钢渣与矿粉复掺固化铁尾矿的力学特性及机理研究

倪智伟 桂婷婷 吴小刚 周玉新

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司 安徽 马鞍山 243000;4.中船勘察设计研究院有限公司,上海 200063)

铁尾矿是铁矿石经选矿流程后,产生的一种粉状或颗粒状的固体废弃物。近年来随着铁矿石消耗量的增大,铁尾矿的排放量也逐年增多[1,2]。过去,仅采用最简单的堆填方法处置大量的铁尾矿,从而造成土地资源占用,环境污染,同时耗费大量的人力财力,增加了矿业经济的负担[3]。所以铁尾矿的处置与利用一直是矿山企业和环境部门亟待解决的问题。

为进一步提高铁尾矿的综合利用率,最普遍的处理就是将铁尾矿进行固化后以达到一定的强度,继而用于路面路基材料。目前,国内外就采用铁尾矿碎石、铁尾矿砂替代碎石集料配制路用基材的研究取得了一些进展。SUN等[4]通过对水泥掺铁尾矿等形成的混合料进行力学试验和强度因素的分析,得出结论:水泥稳定铁尾矿砂形成的混合料,强度和弹性模量较高,水稳定性和抗冻性也较为良好。姜明等[5]以水泥、石灰、粉煤灰和活性激发剂复配作为固化剂,研究固化剂对铁尾矿基层强度的影响。研究表明:当固化剂掺量＞8%时,铁尾矿基层的浸水抗压强度可满足二级及二级以下公路底基层强度标准。HUANG等[6]采用钢渣-高炉渣-氟石膏基P.O 42.5水泥作为胶结剂用来固化尾矿,通过微观试验研究发现混合物中有大量细长的棒状钙矾石和丝状水化硅酸钙凝胶相互牢固结合。李洪斌[7]对掺铁尾砂的水泥稳定碎石基层进行配比试验,并对各配比下的基层材料进行了力学性能试验,得出结论:掺4.0%水泥、20%铁尾矿砂的水泥稳定碎石半刚性基层具有最优的路用性能,其水稳定性和抗冻性较好,同时具有较大的抗压、劈裂强度。BAREITHER等[8]通过对水泥基铁尾矿集料在路用工程中的应用进行可行性研究,得出结论:水泥固化铁尾矿的无侧限抗压强度值,可作为达到路用基层应用的标准。易龙生等[9]对铁尾矿进行大规模利用,通过对铁尾矿路面基层材料展开力学性能和耐久性测试,研究结果表明铁尾矿路面基层材料各项指标满足高速公路和一级公路的要求,验证了铁尾矿作为高速公路基材的主成分具有可行性。刘晶磊等[10]通过对河北张家口地区铁尾矿进行路用性能测试,研究结果表明水泥改良铁尾矿和土凝岩改良铁尾矿在水泥和土凝岩经济掺量为8%的情况下,其7 d无侧限抗压强度分别为2.48 MPa和2.08 MPa,均能满足二级及二级以下公路路基强度要求。程和平等[11]对沥青混凝土掺不同质量分数铁尾矿形成的混合料进行路用特性的研究,研究结果表明铁尾矿掺量在20%时,沥青混凝土混合料的性能最为良好,其软化点及动稳定度最高。

以上大多数研究偏向于采用水泥或石灰对铁尾矿基材或几种固废材料进行改性,但是涉及到铁尾矿、矿物掺合料、碱渣等材料复掺效果的研究不太普遍。本文在解决大宗固废的基础上,研究选用矿物掺合料-钢渣和高炉粒化矿渣微粉替代部分水泥用来固化铁尾矿的可行性,测试各配合比下复合材料的7 d无侧限抗压强度,同时采用XRD、SEM试验手段,探讨钢渣与矿粉作用下铁尾矿复合材料的强度发展规律和微观机制。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

试验所用铁尾矿取自马鞍山市当涂县青山尾矿库,过 2 mm筛,选取筛下部分。所用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥;钢渣为炼炉钢渣,过2 mm筛,选取筛下部分;矿粉为S95磨细高炉粒化矿渣粉,原料化学成分分析结果如表1所示,铁尾矿与钢渣级配如表2所示。

表1 铁尾矿、钢渣、矿粉化学成分分析结果Table 1 Chemical compositon analysis results of iron tailings,steel slag and mineral powder

表2 铁尾矿与钢渣级配Table 2 Grading of iron tailings and steel slag

1.2 试验方案

为便于分析钢渣与矿粉对复合材料的强度特性影响,根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)规范,通过双掺、复掺形成不同体系的复合材料[12],相关配合比设计如表3所示。

