徐民主 雷國元 宋均平 羅文斌 彭文斌 虞志平

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081；3.武鋼礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢430080)

用細粒低硅鐵尾礦制備三免磚

徐民主1,2雷國元1,2宋均平3羅文斌3彭文斌3虞志平3

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081；3.武鋼礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢430080)

利用某種工業(yè)粉狀廢物制備廉價的無水泥固化劑，并以武鋼礦業(yè)公司金山店鐵礦細粒低硅鐵尾礦為主要原料，研制MU25級的免燒、免蒸、免水泥建材磚(簡稱三免磚)，考察了固化劑的摻量及其機械活化方式、試件的成型壓力、化學(xué)外加劑種類及摻量、初期養(yǎng)護制度等工藝條件對制品抗壓強度和耐水性的影響。試驗結(jié)果表明：在成型壓力為50 MPa條件下，混磨的固化劑摻量為25%，鐵尾礦摻量為75%，有機早強劑A、防水劑B與固化劑摻量之比分別為0.02%、0.3%，初期養(yǎng)護溫度為50 ℃、養(yǎng)護時間為36 h時，所制備的三免磚28 d的抗壓強度和飽和抗壓強度分別達到27.2 MPa和24.3 MPa，各項性能指標均能滿足《JC/T422—2007 非燒結(jié)垃圾尾礦磚》的要求。該研究為尾礦的大規(guī)模利用提供了一項投資小、效益高的技術(shù)。

細粒低硅鐵尾礦 三免磚 外加劑 抗壓強度 耐水性

我國鐵礦資源具有貧、細、雜的特點。微細粒嵌布鐵礦石的選鐵尾礦粒度微細，這些尾礦的堆存不僅占用大量的土地，消耗大量的人、財、物成本，而且是生態(tài)和安全的重要威脅，對企業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展有著制約作用[1-3]。因此，鐵尾礦處置及其綜合利用是行業(yè)面臨的重大課題。

用鐵尾礦生產(chǎn)建材磚可以大量地消耗鐵尾礦，是很有應(yīng)用前景的尾礦綜合利用技術(shù)。但建材磚的生產(chǎn)往往對原料中硅鋁的含量有較高的要求，用低硅鐵尾礦制備建材磚的難度較大。

從目前的技術(shù)水平看，用細粒鐵尾礦制備建材磚或者依賴蒸壓養(yǎng)護工藝[4]，或者需要以水泥為固化劑生產(chǎn)免燒、免蒸磚。前者會顯著增加投資和生產(chǎn)成本，后者水泥用量較大、成本較高。若能以工業(yè)廢渣為原料制備廉價的無水泥固化劑，將細粒低硅鐵尾礦制成免燒、免蒸、免水泥磚(簡稱三免磚)，將是尾礦大宗綜合利用技術(shù)的重大突破。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

(1)鐵尾礦。取自武鋼金山店選礦廠，-180、-400目含量分別達89.9%和61.9%，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 鐵尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 1 Main chemical compositionsof the iron ore tailings %

(2)固化劑。為實驗室自制，原料為某廠的工業(yè)粉狀廢棄物和2種激發(fā)劑，固化劑-45 μm含量為98.1%。固化劑的機械活化方式分單磨和混磨，單磨即是指工業(yè)粉狀廢棄物單獨細磨后再與激發(fā)劑混合制作固化劑，混磨即是指固化劑的所有組分混合細磨后再制成固化劑。

(3)外加劑。外加劑包括早強劑和防水劑，早強劑有有機早強劑A和無機早強劑工業(yè)水玻璃，防水劑為B，均為市售化學(xué)藥劑。

1.2 試驗方法

稱取一定質(zhì)量的固化劑和鐵尾礦，加與鐵尾礦+固化劑總質(zhì)量比為24%的水和一定量的外加劑，混勻后在30 ℃下陳化24 h(含水率約為13%)，將料漿置于φ36 mm×36 mm的模具中，在一定壓力下壓制成型，養(yǎng)護后得制品。固化劑的摻量以固化劑占鐵尾礦+固化劑的質(zhì)量分數(shù)表示，外加劑的摻量以外加劑與固化劑的質(zhì)量比表示；養(yǎng)護分為初期養(yǎng)護和自然養(yǎng)護(25 ℃)2階段，鑒于華中地區(qū)氣候特點，初期養(yǎng)護模擬太陽能溫室條件，溫度為40～60 ℃[5]，初期養(yǎng)護后再自然養(yǎng)護至規(guī)定齡期。用液壓式萬能試驗機測定制品的抗壓強度和飽和抗壓強度，其他性能指標按照《JC/T422—2007 非燒結(jié)垃圾尾礦磚》標準進行檢測。鐵尾礦制備三免磚的流程見圖1。

