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    鐵尾礦在泡沫混凝土中的應用研究

    日期:2019-10-25 16:32:28

    鐵尾礦是礦石經破碎、篩分、研磨、分級等工藝處理后余下的部分,是選礦后的廢棄物。鐵尾礦是工業固體廢棄物的主要組成部分,我國的鐵尾礦總量大、顆粒細、種類多,其長期堆放容易帶來危害。近年來隨著固體廢棄物帶來的環境問題、安全問題日益凸顯,國家相繼頒發了一系列政策鼓勵綜合治理固廢。建材行業是大宗工業固廢應用的最大市場,約70%工業固廢主要應用在建材領域。本文主要以某鐵礦企業排放的鐵尾礦為研究對象,探索研究其在泡沫混凝土中的應用。

    1、試驗
    (1)試驗原材料
    鐵尾礦:某鐵礦企業排放的鐵尾礦,顏色為土灰色,顆粒較細,狀態為類似團狀的土顆粒;
    水泥:基準水泥,滿足GB 8076—2008要求;
    減水劑:聚羧酸類減水劑,固體粉狀;
    促凝劑:自制促凝劑、偏鋁酸鈉、水玻璃、硫鋁酸鹽水泥;
    激發劑:自制激發劑,由幾種組分混合而成,占比最多的為具有活性的摻合料;
    泡沫劑:自制泡沫劑,使用時將發泡劑與水按照1:40質量比混合均勻,通過發泡機發泡。
    (2)試驗方法
    制備工藝:(1)將鐵尾礦、水泥、自制激發劑以一定比例混合均勻,在膠砂攪拌機中均勻攪拌2.5min,將減水劑與水同時緩慢加入,攪拌5min(慢4.5min,快0.5min);(2)將發泡劑與水按照1:40質量比混合均勻,用發泡機發泡,通過改變加入的泡沫量調整漿體容重,加入泡沫后,攪拌2min(慢1.5min,快0.5min);(3)迅速加入速凝劑,快速攪拌約10~15s,然后成型試塊。
    養護制度:20℃±2℃、55%±5%濕度靜養12h~16h,在90℃條件下蒸養6h(加熱2h,恒溫4h),脫模冷卻至室溫后,在20℃、90%濕度養護箱中養護至規定齡期進行測試。
    測試方法:(1)干密度參考JG/T 266—2011試驗方法;(2)膠砂試驗參考GB/T 17671—1999,泡沫混凝土抗壓強度所用試模為70.7×70.7×70.7mm,一組三塊,測試方法參考JG/T 266-2011;(3)化學成分分析,主要利用X射線熒光光譜儀進行主要元素分析。

    表1鐵尾礦化學成分/%

    項目

    SiO2

    CaO

    Fe2O3

    Al2O3

    K2O

    SO3

    MnO

    鐵尾礦

    43.0

    21.6

    13.8

    9.2

    2.1

    1.6

    1.2


    2、試驗結果與分析
    (1)鐵尾礦基本性能研究
    鐵尾礦的主要化學元素含量見表1。某鐵礦企業排放的鐵尾礦如圖1所示。圖1中鐵尾礦顏色為土灰色,顆粒較細,呈團狀土塊,加水攪拌后,可慢慢形成泥漿,但塊狀顆粒溶解不充分,泥漿中會夾雜較少1~2mm的小顆粒。
    參照GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的?;郀t礦渣粉》試驗方法,對鐵尾礦活性指數進行檢測,將鐵尾礦取代30%基準水泥,測試其1d蒸養活性、28d活性;以水泥+鐵尾礦為膠材,水膠比定為0.5,成型干密度為800~850kg/m3的泡沫混凝土,研究鐵尾礦摻量對泡沫混凝土的影響。
    膠砂強度測試結果及對比如圖2所示。由圖2可知,引入30%鐵尾礦后,1d蒸養活性指數為70%,28d強度降幅較大,活性指數只有52%。隨著鐵尾礦摻量的逐漸增大,泡沫混凝土的抗壓強度逐漸降低,當鐵尾礦摻量為50%時,強度只有2.2MPa,約為對比組(4.8MPa)的45%(如圖3所示)。綜上可知,鐵尾礦的加入會顯著降低材料體系的抗壓強度,摻量越多,降幅越大,因此需引入改性組分對材料體系的強度進行優化。
    (2)促凝劑對鐵尾礦泡沫混凝土的影響
    將鐵尾礦、水泥、激發劑、減水劑(外摻)以50:30:20:0.005比例混合,水膠比為0.38、0.42,將發泡劑與水按照1:40質量比混合均勻,用發泡機發泡,通過改變加入的泡沫量調整漿體容重800kg/m3~900kg/m3,引入不同的促凝劑,成型試塊靜置3~4h,觀察漿體塌陷程度。試驗主要對比了偏鋁酸鈉、水玻璃、硫鋁酸鹽水泥、自制促凝劑的促凝效果。

