)促凝剂对铁尾矿泡沫混凝土的影响
将铁尾矿、水泥、激发剂、减水剂（外掺）以50:30:20:0.005比例混合，水胶比为0.38、0.42，将发泡剂与水按照1:40质量比混合均匀，用发泡机发泡，通过改变加入的泡沫量调整浆体容重800kg/m?～900kg/m?，引入不同的促凝剂，成型试块静置3～4h，观察浆体塌陷程度。试验主要对比了偏铝酸钠、水玻璃、硫铝酸盐水泥、自制促凝剂的促凝效果。

促凝剂对泡沫混凝土的影响见表2。由表2可知，偏铝酸钠与水玻璃的引入，对体系凝结时间影响很大，极易造成瞬时凝结，这两种促凝剂的可操作性较差；硫铝酸盐水泥的引入并没有有效抑制塌模，可能是由于铁尾矿与激发剂总占比为70%，水泥只占30%，引入的硫铝酸盐水泥不足以体现出其凝结快的特性；自制促凝剂在外掺情况下，当水胶比较低时（0.38），3%掺量即可抑制塌模，当水胶比较高时（0.42），6%掺量较合适，且自制促凝剂的加入不会使浆体产生瞬间凝结，可操作性较好。

表2促凝剂对泡沫混凝土的影响

促凝剂种类	掺量（%）	水胶比	可操作性	塌模情况	综合评价
偏铝酸钠（外掺）	1	0.38	凝结较快，不易控制	/	不适合作为泡沫混凝土促凝剂
		0.42
水玻璃（外掺）	1	0.38	凝结较快，不易控制	/	不适合作为泡沫混凝土促凝剂
		0.42
硫铝酸盐水泥（内掺）	3	0.38	合适	塌模	不适合作为泡沫混凝土促凝剂
		0.42
	6	0.38	合适	塌模
		0.42
	10	0.38	合适	略有塌模
		0.42
自制促凝剂（外掺）	3	0.38	合适	不塌	水胶比为0.38时最佳掺量为3%，水胶比为0.42时，最佳掺量为6%
		0.42		略有塌陷
	6	0.38	合适	不塌
		0.42		不塌
	9	0.38	对浆体流动性有一定影响	不塌
		0.42		不塌

(3)激发剂对铁尾矿泡沫混凝土的影响
试验验证表明，铁尾矿在泡沫混凝土中的应用主要受两个方面的制约，一是当引入较多铁尾矿后，如铁尾矿掺量提高至50%，材料强度大幅降低；二是若按照标准养护条件进行养护，试块强度增长缓慢，这两方面均较难满足实际需求。本文尝试研发一种激发剂，在提高材料整体强度的同时，经过高温蒸汽养护，材料1～2d的抗压强度也可达到较高水平。经过前期大量基础试验摸索，基于优势互补、超细颗粒效益等原理，研发了两种不同配比组成的激发剂，简称激发剂1、激发剂2。两种激发剂均由几种不同组分混合而成，占比最多的为具有潜在活性的掺合料，激发剂1为几种组分机械混合而成，激发剂2中特别引入了经实验室活化磨细处理的超细组分。经前期基础试验探索得出（具体基础试验不再一一列出），当铁尾矿掺量为50%时，激发剂最佳掺量约为20%，本文主要对比测试了两个密度等级泡沫混凝土强度，主要配比组成及强度见表3。

表3激发剂对铁尾矿泡沫混凝土强度的影响

干密度等级	组别	尾矿/%	水泥/%	促凝剂（外掺）/%	减水剂（外掺）/%	水胶比	激发剂		实测干密度（kg/m?）	30h抗压强度/MPa
干密度等级	组别	尾矿/%	水泥/%	促凝剂（外掺）/%	减水剂（外掺）/%	水胶比	类别	掺量/%	实测干密度（kg/m?）	30h抗压强度/MPa
800	空白组1	50	50	6	0.5	0.42	/	/	760	1.3
	实验组1	50	30	6	0.5	0.42	激发剂1	20	780	2.6
	实验组2	50	30	6	0.5	0.42	激发剂2	20	770	2.9
900	空白组2	50	50	3	0.5	0.38	/	/	860	2.0
	实验组3	50	30	3	0.5	0.38	激发剂1	20	880	3.8
	实验组4	50	30	3	0.5	0.38	激发剂2	20	850	4.1

由表3可知，激发剂的引入大幅提高了试块强度。在水泥掺量只有30%条件下，实验组分别引入20%激发剂1及激发剂2，比水泥掺量为50%的空白组，30h抗压强度800密度等级的分别提高了100%、123%，900密度等级的分别提高了90%、105%。激发剂之所以能促进强度快速提增长，主要是在铁尾矿元素分析基础上针对性进行优势互补，基于掺合料潜在活性、超细颗粒效应，在高温蒸汽及碱性条件作用下，体系内发生快速水化反应，同时也激发了部分铁尾矿参与水化反应，使得短期强度得到快速提升。

3.小结
(1)铁尾矿基本无任何活性，其掺入越多，体系强度降低越大，当引入铁尾矿替代30%水泥时，胶砂28d活性指数只有52%。
(2)当铁尾矿掺量达50%，用于制备泡沫混凝土时，为了保证有足够强度，需引入减水剂降低水胶比，减水剂的引入容易导致泡沫混凝土的气泡不稳定，造成塌模；通过引入自制促凝剂可抑制塌模，当水胶比为0.38时，促凝剂最佳掺量为3%，当水胶比为0.42时，最佳掺量为6%。
(3)自制激发剂基于各组分之间的优势互补、掺合料活性、超细颗粒效应等因素，在高温蒸汽及碱性条件作用下，可使体系短期强度得到快速提升，30h抗压强度800密度等级的分别提高了100%、123%，900密度等级的分别提高了90%、105%。

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