圖1 試驗工藝流程Fig.1 Technical process of the experiments

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 固化劑摻量對制品強度的影響

固化劑摻量直接影響制品的力學(xué)性能和生產(chǎn)成本。在不添加外加劑的情況下，固化劑單磨，成型壓力為50 MPa，直接自然養(yǎng)護，固化劑摻量對制品抗壓強度的影響見圖2。

圖2 固化劑摻量對制品抗壓強度的影響Fig.2 Effect of curing agent dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗壓強度；△—7 d飽和抗壓強度； ▼—14 d抗壓強度；▽—14 d飽和抗壓強度

由圖2可知：隨著固化劑摻量的增加，制品的抗壓強度和軟化系數(shù)(即飽和抗壓強度與抗壓強度之比)逐漸提高，這與固化劑的摻量增加水化產(chǎn)物也相應(yīng)增多有關(guān)。當(dāng)固化劑摻量由20%增加到35%時，養(yǎng)護14 d時制品的軟化系數(shù)由0.33增加到0.60，增加幅度達82%左右，表明制品的耐水性提高顯著?？紤]到提高鐵尾礦利用率、減少固化劑用量可降低生產(chǎn)成本，因此，選擇固化劑的摻量為25%。

2.2 成型壓力對制品強度的影響

成型壓力是影響制品質(zhì)量的重要因素。在不添加外加劑的情況下，固化劑的摻量25%(單磨)，直接自然養(yǎng)護，成型壓力對制品抗壓強度的影響見圖3。

圖3 成型壓力對制品抗壓強度的影響Fig.3 Effect of different forming pressures on compressive strength of the products▲—7 d抗壓強度；△—7 d飽和抗壓強度； ▼—14 d抗壓強度；▽—14 d飽和抗壓強度

由圖3可知，制品的抗壓強度和軟化系數(shù)均隨成型壓力增加而增大，當(dāng)壓力由20 MPa增加到60 MPa，養(yǎng)護14 d時制品的軟化系數(shù)由0.46提高到0.62，升幅約35%，表明制品的耐水性能明顯改善。較高成型壓力可減小制品內(nèi)部的孔隙率、提高制品內(nèi)部顆粒間的接觸程度，有利于水化產(chǎn)物的形成，從而提升制品的強度和耐水性能。由于成型壓力由50 MPa增加到60 MPa，養(yǎng)護14 d時制品的軟化系數(shù)僅從0.60提高至0.62，提高的幅度較小，且考慮國內(nèi)成型設(shè)備壓力因素，確定制品的最佳成型壓力為50 MPa。

2.3 外加劑對制品強度的影響

2.3.1 A對制品強度的影響

A對制品強度影響試驗不添加其他外加劑，固定固化劑摻量為25%(單磨)，成型壓力為50 MPa，直接自然養(yǎng)護，A的摻量對制品抗壓強度的影響見圖4。

圖4 A的摻量對制品抗壓強度的影響Fig.4 Effect of A dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗壓強度；△—7 d飽和抗壓強度； ▼—14 d抗壓強度；▽—14 d飽和抗壓強度

由圖4可知：A的摻量由0增加到0.02%，制品的抗壓強度和軟化系數(shù)均提高，養(yǎng)護7 d時制品的軟化系數(shù)由0.48增加到0.55，增加了約15%，表明制品的耐水性能明顯改善，這主要是由于A促進了固化劑中活性物質(zhì)SiO2和Al2O3的溶出，加速了火山灰反應(yīng)，促進了水化產(chǎn)物的形成，具有良好的速凝效果[6]；進一步提高A的摻量，制品的抗壓強度和軟化系數(shù)均下降，這主要是由于A開始發(fā)揮緩凝作用。因此，A的摻量以0.02%為宜。

2.3.2 水玻璃對制品強度的影響

水玻璃對制品強度影響試驗不添加其他外加劑，試驗的固化劑摻量為25%(單磨)，成型壓力為50 MPa，直接自然養(yǎng)護，水玻璃的摻量對制品抗壓強度的影響見圖5。

