焙烧铁尾矿制备透水砖试验研究_赵礼兵(1).pdf

收稿日期2019-07-27 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51804123） ， 河北省自然科学基金项目 （编号 E2017209174） 。 作者简介赵礼兵 （1978） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 焙烧铁尾矿制备透水砖试验研究 赵礼兵 1 王帅 2 梁艳涛 3 李国峰 1 王鹏 21 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063210； 2. 中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司， 河北 秦皇岛 066000； 3. 河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司， 河北 唐山 063701） 摘要为了改善尾矿制砖的力学性质， 解决尾矿堆积问题， 采用焙烧铁尾矿、 水泥和粉煤灰为胶凝材料， 2.36～4.75 mm 粒级铁尾矿为粗骨料， 通过搅拌、 成型和养护工艺制备透水砖， 探究了焙烧铁尾矿用量、 水胶比、 目 标孔隙率和振动时间对透水砖性能的影响， 对比未焙烧尾矿制备透水砖的性能。结果表明 ① 焙烧尾矿制备透 水砖最佳试验条件为 焙烧尾矿掺量 60， 振动时间 40 s、 水胶比 0.3， 目标孔隙率 20； 此时， 透水砖抗折强度为 3.34 MPa， 符合国家标准 Rf3.0， 抗压强度为 15.44 MPa， 符合国家标准 MU15， 透水系数为 2.5810-2cm/s， 符合国家 标准 A 级标准， 实测孔隙率为 23.41。② 焙烧尾矿掺量为 60 时效果最佳； 未焙烧尾矿掺量为 50 时效果最 佳， 抗折、 抗压强度分别为 3.38 MPa 和 14.54 MPa， 透水系数符合国家 A 级标准； 焙烧尾矿比未焙烧尾矿多替代水 泥10的情况下， 力学性能焙烧尾矿透水砖较好， 而透水性能则未焙烧尾矿透水砖较好。 关键词透水砖焙烧铁尾矿抗折强度抗压强度透水系数 中图分类号TD926.4文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-216-05 DOI10.19614/ki.jsks.202007032 Experiment Study on Preparation of Permeable Brick from Roasted Iron Tailings Zhao Libing1Wang Shuai2Liang Yantao3Li Guofeng1Wang Peng22 （1. College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China； 2. Shen Kan Qinhuangdao General Engineering Design Research Institute Corporation， MCC， Qinhuangdao 066000， China； 3. Hebei Iron and Steel Group Sijiaying Yanshan Iron Mine Co.， Ltd.， Tangshan 063701， China） AbstractIn order to improve the mechanical properties of tailing brick and solve the problem of tailings storage，the permeable brick was prepared through mixing，molding and curing process preparation，using the roasted iron tailings，ce⁃ ment and fly ash as the gelled material， iron tailings 2.36～4.75 mm as the coarse aggregate. The effect of the addition of roasted iron tailings， water/cement ratio， target porosity and vibration time on the perance of the permeable brick was investigated and perance of the unburned tailings preparation permeable brick was also