铁尾矿在建筑材料领域应用的研究进展*

时间：2024-07-28

王英杰

(河北睿索固废工程技术研究院有限公司河北承德 067000)

1 建筑材料领域铁尾矿应用潜能

随着我国工业化、城镇化进程的持续推进[1]以及对基础设施投资的不断增加,国内钢铁需求快速增长,导致铁矿石消耗量日益增多,同时铁尾矿排放量也在逐年上涨。铁尾矿通常指在铁矿石分选铁精矿过程中排出的尾砂废料[2],根据铁尾矿中伴生元素的种类,可分为高硅型铁尾矿、高铝型铁尾矿、高钙镁型铁尾矿、低钙镁铝硅型铁尾矿和多金属类铁尾矿。据统计,我国现有铁尾矿堆存量十几亿t,并正以每年3亿t的数量继续排出[3],如此大量铁尾矿堆积会造成地面坍塌、土壤沙化等地质灾害问题,并且采选过程中残留化学试剂会对周边地区造成严重的污染,存在极大的安全隐患。

有效地利用铁尾矿,不仅能大规模消纳铁尾矿从而有利于环境治理,还能将这种“放错的资源”进行二次利用,产生额外的经济效益,符合环境及经济发展的双重需求,实现变废为宝和资源综合利用的目标。

当前已有的主要利用途径包括:有价组分的回收、采空区填充、土地复垦和建筑材料的制备等。各种方式均有利弊,其中有价组分回收的成本高,且消纳量小,而填充采空区和铁尾矿复垦,都只能是暂时解决尾矿的堆存问题,而将铁尾矿用于建筑材料的制备,不仅成本低,且尾矿消纳量大,可以获得可观的环境效应和经济效应。

表1为不同地区的不同类型铁尾矿,在鞍山[4]、本溪[5]、迁安[6]、石人沟[7]和承德[8]等地分布有高硅型铁尾矿;而在马鞍山[9]、宜宾[10]、攀枝花[11]和南阳等地分布有高铝型铁尾矿;高钙镁型铁尾矿主要分布在梅山[12]、大冶[13]、舞阳[14]和邯邢地区[15]。铁尾矿的化学成分主要为SiO2、Al2O3、CaO 和MgO,与建筑材料的原料如粘土、沙石的成分接近,为铁尾矿应用于建筑材料领域提供了必要基础[16]。已有不少相关研究表明铁尾矿应用于建筑材料领域是可行的,因此对铁尾矿在建筑材料领域中的利用,包括水泥、混凝土和建筑用砖等进行了调查,对其研究进展进行总结,为大幅消纳铁尾矿和提高工业资源利用水平提供了参考。

表1 不同类型铁尾矿的化学组成(质量%)

2 铁尾矿在水泥中的应用研究

常规的水泥生料原料主要采用石灰石和粘土矿物[17],铁尾矿的SiO2、Al2O3质量分数一般为65%～80%,与粘土主要化学成分组成相似,因此有学者开展了采用铁尾矿代替粘土作为硅铝质原料进行水泥熟料研制的实验。罗力[18]等以铁尾矿和石灰石作为原料制备硅酸盐水泥熟料,铁尾矿掺入量达17%,制成的硅酸盐水泥28 d抗压强度为48.6 MPa,物理性能达到硅酸盐水泥42.5等级。徐庆荣[17]采用铁尾矿进行水泥熟料的研制,通过生料配方研究发现,水泥熟料KH取值为0.88～0.98,KH 值越高越难烧,SM 值一般在2～3,IM 值随前两者调控,最终确定最佳尾矿加入量为17%,煅烧温度为1 400℃,煅烧时间为25 min,水泥熟料的基本化学性能满足国家标准GB/T 21372-2008硅酸盐水泥熟料要求。

由于铁尾矿中含有一定量的Fe2O3,因此可以代替配制生料中使用的铁粉,余春刚[19]等使用铁尾矿代替铁粉配制水泥生料,对比铁尾矿和铁粉所配生料的易烧性和水泥熟料的物理性能,结果表明,铁尾矿所配生料的易烧性优于铁粉所配生料,平均烧成温度可降低约30℃,二者配制的水泥的凝结时间均在正常范围内,且前者的熟料强度高于后者,充分说明铁尾矿可以代替铁粉用以生产优质水泥熟料。

铁尾矿的主要成分与天然砂石相似,具有替代天然河砂制备水泥砂浆的潜力,刘云霄[20]发现铁尾矿砂灌浆料与石英砂灌浆料在浆体富余系数为最佳值时,其流变学参数几乎一致,说明了采用适当的配合比设计可以保证铁尾矿砂灌浆料与石英砂灌浆料具有同等的施工性能。

