铁尾矿基陶粒的物理力学性能及其微观性质研究

李国峰 那 威 田江涛 刘立伟 王 素

(1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210;2.河北省地质实验测试中心,河北 保定 071051)

陶粒作为一种表层坚硬、强度高的特殊材料,可代替混凝土中的碎石骨料用于建筑领域[1-2];此外,陶粒还具有比表面积大、热稳定性好、内部多孔、表面微孔丰富等特点,在污水处理领域也有一定程度的应用[3-6]。

利用铁尾矿制备陶粒,有望成为铁尾矿资源化利用的有效方式之一。李涵[7]以陕南地区中硅铁尾矿为主料,以膨润土、铝矾土为辅料,在铁尾矿、膨润土、铝矾土质量比为7 ∶2 ∶1,焙烧温度1 600 ℃的条件下,制得筒压强度7.91 MPa、堆积密度0.82 g/cm3、表观密度1.855 g/cm3、吸水率5.63%的陶粒。杨传猛[8]以铁尾矿为主要原料,以粉煤灰和石英砂为辅料制备陶粒,并利用XRD 和SEM 测试技术对制得的陶粒进行分析,发现陶粒的堆积密度小于0.8 g/cm3,表观密度小于1.2 g/cm3,抗压强度大于2 MPa,其主要矿物相为钙长石、赤铁矿和石英。

可见,制备铁尾矿基陶粒是可行的,但需在铁尾矿的基础上添加适宜的辅料。本研究基于唐山市的区位资源优势,采用铁尾矿为主料、煤矸石为辅料,考察不同工艺参数下铁尾矿基陶粒的物理力学性能,为唐山市铁尾矿、煤矸石等固体废弃物资源的利用提供理论指导。

1.1 试验原料

试验所用铁尾矿取自石人沟铁矿选矿厂,所用煤矸石取自唐山矿业公司。将铁尾矿和粉碎至一定细度的煤矸石分别进行混匀、缩分,制备出试验用样。

1.1.1 原料化学成分分析

铁尾矿化学成分分析和煤矸石工业分析结果分别如表1 和表2所示。

表1 铁尾矿化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of iron tailings %

表2 煤矸石工业分析结果Table 2 Industrial analysis results of coal gangue%

由表1 可以看出,铁尾矿主要成分为SiO2,含量达66.66%;Al2O3、CaO、MgO 含量相对较低,分别为5.21%、7.66%、2.72%;此外,还含有5.62%的TFe。

由表2 可知,煤矸石的固定碳含量为6.50%,挥发分含量为8.11%,灰分含量为85.28%;其中,灰分含21.21%的Al2O3和55.11%的SiO2,铝硅比为0.38。

1.1.2 原料物相组成分析

铁尾矿和煤矸石的X 射线衍射(XRD)图谱如图1所示。

图1 铁尾矿和煤矸石XRD 图谱Fig.1 The XRD spectrum of iron tailings and coal gangue

由图1(a)可知,铁尾矿中主要矿物为石英,此外还含有一定量的镁角闪石、钙长石、蓝晶石、方解石、钙铁榴石、橄榄石等矿物。由图1(b)可知,煤矸石主要矿物为石英、高岭土和伊利石。

1.1.3 原料粒度组成

采用激光粒度分析仪,对铁尾矿和煤矸石进行粒度分析,结果如图2所示。

图2 铁尾矿和煤矸石的累计粒度及粒度分布曲线Fig.2 The accumulative granularity characteristics and particle size distribution curves of iron tailings and coal gangue

由图2 可以看出,铁尾矿和煤矸石的d50分别为105 μm 和32 μm;铁尾矿多分布于-450 μm 粒级范围内,煤矸石多分布于-325 μm 粒级范围内。

1.2 研究方法

1.2.1 试验方法

按一定比例称取铁尾矿和煤矸石(铁尾矿用量以尾矿质量占铁尾矿与煤矸石总质量的百分比表示),并加水混匀,采用手动压球机压制成型,粒径控制在10 mm左右,为避免高温烧结过程中发生开裂现象,放入恒温干燥箱在105 ℃下烘干8 h,得到生球备用。

