硅铝型铁尾矿粉的无熟料固结性能及水化机理_安树好.pdf

第 26 卷第 2 期2023 年 2 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.2Feb.，2023硅铝型铁尾矿粉的无熟料固结性能及水化机理安树好1，刘娟红1，2，3，*，张月月1，王洪江1（1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2.北京科技大学 城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083；3.北京科技大学 城镇化与城市安全研究院，北京 100083）摘要：为探究磨细铁尾矿粉在无熟料体系中的固结性能，以硅铝型铁尾矿为主体材料，掺配钙、硫、硅校正材料，在磨细比表面积约为 1 000 m2/kg时，使铁尾矿粉获得无熟料高强度固结效果.利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、差示扫描同步热分析仪（DSC-TG）测试技术及化学滴定方法，分析了固结体中水化产物的种类、含量及微观形貌，研究了无熟料固结材料的水化机理.结果表明：当钙、硫、硅校正材料总占比为 40%，且三者之间质量比为 20 5 15时，利用铁尾矿细磨过程中矿物表面晶格畸变形成的非晶质层成分与校正材料之间的水化反应及产物协同效应，能够获得 28 d强度为52.08 MPa的固结体；水化过程中，钙矾石（AFt）的快速生成为硬化浆体提供了早期强度，水化硅酸钙（C-S-H）是稳定固结体后期强度的保证，1/71/5的晶胶比确保了固结体强度的持续发展.关键词：铁尾矿粉；无熟料固结；非晶质层；水化机理；晶胶比中图分类号：TB321文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.02.009Non-clinker Consolidation Performance and Hydration Mechanism of Silicon Aluminum Iron Tailing PowderAN Shuhao1，LIU Juanhong1，2，3，*，ZHANG Yueyue1，WANG Hongjiang1（1.College of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3.Research Institute of Urbanization and Urban Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）Abstract:In order to explore the consolidation performance of iron tailing powder in clinker free system，a clinker-free high-strength consolidation material with ground iron tailing powder as the main material was prepared.Using scanning electron microscope（SEM），X-ray diffraction（XRD），differential scanning synchronous thermal analyzer（DSC-TG）and chemical titration methods，the type，content and micro morphology of hydration products in the consolidated body were analyzed，and the hydration mechanism of the non-clinker consolidated material was studied.The results show that when the total proportion of calcium，sulfur and silicon is 40%and the ratio between them is 20 5 15，the consolidated body with a strength of 52.08 MPa at 28 d can be obtained by using the hydration reaction between the amorphous layer formed by lattice distortion on the surface of iron tailing powder and the correction material by its product synergistic effect.Ettringite（AFt）provides the early strength of the paste，calcium silicate hydrate（C-S-H）is the guarantee for stabilizing the later strength，and the ratio of crystal to gel within 1/71/5 is the key factor in ensuring the continuous development of strength.