杨迎春[21]研究了不同铁尾矿含量对水泥砂浆抗折强度和抗压强度的影响,实验结果表明,掺入少量铁尾矿可以增加水泥基材料的强度,当铁尾矿粉掺入量达到5%时,含铁尾矿砂浆的28d强度达到最大值,而掺入大量铁尾矿则会导致强度的降低。侯云芬[22]探究了不同细度铁尾矿粉在不同掺入量时对水泥砂浆流动性和强度的影响规律,其结果表明,一定量铁尾矿粉对砂浆性能的影响是物理稀释效应、加速水化效应和填充密实效应的综合作用,而增大铁尾矿粉细度更有利于三大效应的发挥。王营[23]的实验结果表明,如图1所示,铁尾矿砂的加入会导致水泥砂浆内部结构劣化,但其多棱角、表面粗糙的特性使得与水泥胶体的机械咬合力大,并且高硅型铁尾矿砂因自身强度较高,弥补了因结构劣化造成的力学性能损失。根据铁尾矿化学组成的特点,在制备水泥熟料的过程中,可代替原料中的粘土和铁粉,并且在制备水泥砂浆中可作为细骨料代替天然砂石。

图1 水泥砂浆立方体试样破坏形态

此外,铁尾矿在经过物理化学改性激发后,具备很好的水化活性,作为水泥混合材使用,其中的活性物质与熟料水化生成物进一步作用,生成溶解度低的水化硅酸钙、水化铝酸钙等具有胶凝作用的矿物,从而提高水泥强度[24]。

3 铁尾矿在混凝土中应用的研究

混凝土是用水泥作胶凝材料,砂、石作为集料,与水按一定比例,经搅拌而得的材料。有文献表明[25～26],铁尾矿砂可以全部或者部分代替天然砂用作混凝土骨料,这样不仅可以有效地利用铁尾矿,还能缓解天然河砂日益短缺与需求量增加的矛盾,陈杏婕[27]等以铁矿采矿废石为粗骨料,铁尾矿为细骨料,制备出28 d抗压强度达到75.92 MPa的高强度混凝土试块,达到了100%使用尾矿和废石代替天然砂石的要求。康迎杰[28]选用铁尾矿废石,通过二段破碎分级等工序加工,将其中粒径为4.75～25.00 mm 的骨料作为粗骨料,粒径小于4.75 mm 的骨料作为细骨料,制备全铁尾矿骨料混凝土,实验结果表明,铁尾矿骨料混凝土的抗压、抗折、劈裂抗拉强度均与天然骨料混凝土接近。

由于粒径较小的铁尾矿砂比较常见,有学者将铁尾矿砂作为细骨料替代石英砂或河砂用来制备高性能混凝土。毛奎[10]等研究了不同铁尾矿替代天然砂掺入量对加气混凝土结构和性能的影响,实验结果表明,对于高硅铁尾矿(SiO2含量在60%～80%),随着铁尾矿替代天然砂的比例升高,样品抗压强度先升高,达到峰值后降低;对于低硅铁尾矿(SiO2含量在10%～40%)随着铁尾矿替代天然砂的比例升高,样品的抗压强度降低。而集料的含泥量过大,会降低水泥浆粗骨料的包裹力和骨料界面粘结力[29],从而降低混凝土物理性能,朱志刚[7]等控制尾矿的石粉与含泥量,对比石英砂、河砂、北京密云铁尾矿砂、河北迁安铁尾矿砂作为细骨料制备砂浆与超高强混凝土(UHPC)的性能,结果表明尾矿砂制备出的UHPC 强度均高于河砂制备出的UHPC。

许多矿物企业为选出更多的铁精矿,加强了对铁矿石的粉磨程度,使铁尾矿粒径越来越细,不再适合用作混凝土骨料,但是可以将其作为矿物掺合料以取代部分水泥掺入到混凝土中,不仅可以节约原材料成本,还可以充分发挥其“形态效应”、“微集料效应”以及“火山灰效应”,矿物掺合料的使用也可以显著降低混凝土水热化,从而降低开裂风险。闫少杰[30]的研究表明,铁尾矿微粉在适宜的掺入量下可以显著提高中低强度等级预拌混凝土拌合物的粘聚性。铁尾矿作为矿物掺合料本身不具有胶凝活性,因此首先要对其进行活化,相关研究表明[31],机械力粉磨使铁尾矿颗粒尺寸迅速减小,机械粉磨将颗粒晶体结构破坏,使得铁尾矿微粉活性增高。朴春爱[32]用化学-机械耦合的方法对铁尾矿进行活化,一定程度上激发了铁尾矿粉潜在的火山灰活性。并且这种工艺有效改善了铁尾矿粉粒度分布,形成的粉末状颗粒填充混凝土孔隙中,提高了混凝土的工作性。赵思儒[33]等的实验结果表明:铁尾矿微粉的比表面积的改变对其活性影响相对较小,而养护条件对铁尾矿微粉活性有显著作用。

