潘經(jīng)文 夏 令 宋少先 趙云良 李洪強(qiáng),2 朱 江

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430205;3.湖北三鑫金銅股份有限公司,湖北 黃石 431500)

作為重要的礦產(chǎn)資源,人們對鐵的需求日益增加。過度的開采導(dǎo)致鐵尾礦的大量排放,2018年我國產(chǎn)生的鐵尾礦總量已達(dá)4.76億t,約占全國尾礦總量的39%[1]。鐵尾礦的大量堆積不僅污染土壤環(huán)境,還增加企業(yè)成本[2-4]。盡管2018年我國鐵尾礦綜合利用率達(dá)到27.69%,但仍低于國外平均水平[5],鐵尾礦的綜合利用研究仍需受到重視。

近年來,我國基建水平顯著提升,消耗大量的混凝土。骨料是混凝土及其制品的基本組成材料[6],目前其制備大多使用廢棄建筑垃圾[7-8],物料經(jīng)破碎、篩分后得到合適粒級的再生骨料。但廢棄混凝土構(gòu)件破碎過程中,表層舊的水泥石和砂漿會產(chǎn)生裂縫,使得再生骨料的壓碎值和吸水率偏大,抗壓強(qiáng)度偏低[8-9];此外,建筑垃圾制備的再生骨料成分復(fù)雜,除滿足骨料要求的基本成分外,還含有少量的有機(jī)、無機(jī)雜質(zhì)[10]。鐵尾礦主要成分是硅酸鹽礦物,適用于硅酸鹽建筑材料領(lǐng)域[11-12]。目前,細(xì)粒鐵尾礦和再生骨料之間的技術(shù)轉(zhuǎn)化不僅成為了尾礦資源化利用的一個(gè)新方向,而且對再生骨料的生產(chǎn)提供新思路,成為大宗工業(yè)固廢資源化利用的研究熱點(diǎn)。

基于此,本研究以山東某細(xì)粒鐵尾礦為主要原料,開展了細(xì)粒鐵尾礦制備再生骨料試驗(yàn)研究,以期制得符合要求的再生骨料,緩解骨料市場需求的同時(shí)提高鐵尾礦的利用率。

1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用的鐵尾礦取自山東某鐵礦山,其粒度分布和化學(xué)組成分別見圖1、表1,結(jié)果表明該尾礦符合制備再生骨料的要求;黃砂為市售建筑用砂,其顆粒級配見表2;水泥為華新PO 42.5水泥,其物理性質(zhì)見表3;石膏為市售普通石膏;三乙醇胺購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,分析純。

圖1 鐵尾礦激光粒度分布分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of laser particle size distribution of the iron tailings

表1 鐵尾礦化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of chemical composition of the iron tailings %

表2 黃砂骨料顆粒級配Table 2 Particle grading of sand aggregate

表3 水泥物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of the cement

2 試驗(yàn)方法

2.1 試塊制備及養(yǎng)護(hù)方法

首先按照設(shè)定的比例稱取鐵尾礦、黃砂、水泥和石膏,然后一起倒入砂漿攪拌機(jī)內(nèi)干混5min,之后將混有一定比例三乙醇胺的水倒入攪拌機(jī)內(nèi)濕混5min;緊接著把混合好的拌合物放入直徑為5 cm、高為6cm的模具中,設(shè)定成型壓力為20 MPa,脫模后得到試塊;將試塊放入鋪滿衛(wèi)生紙的搪瓷托盤中,在上面蓋上一層塑料薄膜,保持密封狀態(tài),然后按照一定的方式噴水,到特定的養(yǎng)護(hù)齡期后測定試樣的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)的成型水分為13%,成型方式為壓制成型,養(yǎng)護(hù)方式為自然養(yǎng)護(hù)。