    促凝劑對泡沫混凝土的影響見表2。由表2可知,偏鋁酸鈉與水玻璃的引入,對體系凝結時間影響很大,極易造成瞬時凝結,這兩種促凝劑的可操作性較差;硫鋁酸鹽水泥的引入并沒有有效抑制塌模,可能是由于鐵尾礦與激發劑總占比為70%,水泥只占30%,引入的硫鋁酸鹽水泥不足以體現出其凝結快的特性;自制促凝劑在外摻情況下,當水膠比較低時(0.38),3%摻量即可抑制塌模,當水膠比較高時(0.42),6%摻量較合適,且自制促凝劑的加入不會使漿體產生瞬間凝結,可操作性較好。

    表2促凝劑對泡沫混凝土的影響

    促凝劑種類

    摻量(%

    水膠比

    可操作性

    塌模情況

    綜合評價

    偏鋁酸鈉

    (外摻)

    1

    0.38

    凝結較快,不易控制

    /

    不適合作為泡沫混凝土促凝劑

    0.42

    水玻璃

    (外摻)

    1

    0.38

    凝結較快 , 不易控制

    /

    不適合作為泡沫混凝土促凝劑

    0.42

    硫鋁酸鹽水泥(內摻)

    3

    0.38

    合適

    塌模

    不適合作為泡沫混凝土促凝劑

    0.42

    6

    0.38

    合適

    塌模

    0.42

    10

    0.38

    合適

    略有塌模

    0.42

    自制促凝劑

    (外摻)

    3

    0.38

    合適

    不塌

    水膠比為0.38時最佳摻量為3%,水膠比為0.42時,最佳摻量為6%

    0.42

    略有塌陷

    6

    0.38

    合適

    不塌

    0.42

    不塌

    9

    0.38

    對漿體流動性有一定影響

    不塌

    0.42

    不塌

    (3)激發劑對鐵尾礦泡沫混凝土的影響
    試驗驗證表明,鐵尾礦在泡沫混凝土中的應用主要受兩個方面的制約,一是當引入較多鐵尾礦后,如鐵尾礦摻量提高至50%,材料強度大幅降低;二是若按照標準養護條件進行養護,試塊強度增長緩慢,這兩方面均較難滿足實際需求。本文嘗試研發一種激發劑,在提高材料整體強度的同時,經過高溫蒸汽養護,材料1~2d的抗壓強度也可達到較高水平。經過前期大量基礎試驗摸索,基于優勢互補、超細顆粒效益等原理,研發了兩種不同配比組成的激發劑,簡稱激發劑1、激發劑2。兩種激發劑均由幾種不同組分混合而成,占比最多的為具有潛在活性的摻合料,激發劑1為幾種組分機械混合而成,激發劑2中特別引入了經實驗室活化磨細處理的超細組分。經前期基礎試驗探索得出(具體基礎試驗不再一一列出),當鐵尾礦摻量為50%時,激發劑最佳摻量約為20%,本文主要對比測試了兩個密度等級泡沫混凝土強度,主要配比組成及強度見表3。

    表3激發劑對鐵尾礦泡沫混凝土強度的影響

    干密度等級

    組別

    尾礦/%

    水泥/%

    促凝劑(外摻)/%

    減水劑(外摻)/%

    水膠比

    激發劑

    實測干密度(kg/m3

    30h抗壓強度/MPa

    類別

    摻量/%

    800

    空白組1

    50

    50

    6

    0.5

    0.42

    /

    /

    760

    1.3

    實驗組1

    50

    30

    6

    0.5

    0.42

    激發劑1

    20

    780

    2.6

    實驗組2

    50

    30

    6

    0.5

    0.42

    激發劑2

    20

    770

    2.9

    900

    空白組2

    50

    50

    3

    0.5

    0.38

    /

    /

    860

    2.0

    實驗組3

    50

    30

    3

    0.5

    0.38

    激發劑1

    20

    880

    3.8

    實驗組4

    50

    30

    3

    0.5

    0.38

    激發劑2

    20

    850

    4.1


    由表3可知,激發劑的引入大幅提高了試塊強度。在水泥摻量只有30%條件下,實驗組分別引入20%激發劑1及激發劑2,比水泥摻量為50%的空白組,30h抗壓強度800密度等級的分別提高了100%、123%,900密度等級的分別提高了90%、105%。激發劑之所以能促進強度快速提增長,主要是在鐵尾礦元素分析基礎上針對性進行優勢互補,基于摻合料潛在活性、超細顆粒效應,在高溫蒸汽及堿性條件作用下,體系內發生快速水化反應,同時也激發了部分鐵尾礦參與水化反應,使得短期強度得到快速提升。


    3.小結
    (1)鐵尾礦基本無任何活性,其摻入越多,體系強度降低越大,當引入鐵尾礦替代30%水泥時,膠砂28d活性指數只有52%。
    (2)當鐵尾礦摻量達50%,用于制備泡沫混凝土時,為了保證有足夠強度,需引入減水劑降低水膠比,減水劑的引入容易導致泡沫混凝土的氣泡不穩定,造成塌模;通過引入自制促凝劑可抑制塌模,當水膠比為0.38時,促凝劑最佳摻量為3%,當水膠比為0.42時,最佳摻量為6%。
    (3)自制激發劑基于各組分之間的優勢互補、摻合料活性、超細顆粒效應等因素,在高溫蒸汽及堿性條件作用下,可使體系短期強度得到快速提升,30h抗壓強度800密度等級的分別提高了100%、123%,900密度等級的分別提高了90%、105%。

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