許寧源

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,山西太原 030006)

銅礦尾礦制備水泥熟料的特性與微觀表征

許寧源

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,山西太原 030006)

為了進(jìn)一步研究銅礦尾礦用于制備水泥熟料的可行性,采用銅礦尾礦替代砂巖燒制水泥熟料.通過f-CaO測(cè)試分析銅礦尾礦制備水泥熟料的易燒性,同時(shí)借助XRD測(cè)試水泥熟料中成分比例,最后對(duì)銅礦尾礦制備水泥熟料的凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明:升高煅燒溫度更有利于使用銅礦尾礦制備水泥熟料;用銅礦尾礦替代砂巖可降低f-CaO,但熟料的礦物晶體結(jié)晶度下降,且C3S礦物燒成率略偏低,凝結(jié)時(shí)間、早期強(qiáng)度與普通水泥熟料相差不大.

水泥;熟料特性;銅礦尾礦;微觀表征

0 引 言

銅礦尾礦是銅礦在選礦后剩余的粉末狀廢渣,絕大多數(shù)銅礦尾礦中不僅含有鈣、硅、鋁等水泥熟料必有的氧化物,而且含有大量的微量元素[1].已有研究表明,銅礦尾礦作為水泥煅燒原料使用時(shí)表現(xiàn)出良好的易燒性[2],能有效降低液相出現(xiàn)點(diǎn)的溫度,同時(shí)降低液相黏度并增加液相量,進(jìn)而使煅燒的水泥熟料在較低的溫度下具有較高的強(qiáng)度[3-4];當(dāng)利用銅礦尾礦充當(dāng)水泥的原材料時(shí),其潛在活性可起到增加水泥強(qiáng)度的作用,同時(shí)還可減緩凝結(jié)時(shí)間,改善水泥的安定性[5].銅礦尾礦中SiO2含量接近60%,理論上可作為主要硅質(zhì)原料且不需再加入硅質(zhì)校正原料[6-8].此外,從環(huán)保角度看,銅礦尾礦表面有殘留浮選劑,如果廢棄不加以利用,其浸出的有害物質(zhì)會(huì)對(duì)水體、土壤造成污染[9].

本文采用銅礦尾礦替代砂巖,研究其對(duì)水泥熟料微觀特性、易燒性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等性能的影響規(guī)律,從而為解決銅礦尾礦堆積帶來的環(huán)境染污問題以及降低水泥成本尋找一條新途徑.

1 原材料

本文所選的材料均來自朔州山水新時(shí)代水泥有限公司,其各原材料的化學(xué)成分及細(xì)度指標(biāo)如表1所示.

表1 原料的化學(xué)組成及篩余%

根據(jù)設(shè)計(jì)的率值進(jìn)行生料配置,以累加試湊法算得各原料配合比,如表2所示.

表2 各原料配合比 %

水泥原料常規(guī)的主要化學(xué)成分包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等,經(jīng)過加熱煅燒后水泥原料的主要化學(xué)成分包括C3S、C2S、C3A、C4AF等.為保證這些化學(xué)成分能夠維持在設(shè)定的范圍內(nèi),根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),其原料配比后的化學(xué)組成必須使KH(石灰飽和系數(shù))、SM(硅率)、IM(鋁率)符合3個(gè)率值要求[10-14].

根據(jù)表2中各原料配比及表1中原料各成分的比例,計(jì)算復(fù)合配比后水泥熟料的KH、SM、IM三個(gè)率值指標(biāo),結(jié)果如表3所示.

表3 水泥熟料率值

從表3可以看出,2種方案中KH、SM、IM三個(gè)率值均滿足生產(chǎn)率值設(shè)定的要求,所以理論上銅礦尾礦可以代替砂巖作為硅質(zhì)原料制備合格的普通硅酸鹽水泥.

2 試驗(yàn)分析

2．1 f-CaO測(cè)定

將2種配合比的生料分別在1 350℃、1 400℃、1 450℃下進(jìn)行易燒性分析,采用滴定法測(cè)試游離氧化鈣(f-CaO),結(jié)果如圖1所示.

圖1 熟料中f-CaO的含量

從圖1中可以看出:煅燒溫度對(duì)熟料中f-CaO的含量起到極為明顯的改善作用,隨著溫度的升高, 2種配比熟料中f-CaO的含量均有降低趨勢(shì);在較低溫度時(shí)(1 350℃),配合比1熟料中f-CaO的含量比配合比2低,說明此溫度下砂巖熟料比銅礦尾礦熟料更易燒成;在煅燒溫度為1 400℃和1 450℃時(shí),配合比2熟料中f-CaO的含量比配合比1低,說明較高溫度下銅礦尾礦熟料更易燒成.