在室温下将生球放入KSL-2000X 型箱式电阻炉中,以10 ℃/min 的升温速率升至预定温度,保温一定时间后取出,冷却至室温,得到铁尾矿基陶粒。参照GB/T 17431.2—2010 《轻集料及其试验方法》中要求的方法,对陶粒的堆积密度、表观密度、筒压强度、吸水率等性能进行测试。

1.2.2 测试方法

采用D8 ADVANCE 型X 射线衍射分析仪对制得的陶粒进行物相分析,并用ECLIPSE Ci-POL 型偏光显微镜对陶粒的微观形貌进行观察分析。

2.1 焙烧温度对陶粒性能的影响

固定焙烧时间15min、铁尾矿用量80%,不同焙烧温度下陶粒的物理力学性能如图3所示。

图3 焙烧温度对陶粒物理力学性能的影响Fig.3 Effect of roasting temperature on physicalmechanical properties of ceramsite

由图3(a)可知,随着焙烧温度的升高,陶粒的堆积密度变化不大,整体介于0.82～0.85 g/cm3之间,陶粒的表观密度先增加后小幅波动。由图3(b)可知,随着焙烧温度的升高,陶粒的筒压强度呈逐渐增加趋势,焙烧温度由950 ℃增加到1 100 ℃时,陶粒的筒压强度由1.89 MPa 增加到6.02 MPa;继续增加焙烧温度至1 150 ℃,筒压强度增加到7.11 MPa,增幅变缓。焙烧温度为950 ℃时,陶粒的吸水率最高,为29.31%;焙烧温度升至1 100 ℃时,陶粒的吸水率降至8.03%;继续升高焙烧温度,吸水率呈增加趋势。综合考虑,确定焙烧温度为1 100 ℃。

2.2 焙烧时间对陶粒性能的影响

固定焙烧温度1 100 ℃、铁尾矿用量80%,不同焙烧时间下陶粒的物理力学性能如图4所示。

图4 焙烧时间对陶粒物理力学性能的影响Fig.4 Effect of roasting time on physical-mechanical properties of ceramsite

由图4(a)可知,随焙烧时间的增加,陶粒的堆积密度和表观密度变化较小,分别介于0.82～0.86 g/cm3和1.64～1.68 g/cm3之间,变化幅度在0.04 g/cm3内。由图4(b)可知,增加焙烧时间有利于提高陶粒的筒压强度,焙烧时间由5 min 增加到20 min时,陶粒的筒压强度由1.47 MPa 增加到7.24 MPa;继续增加焙烧时间至30 min 时,筒压强度增加到8.23 MPa,增加幅度变缓。随焙烧时间的延长,陶粒的吸水率整体呈下降趋势,焙烧时间在5～25 min 时,吸水率随焙烧时间增加下降较为明显;焙烧时间达到10 min 后,陶粒的吸水率降至10%以下。综合考虑,确定焙烧时间为20 min。

2.3 铁尾矿用量对陶粒性能的影响

固定焙烧温度1 100 ℃、焙烧时间20 min,不同铁尾矿用量下陶粒的物理力学性能如图5所示。

图5 铁尾矿用量对陶粒物理力学性能的影响Fig.5 Effect of dosage of iron tailings on physicalmechanical properties of ceramsite