2.2 測試方法

使用馬爾文APA2000激光粒度儀測定鐵尾礦的粒度分布,通過X射線熒光光譜儀測定鐵尾礦的化學(xué)組成,采用Phenom 6.0掃描電子顯微鏡表征樣品的微觀形貌;再生骨料的壓碎值、堅(jiān)固值和有機(jī)物含量測定參考國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂石、碎石》(GBT 14685—2011)。

通過天辰壓力機(jī)測試試樣的抗壓強(qiáng)度,具體過程為:將試樣浸沒于水中,浸泡48 h后取出試樣并擦干表面,置于天辰壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn),加荷速度為0.5～1MPa/s,記錄破壞時(shí)荷載F,取試樣頂面和底面的算術(shù)平均數(shù)作為截面積A,計(jì)算抗壓強(qiáng)度R=F/A。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 物料配比試驗(yàn)

試驗(yàn)原料包括鐵尾礦、黃砂、水泥、石膏、三乙醇胺,其中鐵尾礦是制備再生骨料所需要消耗的原料,在水泥砂漿中作為微骨料進(jìn)入大顆粒堆積的空隙中,能增加試樣的致密性;黃砂作為組分中的大骨料,可以調(diào)節(jié)物料的級配,提高堆積密度;水泥熟料與水接觸發(fā)生水化反應(yīng),其礦物相中的鈣、硅和鋁等離子經(jīng)水化生成的膠狀物起主要作用[13];石膏可以促進(jìn)水化反應(yīng)進(jìn)行,加速膠凝物質(zhì)的結(jié)晶過程[14],但過量的石膏反應(yīng)會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力;三乙醇胺作為外加劑,能夠有效地改善水泥的物理力學(xué)性能,促進(jìn)水泥的水化。

為了確定最佳的物料配比,在三乙醇胺添加量為水泥含量的0.01%的條件下,選取黃砂、水泥和石膏3個(gè)條件,設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn),具體配比見表4。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 4 Design of the orthogonal experiment %

對上述9個(gè)正交組進(jìn)行試驗(yàn),使用砂漿攪拌機(jī)攪拌物料。養(yǎng)護(hù)期間每天噴水2mL,分別測定7 d、14 d和28 d試樣的抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表5。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of the orthogonal experiment

由表5可知,正交組6制得的試樣,其7 d、14 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均最大。此外,相較于其他組,正交組6中未添加石膏,這不僅減少了添加的配料種類,同時(shí)避免了試樣中硫含量的超標(biāo)。

對28 d抗壓強(qiáng)度的結(jié)果進(jìn)行極差分析,得到黃砂、水泥和石膏的極差值分別為1.468、12.518和2.106,這說明水泥含量對試樣28 d的抗壓強(qiáng)度的影響最大,石膏次之,黃砂最小。

3.2 噴水方式影響試驗(yàn)

噴水方式影響試樣的最終抗壓強(qiáng)度[15]。本試驗(yàn)?zāi)M自然養(yǎng)護(hù)方式,通過噴入適量自來水來保持試樣的濕度環(huán)境。正交試驗(yàn)現(xiàn)象表明,托盤上部的吸水材料衛(wèi)生紙濕潤,部分水停留在試塊表面,未被完全吸收。說明單塊磚每天噴水量為2 mL時(shí),試塊所需水量處于過多狀態(tài),并非最佳的養(yǎng)護(hù)條件。為此,采用正交組6的物料配比,使用砂漿攪拌機(jī)攪拌物料,探究噴水量對試樣抗壓強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同噴水量對試樣抗壓強(qiáng)度的影響Table 6 Influence of different water spraying on compressive strength of the samples

由表6可知,隨著噴水量的減少,試塊的抗壓強(qiáng)度隨之增加。當(dāng)不噴水時(shí),試塊7 d、14 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均為最佳,28 d試樣的抗壓強(qiáng)度最大為31.161MPa,符合國家標(biāo)準(zhǔn)。宋智強(qiáng)[16]指出塑料薄膜覆蓋可以隔絕空氣,阻止混凝土中的水分向環(huán)境散失來達(dá)到養(yǎng)護(hù)的作用。這說明在攪拌過程加入的成型水量滿足了試塊水化反應(yīng)所需的水分,不需額外噴水。