圖5 工業(yè)水玻璃的摻量對制品抗壓強度的影響Fig.5 Effect of sodium silicate dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗壓強度；△—7 d飽和抗壓強度； ▼—14 d抗壓強度；▽—14 d飽和抗壓強度

綜合比較工業(yè)水玻璃和A的技術(shù)與經(jīng)濟效果，確定選用A為早強劑，用量為0.02%。

2.3.3 B對制品耐水性的影響

2.3.3.1 B的摻量對制品耐水性的影響

B的摻量對制品耐水性影響試驗不添加其他外加劑，試驗的固化劑摻量為25%(單磨)，成型壓力為50 MPa，直接自然養(yǎng)護，B的摻量對制品抗壓強度的影響見圖6。

圖6 B的摻量對制品抗壓強度的影響Fig.6 Effect of B dosage on compressive strength of the products▲—7 d抗壓強度；△—7d飽和抗壓強度； ▼—14 d抗壓強度；▽—14 d飽和抗壓強度

由圖6可知：增加B的摻量，制品的抗壓強度總體呈小幅下降趨勢；B的摻量由0增加到0.3%，養(yǎng)護14 d制品的軟化系數(shù)由0.61提高到0.71，這是由于B的乳液會吸附在物料顆粒表面，增加制品內(nèi)部毛細孔表面的憎水性，減弱了毛細孔內(nèi)水對制品強度的負面影響[9]。但是，表面的憎水性也會減弱固化劑的水化反應(yīng)，使制品的抗壓強度下降。綜合考慮2種效應(yīng)，選擇B的摻量為0.3%。

2.3.3.2 摻加B情況下初期養(yǎng)護溫度對制品耐水性的影響

B的溶解度隨溫度的升高而提高，需要考察溫度對B提高制品耐水性的影響。固化劑的摻量為25%(單磨)，成型壓力為50 MPa，不同溫度下初期養(yǎng)護2 d再自然養(yǎng)護5 d，初期養(yǎng)護溫度對B提高制品耐水性的影響見表2。

表2 初期養(yǎng)護溫度對B提高制品耐水性的影響Table 2 Effect of initial stage curing temperature for B on improving the water resistance of the products

由表2可知，初期養(yǎng)護溫度升高，制品的抗壓強度和軟化系數(shù)提高，摻加0.3%的B，初期養(yǎng)護溫度超過50 ℃時，制品的軟化系數(shù)超過0.8，達到JC/T422—2007標準要求。因此，添加B時，應(yīng)實行分段養(yǎng)護制度，且初期養(yǎng)護溫度不應(yīng)低于50 ℃。

2.4 A和B復(fù)摻情況下初期養(yǎng)護制度對制品耐水性的影響

A和B復(fù)摻情況下初期養(yǎng)護制度對制品耐水性影響試驗的固化劑摻量為25%(單磨)，B和A的摻量分別為0.3%和0.02%，成型壓力50 MPa，不同溫度、不同時間的初期養(yǎng)護加自然養(yǎng)護(總養(yǎng)護齡期為7 d)，初期養(yǎng)護制度對制品耐水性的影響見表3。

表3 初期養(yǎng)護制度對制品耐水性的影響Table 3 Effect of the initial stage of curing regime on water resistance of the products

由表3可知，提高初期養(yǎng)護溫度、延長初期養(yǎng)護時間，制品的耐水性提高；相同初期養(yǎng)護溫度條件下，摻加外加劑與不摻加外加劑相比，制品的耐水性顯著提高，因此，摻加外加劑有利于縮短養(yǎng)護時間。這是由于養(yǎng)護溫度的提高加速了水化反應(yīng)的進行，提高了制品的強度和耐水性。綜合考慮礦區(qū)的氣候特點和運行成本因素，初步確定初期養(yǎng)護制度為50 ℃、48 h。

2.5 固化劑的機械活化方式對制品強度性能的影響

試驗固定固化劑的摻量為25%，B和A的摻量分別為0.3%和0.02%，成型壓力為50 MPa，50 ℃初期養(yǎng)護一定時間后再自然養(yǎng)護至總齡期7 d，機械活化方式對制品抗壓強度的影響見圖7。

圖7 固化劑的機械活化方式對制品抗壓強度的影響Fig.7 Effect of the mechanically milling facilities of curing agent on compressive strength of the products▼—混磨條件下的抗壓強度；▽—混磨條件下的飽和抗壓強度； ▲—單磨條件下的抗壓強度；△—單磨條件下的和飽抗壓強度