当铁尾矿作为骨料制备混凝土时,随着尾矿掺入量的增加,对强度起作用的物料和水化产物所占比例相应降低,导致混凝土的强度在到达某个值后开始下降,此外由于铁尾矿骨料级配较差,掺入量过多则会造成混凝土拌合物离析泌水,可复配具有缓凝和防止泌水效果的组分解决这个问题。近年的研究发现,使用铁尾矿作为掺合料时,产品的和易性、力学强度和耐久性等方面有较好的表现,并且对混凝土的抗渗性能和抗冻性能有不同程度的改善。

4 铁尾矿在建筑用砖中的研究

由于铁尾矿与粘土的成分相似,因此可以代替粘土用作烧结砖的原料,大多数研究关注在烧结砖力学性能的研究上,Luo[34]等以铁尾矿为主要原料制备烧结砖,结果表明在烧结温度为1 100℃、烧结时间为3 h的最佳条件下,烧结砖的抗压强度为14.24 MPa、吸水率为17.47%。周伟伦[35]重点关注了重金属在烧结砖中的形态分布和浸出特性,通过分析不同温度下烧结砖的重金属形态分特征,说明重金属在烧结固化过程中以结晶相的形式而稳定下来。刘俊杰[36]等以铁尾矿为原料采用压制成形、湿气养护的方法制备得到的免烧砖满足国家标准GB 5101-2003烧结普通砖中MU10的强度等级要求,铁尾矿含量达到了60%,对比图2中铁尾矿与免烧砖的XRD 图可以发现,免烧砖中的石英衍射峰强度相对铁尾矿降低,说明部分石英发生反应被消耗,白云石的衍射峰出现可能是由于铁尾矿中的石英、长石、云母等矿物与水泥发生了反应,白云石的出现有利于将未反应的物料紧密胶结在一起,提高砖体强度。

图2 铁尾矿和免烧砖的XRD[36]

透水砖作为一种绿色建材,采用其铺设路面,可有效缓解“城市热岛效应”、地下水难以补充和地面沉降等问题。夏溢[37]等利用铁尾矿制备透水砖材料,制备的烧结透水砖晶相矿物主要成分为石英、赤铁矿及烧结形成的莫来石矿物,内部形成相互联系的贯通孔道保证了透水砖具有良好的透水性能,铁尾矿掺入量达80%,抗压强度为26.1 MPa,透水系数达0.014 cm/s。

赵礼兵[38]等的实验结果表明,与未经焙烧的铁尾矿相比,焙烧铁尾矿的掺合量更大,且有利于提高砖体的强度。南晓杰[39]的实验结果表明,延长养护时间有利于促进Ca(OH)2和焙烧铁尾矿反应生成C-S-H凝胶。与烧结法相比,其制备过程中能源消耗较低。李德忠[40]使用粒径在1.25～5.0 mm 的铁尾矿,制备出抗压强度为54.8 MPa,透水系数为0.033 cm/s的透水砖,实验结果表明,随着铁尾矿掺入量的增加,尾矿透水砖的强度呈现逐渐降低的趋势,而尾矿透水砖的透水系数则随之升高,这是因为随着尾矿用量的增加,水泥的用量逐渐减小,则透水砖中的水化产物总量相应的减少,不能很好地包裹铁尾矿颗粒,铁尾矿颗粒之间的紧密结合程度降低,因此,透水砖的强度逐渐降低,而透水系数逐渐增大;尾矿粒径越小,透水砖的抗压强度越大,透水系数越小,这是因为铁尾矿颗粒粒径越大,则其比表面积降低,铁尾矿颗粒与胶凝材料之间的接触点减少,结构较疏松,导致强度较低,孔隙率较高,因而透水系数增大。何晓义[41]采取非烧结法,利用铁尾矿以压制成形工艺和挤出成形工艺制备不同性能的透水砖产品,其中采用压制成形制备透水砖,其尾矿掺入量可达82%。

砖体强度主要来自铁尾矿中矿物与水泥等胶凝材料相互交织形成的网状结构,胶结铁尾矿原料和砂颗粒,形成紧密坚固的骨架。在保证建筑用砖力学性能的基础上,铁尾矿掺入量可达50%,如对铁尾矿进行焙烧处理,可以进一步增加铁尾矿的掺入量。