3.3 攪拌工藝影響試驗(yàn)

高速攪拌機(jī)可充分分散水泥,從而使水化反應(yīng)更加完全[17]。為考察攪拌工藝對試樣抗壓強(qiáng)度的影響,采用正交組6的物料配比,不額外噴水,選取JJ-5砂漿攪拌機(jī)和SHR-10A高速混合機(jī)進(jìn)行攪拌工藝試驗(yàn)研究:一次攪拌,即將配料倒入后先低速攪拌1 min,再加入水繼續(xù)高速攪拌1 min,冷卻后取出;二次攪拌選用先拌砂漿法,即先將鐵尾礦、水泥和一半的補(bǔ)充水加入,高速攪拌1 min,再加入一半的水和黃砂繼續(xù)攪拌1 min,冷卻后取出。攪拌工藝試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 攪拌工藝對試樣抗壓強(qiáng)度的影響Table 7 Influence of stirring mode on compressive strength of the samples

由表7可知,高速混合機(jī)一次攪拌后試塊28 d抗壓強(qiáng)度為32.742 MPa,顯著高于砂漿攪拌機(jī)一次攪拌后的22.751 MPa,提升43.9%。此外,觀察試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn):砂漿攪拌機(jī)內(nèi)部的物料有部分大顆粒團(tuán)聚,這將影響后續(xù)的水化反應(yīng);高速混合機(jī)內(nèi)部的物料呈粉狀,粒度細(xì),均一性好。說明高速混合機(jī)對物料攪拌和打散效果更好,能保證物料和水泥的充分混合。

在高速混合機(jī)攪拌中,二次攪拌后試塊28 d抗壓強(qiáng)度較一次攪拌的提高了1.018 MPa。焦予民[18]指出水泥漿體和砂之間的界面過渡區(qū)是最薄弱的環(huán)節(jié),而二次攪拌相對于傳統(tǒng)的一次攪拌可改善過渡區(qū)的強(qiáng)度。因此,高速混合機(jī)的二次攪拌工藝所得試塊抗壓強(qiáng)度最佳。

3.4 再生骨料成品表征

在最佳制備條件下制得試樣,將其破碎、篩分。破碎一塊試樣共獲得破碎骨料2 027g,采用套篩對骨料進(jìn)行分級,其中-4.75 mm粒級占6.71%、4.75～9.5mm粒級占 12.14%、9.5～19 mm粒級占33.76%、19～37 mm粒級占47.39%。參照《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)按質(zhì)量、粒度要求送樣測試,結(jié)果見表8。

表8 再生骨料的綜合性能指標(biāo)Table 8 Comprehensive performance indexes of recycled aggregate

由表8可知,再生骨料的壓碎指標(biāo)、堅(jiān)固值和有機(jī)物含量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),即再生骨料綜合性能良好。

4 結(jié) 論

(1)物料配比試驗(yàn)表明,水泥含量對試樣抗壓強(qiáng)度的影響最大,石膏用量次之,黃砂用量最小;最佳物料配比為:10%黃砂、15%水泥和75%尾礦,外加劑三乙醇胺用量為水泥含量的0.01%。

(2)養(yǎng)護(hù)過程以噴水量為變量,在覆膜的情況下,13%的成型水分可滿足試塊的水化反應(yīng),水量過多會降低試塊的抗壓強(qiáng)度。

(3)相較于砂漿攪拌機(jī),高速混合機(jī)攪拌量大,配料攪拌均勻,無顆粒團(tuán)塊,所得試樣抗壓強(qiáng)度更大,二次攪拌后抗壓強(qiáng)度達(dá)33.760 MPa。最佳條件下制得的再生骨料成品的壓碎值、堅(jiān)固性和有機(jī)物含量符合《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)標(biāo)準(zhǔn)要求,具有一定的發(fā)展前景。