compared. The results showed that ① The opti⁃ mum test conditions for the preparation of permeable brick with roasted tailings are as follow the addition of calcined tailings of 60，the vibration time of 40 s，the water/cement ratio of 0.3，and the target porosity of 20. At the moment，the bend⁃ ing strength of permeable brick is 3.34 MPa in line with the national standard Rf3.0，and the compressive strength is 15.44 MPa in line with the national standard MU15. The permeability coefficient is 2.58 10-2cm /s in line with the national stan⁃ dard Grade A standard，and the measured porosity is 23.41. ② When the addition of the roasted iron tailings is 60，the best effect is achieved. When the addition of the unroasted tailings is 50，the best effect is achieved. The bending strength and compressive strength are 3.38 MPa and 14.54 MPa，respectively. The water permeability coefficient cons to the na⁃ tional Class A standard.In the condition of replacement of addition 10 cement for roasted iron tailing， the mechanical prop⁃ erties of roasted iron tailing is better than that of unroasted tailing， while the permeable coefficient is opposite. KeywordsPermeable brick， Roasted iron tailings， Bending strength， Compressive strength， Permeable coefficient 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 529 July2020 据统计， 我国铁尾矿排放量超过90亿t， 仅有少 部分得到有效利用， 而剩余大部分铁尾矿只能进行 堆积， 导致环境污染、 资源浪费和水体污染等 ［1］。目 前， 铁尾矿的综合利用领域主要集中在尾矿再选、 生 216 ChaoXing 产建筑材料、 充填矿山采空区和土地复垦等方面 ［2］。 其中， 制备免烧砖体具有尾矿掺量大、 成本低、 绿色 环保等优势。冯学远等 ［3］将铁尾矿作为研究对象， 通 过探究铁尾矿、 水泥和水的添加量以及化学添加剂 对尾矿砖抗压强度的影响， 最终得到 MU10 的免烧 砖。由于尾矿砖的力学性能较差， Li等 ［4］对焙烧尾矿 进行研究， 结果表明在焙烧铁尾矿代替30原材料 时， 其力学性能达到国家42.5普通硅酸盐水泥标准。 随着我国经济的快速发展和城市化进程的不断 加快， 天然植被与裸露土壤不断被各种建筑物及不 透水硬化路面所取代 ［5］， 影响了降雨、 蒸发、 雨水汇流 等水文过程。水文条件的改变导致 “热岛效应” 、“雨 岛效应” 以及 “城市看海” 等问题， 给城市建设和人们 的生活带来不便。透水砖作为一种绿色建材， 可以 起到补充地下水资源、 降低人们生活热环境和改善 植被生存环境的作用。时浩等 ［6］对尾矿透水路面砖 进行研究， 发现骨料粒径7～10 mm， 砂灰比为3.5的条 件下， 透水砖透水系数达到2.4410-2cm/s。 本研究采用焙烧铁尾矿、 水泥和粉煤灰为胶凝 材料， 2.36～4.75 mm粒级铁尾矿为粗骨料， 通过搅拌、 成型和养护工艺制备透水砖， 探究焙烧铁尾矿用量、 水胶比、 目标孔隙率和振动时间对透水砖性能的影 响， 以获得最佳的工艺参数； 同时对比未焙烧尾矿制 备透水砖的性能， 为尾矿大量利用制备透水砖提供 参考。 