由圖7可知：固化劑混磨情況下制品的強度明顯優(yōu)于單磨。當(dāng)初期養(yǎng)護時間為36 h時，單磨和混磨的軟化系數(shù)分別為0.74和0.82，混磨時比單磨時增加了約11%，耐水性能得到了顯著提升。這是由于在強烈的機械沖擊、剪切、磨削作用和粉狀顆粒之間的相互擠壓、碰撞作用下，一方面可以促使工業(yè)粉狀廢棄物中的玻璃體發(fā)生部分解聚，增加其反應(yīng)活性[10]，另一方面可提高各成分間的混勻程度，增大其反應(yīng)比表面積，加速水化反應(yīng)的進行。

2.6 綜合條件試驗

前述試驗結(jié)果表明，細粒低硅鐵尾礦制備三免磚的最佳條件如下：混磨的固化劑摻量為25%，鐵尾礦摻量為75%，B和A的摻量分別為0.3%和0.02%，成型壓力為50 MPa，50 ℃下初期養(yǎng)護36 h再自然養(yǎng)護至總齡期28 d。該條件下樣品的性能測試結(jié)果與標準要求對比列于表4。

由表4可知，按照《JC/T422—2007 非燒結(jié)垃圾尾礦磚》標準，所得三免磚樣品性能達到MU25級產(chǎn)品要求。

3 細粒低硅鐵尾礦制備三免磚產(chǎn)業(yè)化可行性分析

利用所研制的固化劑固化細粒低硅鐵尾礦，可以制備出免燒、免水泥、免蒸的“三免磚”，產(chǎn)品質(zhì)量達到MU25級規(guī)定的要求。該技術(shù)具有尾礦摻加量大、設(shè)備投資小、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。國內(nèi)目前的磚機可以達到產(chǎn)品成型壓力要求；目前國內(nèi)太陽能溫室溫度最高可達到60 ℃以上[5]，因此，分段養(yǎng)護中的初期養(yǎng)護可以通過太陽能溫室養(yǎng)護來實現(xiàn)，冬季低溫時，可以通過燃燒礦區(qū)周邊廉價的燃料向太陽能溫室供熱。

表4 標準要求及制品性能測試結(jié)果Table 4 Standard requirement and test results of products′ performance

由于礦區(qū)周邊工業(yè)發(fā)達，固化劑原料和外加劑均易得，所制備的固化劑成本約為150元/t，有機早強劑A成本約為1 1000元/t，防水劑B的成本約為 7 850元/t。按照以上工藝，以每塊磚重2.5 kg計，對應(yīng)的固化劑、A、B成本分別約為0.094元、0.001元、0.015元，人工水電成本為0.021元，設(shè)備折舊為0.002元，太陽能溫室養(yǎng)護費約0.002 3元，其他費用為0.004元，則每塊磚總成本為0.139 3元。考慮礦區(qū)周圍市場的供需狀態(tài)、價格的變動趨勢、稅收、墻改基金以及生產(chǎn)成本等影響價格的各種因素，預(yù)測每塊磚售價為0.250元，盈利約為0.110元/磚。

4 結(jié) 論

(1)以金山店鐵尾礦為主要原料，在混磨的固化劑摻量為25%，鐵尾礦摻量為75%，防水劑B和早強劑A的摻量分別為0.3%和0.02%，成型壓力為50 MPa條件下壓制的試件，經(jīng)50 ℃、36 h的初期養(yǎng)護再自然養(yǎng)護至總齡期28 d，制得的三免磚的抗壓強度和吸水飽和抗壓強度分別達到27.2 MPa和24.3 MPa，總體性能達到MU25級產(chǎn)品國家標準要求，表明利用低硅細粒鐵尾礦制備三免磚是可行的。

(2)防水劑B和早強劑A的摻入能顯著提高三免磚的耐水性，但防水劑B必須在50～60 ℃下初期養(yǎng)護一段時間其耐水性才能充分發(fā)揮。

(3)固化劑的混磨效果優(yōu)于單磨，可以提高制品的耐水性，有利于縮短養(yǎng)護時間。

(4)該尾礦制備三免磚的工藝簡單、投資小、適用性強，按照該工藝制備2.5 kg/塊的三免磚總成本為0.1393元/塊，預(yù)測售價為0.250元/塊，盈利空間廣闊。該方案既可大宗量處置尾礦，又可為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

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

冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室開放基金項目(編號：Mk201211)。

徐民主(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 雷國元(1964—)，男，教授，博士。

TD926.4

A

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