根据表3配合比,先按比例称取相应的铁尾矿、水泥、钢渣和矿粉进行充分拌合,按最优含水率称取一定量的蒸馏水再次进行均匀拌合。

表3 配合比设计Table 3 Design of mix proportion

1.2.1 无侧限抗压强度试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009),采用直径为50 mm、高为 50 mm的模具进行试样的制备,静置1 d后取出试样进行密封处理,置于标准养护箱内标养至设计龄期的前一天,取出试样进行浸水饱和24 h[13]。采用 QJ-211s万能试验机进行试件的无侧限抗压强度试验,将饱水后的试样取出置于试验机的垫板中心处,通过计算机控制仪器设置圆柱体直径50 mm,以1 mm/min的速率加载,待试样破坏后停止试验。

1.2.2 固结不排水剪切试验

按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)制备直径为50 mm、高为 100 mm的试样,置于标准养护箱内养护7 d后取出[14]。采用英国GDS动三轴仪进行固结不排水剪切试验,设置围压0.1、0.3、0.5、0.7 MPa。

1.2.3 XRD试验

取经无侧限抗压强度试验破坏后试样的中心破碎部位,采用无水乙醇浸泡处理后放入40℃干燥箱进行烘干6 h。再对其进行研磨后过0.075 mm筛,取用筛下部分,采用日本理学 X射线衍射仪(Rigaku)进行 XRD 测试,扫描角度为 10°～80°,速率为10°/min。

1.2.4 SEM试验

取经上述处理后0.075 mm筛下微量粉末,经镀金处理后采用仪器日立Hitachi Su8010进行扫描电镜分析。

2 试验结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度试验

图1反映了表3中各试样的7 d、28 d和60 d无侧限抗压强度的变化规律。

从图1可以看出,各试样抗压强度均随龄期有所增大。相较于单掺水泥固化铁尾矿试样S10I0M0,水泥掺量在0～3%,即掺量很少的情况下,很大程度上抑制复合材料的强度增长。试样S0I4M8仅掺有矿物掺合料(钢渣、矿粉)固化铁尾矿,其7 d无侧限抗压强度仅为1.654 MPa;然而水泥、钢渣和矿粉配比适量下,如试样 S8I6M6、S5I8M8,水泥-钢渣-矿粉固化铁尾砂的强度要大于单掺水泥固化铁尾矿的强度。结果表明:水泥掺量＞5%的情况下,通过添加钢渣和矿粉用来固化铁尾矿的效果有明显改良。试样S8I6M0的强度最低,7 d无侧限抗压强度值最小,为1.506 MPa,仅掺有水泥和钢渣固化铁尾矿;试样S8I0M6的7 d无侧限抗压强度值最大,为4.379 MPa,此时钢渣掺量为0,水泥掺量为8%,矿粉掺量为6%。研究表明:较活性较差的钢渣,矿粉具有更高的活性。试样S5I8M8为最经济配比,在水泥掺量5%的情况下,钢渣和矿粉的掺量均为8%,其无侧限抗压强度也大于水泥固化铁尾矿的强度。

图1 无侧限抗压强度Fig.1 Unconfined compressive strength

2.2 固结不排水剪切试验

为进一步展开对水泥-钢渣-矿粉复掺固化铁尾矿的强度特性研究,选用试样S10I0M0和S5I8M8进行不同围压下的固结不排水剪切试验,结果如图2所示。峰值强度和残余强度均随围压的增大而增大,试样S5I8M8在4种不同围压下的强度增幅分别为1.3%、7.7%、13.0%、22.2%,试样S10I0M0的增幅则分别为 1.5%、15.0%、20.7%、25.8%,围压对水泥-钢渣-矿粉复掺固化铁尾矿的强化效果更加显著。在相同围压下,试样S5I8M8在剪切破坏后,其残余强度均要大于试样S10I0M0。即水泥-钢渣-矿粉固化铁尾矿较单掺水泥固化铁尾矿提高了强度,其结构更为致密,失稳破坏后仍具有较高的承载强度。