1试样及方法 1. 1试 样 （1） 焙烧铁尾矿。本试验所用焙烧铁尾矿为某 地半工业试验经过焙烧和磁选后最终尾矿， 其化学 成分分析结果见表1， XRD分析见图1。 由表 1 和图 1 可知， 焙烧铁尾矿 TFe 的含量为 9.12， SiO2含量为67.80， 属于高硅铁尾矿， 满足建 材原料的要求； 焙烧尾矿中SiO2、 Fe主要以石英和赤 铁矿的形式存在。 （2） 水泥。试验所用水泥为市售普通硅酸盐水 泥P O42.5R， 其主要化学成分分析结果见表2。 由表 2可知， 水泥中主要成分为 CaO和 SiO2， 含 量分别为59.80、 14.60。 （3） 粉煤灰。粉煤灰选自巩义市豫联电厂， 呈 灰色， 密度为2.1 g/cm3， 其主要化学成分分析结果见 表3。 由表3可知， 粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3， 含量分别为59.75、 25.22。 （4） 骨料。本试验采用研山原生矿湿式预选磁 选机尾矿和一磁尾矿的综合矿样， 这两部分尾矿通 过旋流器浓缩及高频细筛隔粗后泵送到尾矿库， 本 次试验选取隔粗后筛上粗粒级部分， 经筛选采用 2.36～4.75 mm粒级充当骨料， 堆积密度和表观密度分 别为1 400 kg/m3、 2 720 kg/m3， 堆积孔隙率为48.53。 （5） 未焙烧铁尾矿。试验采用的未焙烧铁尾矿 取自研山铁矿， 其主要化学成分分析结果见表4。 由表4可知， 未焙烧铁尾矿主要成分为SiO2、 TFe 和 Al2O3， 与表 1焙烧铁尾矿的主要成分和含量大致 相同， 可用于对比试验。 1. 2试验方法 1. 2. 1搅拌工艺 本试验选用集料表面包裹法制备透水砖。首先 将全部的粗骨料和50的水及减水剂 （水和减水剂 提前进行混匀） ， 倒入水泥胶砂搅拌机进行混匀， 时 间为30 s。然后添加全部的胶凝材料， 再搅拌30 s， 在此过程中胶凝材料起润滑作用， 避免骨料被挤碎 2020年第7期赵礼兵等 焙烧铁尾矿制备透水砖试验研究 217 ChaoXing 的现象的发生。最后将剩余的水及减水剂加入搅拌 机中搅拌120 s。 1. 2. 2成型工艺 振荡时间是制备透水砖重要的一环， 时间过长 会使透水砖成品过于密实， 出现离析现象 ［8］， 时间过 短会导致透水砖的强度指标达不到国家标准。本试 验选用水泥胶砂振实台， 采用振动成型。首先将混 合好的物料放入模具中， 再放到振实台上进行振荡， 振实台每秒振荡一次。 1. 2. 3养护工艺 本试验采用标准养护的方式， 选用的设备为标 准恒温恒湿养护箱。物料装入模具后振动成型， 放 入养护箱养护1 d后进行脱模， 之后将试验样品放入 养护箱中进行28 d的养护， 养护温度和湿度分别为 20 ℃、 95。 2结果与讨论 2. 1焙烧铁尾矿掺量对透水砖性能的影响 固定水胶比为 0.3， 目标孔隙率 20， 振动时间 60 s， 考察焙烧铁尾矿掺量对透水砖性能的影响， 结 果见图2。 由图2 （a） 和 （b） 可知， 随着焙烧铁尾矿掺量的增 加， 透水砖抗折、 抗压强度逐渐降低， 透水系数逐渐 升高。焙烧尾矿掺量从40增加到60时， 抗压强 度由 38.07 MPa 下降到 17.07 MPa， 抗折强度由 7.3 MPa降到3.94 MPa， 透水系数由0.4910-2cm/s增加 到 1.8910-2cm/s； 焙烧尾矿掺量继续增加到 80 时， 抗压强度为2.4 MPa， 抗折强度为0.38 MPa， 透水 系数达到最大为3.6610-2cm/s。综合透水砖的性能 来看， 焙烧铁尾矿掺量为60时为合适， 此时抗折、 抗压强度分别为3.94 MPa和17.07 MPa， 透水系数达 到国家B级标准。 2. 2水胶比对透水砖性能的影响 固定焙烧铁尾矿掺量为60， 目标孔隙率20， 振动时间60 s， 考察水胶比对透水砖性能的影响， 结 果见图3。 由图3 （a） 和 （b） 可知， 随着水胶比的增大， 透水 砖抗折、 抗压强度逐渐增加， 透水系数逐渐降低。水 胶比由0.25增大到0.30时， 抗压强度由7.42 MPa增加 到17.07 MPa， 抗折强度由2.25 MPa增加到3.94 MPa， 透水系数由7.1210-2cm/s减小到1.8910-2cm/s； 水胶比继续增加到0.4时， 抗折、 抗压强度分别为4.99 MPa和23.91 MPa， 透水系数达到最小， 为0.2210-2 cm/s。水胶比较小时， 造成浆体过于干燥， 包裹在骨 料表面的浆体不均匀且疏松， 接触点的粘结力较小， 导致强度变低 ［9］； 水胶比过大， 浆体过于湿润， 与粗骨 料不易粘结。综上， 水胶比0.3时较为合适， 此时透水 砖的力学性能和透水性能均达到国家标准。 2. 