2．2 巖相分析

圖2、3的巖相圖像分別是以砂巖、銅礦尾礦為原料,在1 450℃溫度下煅燒得到的水泥熟料.

圖2 砂巖熟料巖相分析

圖3 銅礦尾礦熟料巖相分析

由巖相分析可知:以砂巖為原料煅燒的水泥熟料中,阿利特(A礦)呈規(guī)則的板狀、短柱狀,晶體發(fā)育良好,經(jīng)1%NH4Cl溶液浸蝕后呈現(xiàn)藍(lán)色或深棕色,熟料中A礦分布較為均勻,粒度為10～25μm,含量約在50%左右.貝利特(B礦)大多呈圓粒狀,淺棕色,表面有交叉雙晶紋,大多聚集成片,分布在A礦周圍的中間相里,粒度在20μm左右,含量約為15%.蒸餾水侵蝕后,f-CaO呈彩色,多為凹下的圓粒狀,有的成片聚集,有少部分會(huì)包裹于A礦中,有的呈細(xì)分散狀態(tài)[15-19].以銅礦尾礦為原料煅燒的水泥熟料中A礦含量較少,晶體結(jié)晶度較差,粒度較小,但f-CaO含量較少,說明加入銅礦尾礦有助于降低熟料中f-CaO的含量.

2．3 X衍射分析XRD

對(duì)以砂巖、銅礦尾礦為原料在1 350℃、1 400℃、1 450℃下煅燒的水泥熟料進(jìn)行X衍射分析, XRD圖像如圖4、5所示.

圖4 砂巖熟料的XRD分析

圖5 銅礦尾礦熟料的XRD分析

由圖4、5可知:該水泥熟料主要含有C3S、C2S、C3A、C4AF四種礦物,且隨著煅燒溫度的升高,C3S等礦物的衍射峰增強(qiáng),說明其含量逐漸增加,礦物結(jié)晶程度也變好;而且CaO的衍射峰逐漸降低,表明隨溫度的升高熟料的煅燒效果得到了改善.為了進(jìn)一步確定同一溫度下燒成熟料的質(zhì)量,對(duì)1 450℃下燒成的熟料進(jìn)行定量相分析,結(jié)果如表4所示.

表4 不同配料在1 450℃下燒成熟料的礦相組成 %

從表4可以看出,1 450℃燒成的銅礦尾礦熟料中C3S礦物形成較少,燒成率比砂巖熟料稍低.

2．4 SEM分析

對(duì)以砂巖、銅礦尾礦為原料,在1 350℃、1 400℃、1 450℃下煅燒的水泥熟料進(jìn)行掃描電鏡分析, SEM圖像如圖6、7所示.

圖6 砂巖熟料的SEM圖像

圖7 銅礦尾礦熟料的SEM圖像

由圖6、7可知,2種煅燒熟料中均有A礦(板狀或規(guī)則柱狀)、B礦(圓粒狀)等礦物生成,但砂巖熟料中A礦含量明顯多于銅礦尾礦熟料,而且砂巖熟料結(jié)晶度較好,這與強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果相吻合,即以砂巖為硅鋁質(zhì)原料煅燒的熟料強(qiáng)度較高.

2．5 物理力學(xué)性能驗(yàn)證

2．5．1 相對(duì)凝結(jié)時(shí)間

在滿足細(xì)度要求的熟料中,添加占熟料質(zhì)量5%的石膏(80μm篩余為4.3%),以水灰比0.25混和30 min至均勻,得到3個(gè)煅燒溫度下水泥凈漿的相對(duì)凝結(jié)時(shí)間,如圖8、9所示.

圖8 水泥凈漿的相對(duì)初凝時(shí)間

圖9 水泥凈漿的相對(duì)終凝時(shí)間

分析圖8、9可知,隨著溫度升高,2種水泥熟料的凝結(jié)時(shí)間略有降低,但是變化不大;同溫度下不同熟料的水泥凝結(jié)時(shí)間相差不多.

2．5．2 抗壓強(qiáng)度

對(duì)不同溫度下燒制成的水泥熟料進(jìn)行試驗(yàn),分析3個(gè)煅燒溫度下水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度.3、7、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,如圖10～12所示.