由图5(a)可知,铁尾矿用量为70%～90%时,陶粒的堆积密度和表观密度变化不大,分别介于0.86～0.88 g/cm3和1.57～1.64 g/cm3范围内。由图5(b)可知,随着铁尾矿用量由70%增加到75%,筒压强度由9.20 MPa 下降到8.78 MPa;继续增加铁尾矿用量至90%时,陶粒的筒压强度降到2.59 MPa,降幅明显。铁尾矿用量为70%～85%时,陶粒的吸水率略有降低,由8.41%小幅降至7.73%;铁尾矿用量为90%时,陶粒的吸水率则增加至14.72%。综合考虑,确定铁尾矿用量为75%,此时陶粒筒压强度为8.78 MPa、堆积密度为0.87 g/cm3、表观密度为1.57 g/cm3、吸水率为7.93%,符合国标GB/T 17431.1—2010 中900 级轻集料陶粒的标准。

2.4 焙烧过程的物相转化和微观形貌分析

以不同焙烧温度下陶粒的物相组成和微观形貌为例,分析陶粒筒压强度、吸水率等性质变化的原因。

2.4.1 焙烧温度对陶粒物相组成的影响

焙烧温度分别为950、1 050、1 100 ℃时陶粒的XRD 图谱如图6所示。

图6 不同焙烧温度下陶粒的XRD 图谱Fig.6 The XRD spectrum of ceramsite at different temperatures

由如图6 可知:焙烧温度为950 ℃时,可见石英、镁角闪石、钙长石、蓝晶石、钙铁榴石、橄榄石的衍射峰,且随着焙烧温度的升高,上述矿物的衍射峰均呈不同程度的降低趋势;当焙烧温度为1 050 ℃时,镁角闪石的衍射峰消失;当焙烧温度升高至1 100 ℃时,钙长石、钙铁榴石、橄榄石的衍射峰接近消失,石英的衍射峰明显降低。焙烧过程中部分石英发生玻璃化现象,焙烧温度越高,石英的玻璃化反应越明显[9-12]。同时,铁尾矿和煤矸石原料矿物的主要成分为氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁,在高温下发生反应生成新的低共熔点物质。由于陶粒中新生成物质含量较低或呈固溶体状态,未能在XRD 图谱中显现。

2.4.2 焙烧温度对陶粒的微观形貌的影响

不同焙烧温度下陶粒的微观形貌如图7所示。

图7 不同焙烧温度下陶粒的微观形貌Fig.7 The microstructure of ceramsite produced at different temperatures

由图7(a)可以看出,焙烧温度在950 ℃时,铁尾矿基陶粒中无明显液相,陶粒内部的矿物颗粒仍保持原有形状,结构相对疏松,致使陶粒筒压强度低、吸水率高。图7(b)中,当温度升高至1 050 ℃时,陶粒内部的结构相对致密,可见微量液相,不同矿物颗粒间出现了轻微的融合现象,在一定程度上提高了陶粒的筒压强度、降低其吸水率;由于陶粒内部的液相量较少,焙烧过程中形成的气体大多逸出,仅少量被液相包裹形成气孔。图7(c)中,陶粒内部的液相较为明显,其结构更为致密,这也是保证陶粒高强度、低吸水率的主要原因。此时,生成的液相对气体的束缚更为明显,在陶粒内部形成的气孔数量明显增加[13-16]。

(1)石人沟铁尾矿TFe 品位为5.62%,主要矿物为石英,还含有少量的镁角闪石、钙长石等,铁尾矿的中位径为105 μm。唐山矿业公司煤矸石固定碳含量为6.50%、灰分含量为85.28%,煤矸石中主要矿物为石英、高岭土和伊利石。

(2)当焙烧温度为1 100 ℃、焙烧时间为20 min、铁尾矿用量为75%时,铁尾矿基陶粒的筒压强度为8.78 MPa、堆积密度为0.87 g/cm3、表观密度为1.57 g/cm3、吸水率为7.93%,性能指标符合国标GB/T 17431.1—2010 中规定的900 级轻集料陶粒的要求。

(3)焙烧过程中,铁尾矿基陶粒中各矿物衍射峰的强度均有所降低甚至消失,石英发生较明显的玻璃化现象,不同矿物反应生成低熔点液相,使得陶粒内部结构致密程度增加,进而提高了陶粒的强度、降低了陶粒的吸水率。