3目标孔隙率对透水砖性能的影响 固定焙烧铁尾矿掺量为60， 水胶比0.3， 振动时 间60 s， 考察目标孔隙率对透水砖性能的影响， 结果 金属矿山2020年第7期总第529期 218 ChaoXing 见图4。 从图4 （a） 和 （b） 可以看出， 随着目标孔隙率的增 加， 透水砖抗折、 抗压强度逐渐降低， 透水系数逐渐 上升。当目标孔隙率由10增加到20时， 抗折强 度从 5.95 MPa 降低到 3.94 MPa， 抗压强度从 28.16 MPa降低到17.07 MPa， 透水系数从0.3110-2cm/s增 加到 1.8910-2cm/s， 目标孔隙率继续增加到 30 时， 抗折强度为1.60 MPa， 抗压强度为5.96 MPa。随 着目标孔隙率增大， 砖体内部结构由较密实向较疏 松转变 ［10］， 导致胶凝材料对粗骨料的包裹不充分， 骨 料间的粘结面积减小， 粘结力不足， 造成透水砖的抗 压、 抗折强度减小。综上所述， 目标孔隙率为20较 适宜。 2. 4振动时间对透水砖性能的影响 固定焙烧铁尾矿掺量为60， 水胶比0.3， 目标孔 隙率20， 考察振动时间对透水砖性能的影响， 结果 见图5。 由图5 （a） 和 （b） 可知， 随着振动时间增加， 透水 砖抗折、 抗压强度逐渐增大， 透水系数逐渐降低。振 动时间由30 s增加至40 s时， 抗压强度由13.74 MPa 增加到15.44 MPa， 抗折强度从2.97 MPa增加到3.34 MPa， 透水系数由 3.6310-2cm/s 降低到 2.5810-2 cm/s； 振动时间继续增加到70 s时， 抗折和抗压强度 分别为 4.54 MPa、 20.48 MPa， 透水系数为 1.5110-2 cm/s。在振动成型中， 振动时间增加， 被胶凝材料包 裹的骨料之间的紧密结合， 造成了孔隙率减小， 透水 砖整体结构变得密实， 所以导致透水系数逐渐减 小 ［11］。综合考虑透水砖性能因素， 振动时间为40 s时 效果最佳， 此时透水砖抗折强度、 抗压强度均符合国 家标准， 透水系数达到国家标准A级。 2. 5铁尾矿焙烧前后对透水砖性能的影响 固定水胶比为 0.3， 目标孔隙率 20， 振动时间 40 s时， 考察铁尾矿焙烧前后对透水砖性能的影响， 试验结果发现未焙烧铁尾矿透水砖力学性能均不达 标， 为客观地进行对比， 选取振动时间为60 s， 对比试 验结果见图6。 由图6 （a） 和 （b） 可知， 随着焙烧和未焙烧铁尾矿 掺量的增加， 抗折和抗压强度逐渐降低。焙烧尾矿 掺量为 60 时， 抗压强度为 17.07 MPa， 抗折强度为 3.94 MPa。未焙烧尾矿掺量从40增加到50时， 抗 压强度由 25.63 MPa 降低到 14.54 MPa， 抗折强度由 5.27 MPa降低到3.38 MPa， 随着未焙烧铁尾矿用量继 续增加到80时， 抗折、 抗压强度强度均达到最小， 分别为0.28 MPa和1.2 MPa。 由6 （c） 可知， 随着焙烧和未焙烧尾矿掺量增加， 透水系数均逐渐增大。焙烧尾矿掺量在60时， 透 水系数为 1.8910-2cm/s。未焙烧尾矿掺量由 40 增加到 50 时， 透水系数从 0.7410-2cm/s 增加到 2.1510-2cm/s； 随着未焙烧铁尾矿掺量继续增加到 80时， 透水系数达到最大为5.1210-2cm/s。 2020年第7期赵礼兵等 焙烧铁尾矿制备透水砖试验研究 219 ChaoXing 综合透水砖的性能指标， 当焙烧尾矿掺量为60 时效果最佳， 抗折、 抗压强度分别为 3.94 MPa 和 17.07 MPa， 透水系数符合国家B级标准； 当未焙烧尾 矿掺量为 50 时效果最佳， 抗折、 抗压强度分别为 3.38 MPa和14.54 MPa， 透水系数符合国家A级标准。 由此可以看出焙烧尾矿比未焙烧尾矿多替代水泥 10的情况下， 力学性能焙烧尾矿透水砖较好， 而透 水性能则未焙烧尾矿透水砖较好。 3结论 （1） 焙烧尾矿制备透水砖最佳试验条件为 焙烧 尾矿掺量为60， 振动时间为40 s、 水胶比0.3， 目标 孔隙率 20。透水砖最优条件下的指标为 抗折强 度为 3.34 MPa， 符合国家标准 Rf3.0， 抗压强度为 15.44 MPa， 符合国家标准 MU15， 透水系数为 2.58 10-2cm/s， 符合国家标准 A 级标准， 实测孔隙率为 23.41。 （3） 通过焙烧尾矿和未焙烧尾矿对比可知， 在满 足透水砖的透水性能和力学性能的情况下焙烧尾矿 可以代替水泥60； 未焙烧尾矿替代水泥50。 参 考 文 献 张婷婷.鄂西赤铁矿尾矿制备免烧砖工艺及机理研究 ［D］ .武汉 武汉理工大学， 2010. 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