图2 峰值强度和残余强度Fig.2 Peak strength and residual strength

2.3 XRD分析

单掺水泥试样 S10I0M0、水泥-钢渣互掺试样S8I6M0、水泥-钢渣-矿粉复掺试样S5I8M8的7 d无侧限抗压强度分别为2.91 MPa、1.506

MPa和3.562 MPa,对3种试样进行X射线衍射分析,结果见图3。图3(a)为单掺水泥固化铁尾矿的衍射图谱,铁尾矿中含有大量的石英,所以图谱中有明显的SiO2衍射峰,以及水泥水化产物C—S—H衍射峰及部分产物Ca(OH)2、3CaO·SiO2(简称 C3S)和 2CaO·SiO2(简称C2S)短峰。图3(b)为水泥-钢渣复掺固化铁尾矿的衍射图谱,由于钢渣掺量的增加和水泥掺量的减小,减弱了其水化反应,很难发生水泥的完全水化反应,图3(b)中几乎观察不到水化产物C—S—H的衍射峰值。图3(c)为水泥-钢渣-矿粉复掺固化铁尾矿的衍射图谱,已经观察不到水化产物Ca(OH)2的衍射峰值了,说明Ca(OH)2由于矿粉的掺入已经完全参与了反应,加剧了水化反应,生成C—S—H和部分C3S和C2S。水泥的水化主要是水泥熟料中矿物质的水化反应以及少量CaSO4参与的水化反应,这是导致水泥基材强度增长的主要原因。在硅酸盐水泥熟料矿物组成主要有C3S、C2S、铝酸三钙3CaO·AI2O3(简称C3A)。在水泥充分水化反应的情况下,C—S—H为硅酸钙凝胶,是C2S和C3S的水化产物,对水泥基材料的强度起决定性作用。

图3 XRD图谱Fig.3 XRD spectrum

2.4 SEM分析

选取试样S10I0M0、S8I6M0和S5I8M8进行扫描电镜试验。图4为单掺水泥、水泥-钢渣互掺、水泥-钢渣-矿粉复掺固化铁尾矿的SEM形貌图。单掺水泥固化铁尾矿会发生水泥的水化反应,如图4(a)所示可以清晰地看到晶体之间出现较大孔隙,且发育不完全,并观察到生长在孔隙间的针状产物水化硫铝酸钙(钙矾石)和白色絮状物—水化硅酸钙凝胶(C—S—H)。图4(b)是由钢渣替换部分水泥,相对于图4(a)来说,水泥掺量减少,由于钢渣的活性低于水泥,水泥的水化反应减小,强度降低,此时的钢渣仅充当骨架作用。在水泥基复合胶凝体系的水化过程中,火山灰材料的反应对水泥水化产物具有较强的依赖性,而钢渣的反应则具有比较强的独立性,因此钢渣中主要胶凝相的水化与水泥水化生成的Ca(OH)2不发生化学反应。图4(c)是水泥-钢渣-矿粉复掺固化铁尾矿的SEM形貌图,可以看出其结构致密,由于矿渣微粉具有潜在的水化活性,水泥水化反应产生的Ca(OH)2可以激发潜在活性的矿粉,使得矿粉进行水化反应生成C—S—H填充在混合物的孔隙中,提高了混合物的强度,同时将强度较低的Ca(OH)2晶体转化成强度较高的水化硅酸钙凝胶,也验证了其强度大于单掺水泥固化铁尾矿的强度。

图4 SEM形貌Fig.4 SEM topography

3 结 论

(1)水泥掺量＞5%的情况下,通过添加钢渣与矿粉用来固化铁尾矿的效果有明显改良。较活性较差的钢渣,矿粉具有更高的活性。在水泥掺量为5%时,钢渣、矿粉掺量均为8%,为最经济配比。在合适的配比下,能通过掺入钢渣与矿粉替代部分水泥满足工程所需复合材料的强度。

(2)固结不排水剪切试验中,围压对于水泥-钢渣-矿粉固化铁尾矿的强化作用要优于单掺水泥固化铁尾矿。水泥-钢渣-矿粉固化铁尾矿的峰值强度、残余强度均大于单掺水泥固化铁尾矿,其结构更为致密,失稳破坏后仍具有较高的承载强度。

(3)水泥固化铁尾矿主要是因为水泥发生了水化反应;在仅有钢渣替代部分水泥固化铁尾矿的结构中,钢渣活性较低仅充当骨架作用,致使强度降低。水泥-钢渣-矿粉复掺固化铁尾矿形成的复合材料中,钢渣掺量对于水化反应具有抑制作用,水泥水化反应生成的Ca(OH)2激发了矿粉的潜在活性生成C—S—H,使得结构致密,矿粉掺量的增加使得强度较低的Ca(OH)2晶体完全参与水化反应生成C—S—H和部分C3S、C2S,提高了混合物的强度。