文章编号：1007-9629（2023）02-0172-07收稿日期：2021-12-25；修订日期：2022-02-23基金项目：国家自然科学基金资助项目（51834001）第一作者：安树好（1972），男，河南许昌人，北京科技大学博士生.E-mail：通讯作者：刘娟红（1966），女，江苏苏州人，北京科技大学教授，博士生导师，博士.E-mail：第 2期安树好，等：硅铝型铁尾矿粉的无熟料固结性能及水化机理Key words:iron tailing powder；non-clinker consolidation；amorphous layer；hydration mechanism；ratio of crystal to gel中国现存有207亿t金属尾矿1，尾矿堆储不仅占用土地资源、污染环境，还存在安全隐患.金属尾矿中的主要矿物为石英、长石等硅酸盐矿物，化学成分主要是 SiO2、Al2O3和 Fe2O3等化合物.Young等2-3 利用铁尾矿替代部分黏土质生料组分制备硅酸盐水泥熟料，发现铁尾矿中的硅铝成分能够提高生料的易烧性，降低熟料矿物的烧成温度，改善熟料的烧成质量及水化性能.朴春爱等4-6 利用机械力活化方法，制备出具有火山灰活性的铁尾矿粉并研究了其在水泥基材料中的活性表现，结果表明，粉磨 2.0 h的铁尾矿粉中无序物质增多，具有火山灰活性，活化铁尾矿粉的掺入可以促进水泥中铝酸盐的二次水化，显著提高浆体的胶凝活性.Cheng等7 用磨细铁尾矿粉作矿物掺合料制备混凝土，研究了掺加磨细尾矿粉对混凝土力学性能及耐久性的影响，结果表明，随着磨细尾矿粉的掺加，混凝土的抗渗、抗冻等耐久性能得到显著改善.事实上，在细磨过程中，铁尾矿中矿物表面的晶体结构受到机械力作用，粉体表面结晶度逐步降低，形成非晶质层，使矿物表面成分出现一些化学性质上的变化8.Liu等9 对比研究了铁尾矿石和石灰石作粗骨料时混凝土力学强度和微观结构的不同，结果表明，铁尾矿表面的断键部位在适当条件下能够与Ca（OH）2发生化合反应，生成了含铝的水化硅酸钙（C-（A）-S-H），而石灰石表面没有这一现象，这是铁尾矿骨料混凝土的强度和结构密实度均明显高于石灰石骨料混凝土的主要原因.基于此，刘娟红等10-11 利用超细尾砂表面硅铝氧矿物晶格缺陷的特性，研究了全尾砂无水泥充填方案的可行性，充填体28 d抗压强度达到3.35 MPa，完全满足矿山充填的需求，为深度开发超细尾砂的利用价值拓宽了方向.硅铝型铁尾矿中富含 SiO2和 Al2O3，但水化生成水化硅酸钙（C-S-H）及钙矾石（AFt）所需的Ca（OH）2和 CaSO4不足.鉴于此，本文以硅铝型铁尾矿为主要组分，借助机械力活化方法来增加铁尾矿表面晶格缺陷浓度，同时选用富含 Ca（OH）2、CaSO4和非晶态SiO2的工业副产品为校正材料，配制出铁尾矿粉无熟料固结材料，并研究影响该固结体强度的因素及水化机理.1试验1.1原材料铁尾矿源于密云维克铁尾矿，主要矿物成分为石英、长石及云母等矿物.钙、硫、硅 3种校正材料均选用工业副产品.原材料的化学组成（质量分数，文中涉及的组成、水固比等除特别注明外均为质量分数或质量比）见表1.铁尾矿的XRD图谱见图1.1.2试验方案及方法1.2.1抗压强度试验以磨细石英砂试件为参照组，铁尾矿粉无熟料固结试件的抗压强度试验方案及结果见表 2.先采用305305 mm 的球磨机按照表 2中的配合比将试样粉磨 36 h，制成比表面积约为 1 000 m2/kg的粉体；然后用净浆搅拌机以 0.30的水固比将粉体试样加水搅拌成净浆，倒入30 mm30 mm30 mm的试模中制备得到净浆试件；最后置于（201）、相对湿度不低于95%的养护室中养护至规定龄期.1.2.2化学分析方法测定AFt含量由文献 12-13 可知，乙二醇-甲醇（体积比 1 3）表 1原材料的化学组成Table 1Chemical compositions of raw materialsw/%MaterialIron tailingCalcium correction materialSulfur correction materialSiliceous correction materialSiO261.072.182.1638.84Al2O39.151.161.148.33Fe2O313.380.720.640.37CaO2.9066.9233.6936.73MgO2.781.430.5712.48K2O2.140.020.660.27Na2O2.290.240.720.18SO31.250.4841.420.92IL26.2318.671.37Total94.9699.3899.6799.49图 1铁尾矿的 XRD图谱Fig.1XRD pattern of iron tailing173建筑材料学报第 26卷混合溶剂能够将 AFt从水泥浆体中精准萃取出来.试验采用 CuSO4返滴法测定出萃取液中的 Al2O3含量，根据 AFt 的一般化学式 3CaO Al2O3 3CaSO432H2O，计算出 Al2O3的质量分数为 8.13%，由此化学方法即可测定换算出浆体中AFt的含量.1.2.3微观试验使用 FEI Quanta 250扫描电镜（SEM）观察试样的微观结构.使用TTR X-射线衍射仪（XRD）测试试样的水化产物，仪器参数为：管电流 120 mA、管电压40 kV、扫描角度565，扫描速率6（）/min.使用Discovery 差示扫描同步热分析仪（DSC-TG），N2作为保护气体，将磨细的净浆粉末以 10/min的速率从室温加热至1 100，得到DSC-TG曲线.将破型后的净浆试件立即用无水乙醇终止水化，按试验需求制成 SEM 测试用块状试样，以及XRD、DSC-TG 测试用 75 m（200 目）粉体试样.需要说明的是，由于试件 FL2000的 3 d抗压强度偏低，浆体结构疏松，导致其在 SEM 测试时抽真空时间过长，因此本文所有微观早龄期试样均选用养护龄期为 7 d的 FL2000试件，其他试验的早龄期测试选用养护龄期为3 d的试件.2结果与讨论2.1抗压强度由 表 2 可 以 看