圖10 不同煅燒溫度下的的水泥3 d抗壓強(qiáng)度

從圖10～12可以看出:隨著齡期的增長(zhǎng),2種水泥熟料在各溫度下的抗壓強(qiáng)度都逐漸增大;隨著溫度的升高,砂巖和銅礦尾礦2種配料水泥的抗壓強(qiáng)度均逐漸增大.在1 350℃和1 400℃時(shí),砂巖配料水泥和銅礦尾礦配料水泥的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度相差較小,但是到1 450℃時(shí),砂巖配料水泥和銅礦尾礦配料水泥的3 d和7 d的抗壓強(qiáng)度相差較大;對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度,各溫度下砂巖配料水泥都高于銅礦尾礦配料水泥,尤其是1 450℃時(shí)兩者強(qiáng)度相差更大.這說明,在相同溫度下砂巖配料比銅礦尾礦配料更易獲得良好的水泥性能.

圖11 不同煅燒溫度下的的水泥7 d抗壓強(qiáng)度

圖12 不同煅燒溫度下的水泥28 d抗壓強(qiáng)度

影響水泥強(qiáng)度的要素有熟料的質(zhì)量、水泥細(xì)度和顆粒形狀、級(jí)配、混合材料的種類和摻加量、水泥貯存的時(shí)間等.現(xiàn)以1 450℃下2種水泥熟料為例,對(duì)其做激光粒度分析,利用origin軟件對(duì)粒度分布進(jìn)行RRSB擬合,結(jié)果如表5所示.

表5 熟料的RRSB擬合參數(shù)

分析表5可知:相對(duì)于銅礦尾礦熟料,砂巖熟料的表面積與體積之比要高很多,說明砂巖熟料顆粒粒徑較小,粉體較細(xì);而且砂巖熟料的均勻性指數(shù)較高,顆粒大小均勻,粉體堆積密度低,顆粒分布較窄.粒徑較大的顆粒水化速度慢,對(duì)水泥強(qiáng)度的發(fā)展有不利影響,而粒徑特別小的顆粒水化速度較快,僅能夠在24 h內(nèi)發(fā)揮強(qiáng)度,之后強(qiáng)度增長(zhǎng)很慢,甚至?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象.因此,顆粒級(jí)配較窄的水泥有利于提高強(qiáng)度;而砂巖熟料顆粒分布較窄,其水化速度快,水泥漿體的抗壓強(qiáng)度也高于銅礦尾礦制備的水泥.

3 結(jié) 語

(1)提高煅燒溫度,熟料中的f-CaO含量降低,較高溫度下銅礦尾礦替代砂巖制備水泥熟料更易燒成.

(2)以銅礦尾礦煅燒的水泥熟料中,晶體結(jié)晶度相對(duì)較差,粒度較小,C3S礦物形成較少,燒成率比砂巖水泥稍低,但熟料中f-CaO的含量相對(duì)減少.

(3)銅礦尾礦替代砂巖煅燒的水泥熟料中,A礦含量減少,結(jié)晶度相對(duì)下降,強(qiáng)度相對(duì)偏低.

(4)銅礦尾礦替代砂巖煅燒的水泥熟料凝結(jié)時(shí)間、早期強(qiáng)度與普通水泥熟料相差不大,銅礦尾礦水泥熟料的表面積與體積比相對(duì)較小,導(dǎo)致其制備的熟料均勻性指數(shù)較低、顆粒分布較窄,在強(qiáng)度方面劣于砂巖水泥熟料.

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[責(zé)任編輯:杜敏浩]

Characteristics and Microscopic Characterization of Cement Clinker Prepared by Copper Mine Tailings

XU Ning-yuan
(Transportation Planning Survey and Design Institute of Shanxi Province,Taiyuan 030006,Shanxi,China)

Copper mine tailings were applied to replace the sandstone for the preparation of cement clinker to further study the feasibility．The calcination properties of cement clinker were analyzed by f-CaO test,and the composition of cement clinker was tested by XRD．Finally,the coagulation time and mechanical properties of cement clinker were verified．The results show that higher calcination temperature is more favorable for the preparation of cement clinker with copper mine tailings．The replacement of sandstone with copper mine tailings can reduce f-CaO,but the crystallinity of the mineral crystal of clinker decreases and the firing rate of C3S mineral slightly drops．There is little difference in coagulation time and early strength between copper mine tailings made cement clinker and ordinary cement clinker．

cement;clinker properties;copper mine tailings;microscopic characterization

U414．03

B

1000-033X(2017)05-0041-05

2016-12-04

山西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2015-1-26);山西省交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2015-2-04)

許寧源(1966-),男,山西太原人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)槁窐蚴┕ぜ夹g(shù).