铁尾矿与碱渣基核壳高强陶粒的制备与性能研究_胡晨光.pdf

铁尾矿与碱渣基核壳高强陶粒的制备与性能研究 胡晨光 1， 2 邢崇恩 3 刘蕾 4 贾援 1， 2 姚少巍 1， 2 封孝信 1， 2 宋裕增 3 （1. 华北理工大学材料科学与工程学院， 河北 唐山 063210； 2. 河北省无机非金属材料重点实验室， 河北 唐山 063210； 3. 唐山建苑建设工程材料检测有限公司， 河北 唐山 063000； 4. 华北理工大学图书馆， 河北 唐山 063210） 摘要碱渣和细铁尾矿属污染性大宗固体废弃物， 为了确定以它们为主要原料制备高强环保陶粒的可能性， 进行了核壳结构烧结陶粒的制备工艺条件研究， 并对主要工艺条件下烧结陶粒的矿物成分进行了分析。结果表明 ①铁尾矿和碱渣用量增大， 煅烧温度升高， 煅烧时间延长， 核壳结构烧结陶粒的吸水率、 膨胀率均升高， 筒压强度和 堆积密度总体均降低， 只是在较低煅烧温度、 较短煅烧时间情况下核壳结构烧结陶粒的筒压强度均较低。②铁尾矿 用量为 70， 碱渣用量为 6， 煅烧温度为 1 140 ℃， 煅烧时间为 90 min 情况下， 核壳结构烧结陶粒的吸水率为 1.25、 膨胀率为1.24、 堆积密度为870.3 kg/m3、 筒压强度为10.67 MPa， 符合国家标准中高强陶粒的要求 （吸水率＜ 10、 堆积密度等级＜900 kg/m3、 筒压强度等级＞6.50 MPa） 。③该陶粒碎磨产品 （0.075～0 mm） 氯离子渗出率为 0.000 1， 远低于标准中I类砂≤0.01的要求。④核壳结构烧结陶粒核芯配合料中的碱渣是促进蓝晶石形成的重 要原料， 蓝晶石是影响该陶粒强度的关键性矿物， 升高煅烧温度和延长煅烧时间均能促进陶粒中含氯化合物的形 成， 防止掺加碱渣的陶粒中氯离子的渗出。 关键词碱渣铁尾矿核壳结构煅烧制度烧结陶粒性能氯离子渗出率 中图分类号TD926.4文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-197-07 DOI10.19614/ki.jsks.201905032 Preparation and Perance of High-strength Ceramisite with Core-Shell Structure Based on Iron Tailings and Alkaline Residue Hu Chenguang1， 2Xing Chongen3Liu Lei4Jia Yuan1， 2Yao Shaowei1， 2Feng Xiaoxin1， 2Song Yuzeng312 （1. College of Materials Science and Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China； 2. Hebei Province Key Laboratory of Inorganic Non-Metallic Materials， Tangshan 063210， China； 3. Tangshan Jianyuan Construction Engineering Materials Testing Co.， Ltd， Tangshan 063000， China； 4. North China University of Science and Technology Library， Tangshan 063210， China） AbstractThe alkaline residue and fine iron tailings belong to the polluted bulk solid waste，in order to determine the possibility of prepared the high strength and environmental ceramisite using them as main material， the preparation conditions of sintering ceramisite with core-shell structure were investigated，and the mineral composition of sintering ceramisite at the important technological conditions was analyzed. The results indicate that ① with the dosage increasing of iron tailings and al- kaline residue，and calcined temperature increase and calcined time prolonging，the water absorption and expansion rate of sintering ceramisites with core-shell structure increased，as a whole，the cylinder compressive strength of them decreased， which were lower only at the lower calcined temperature and shorter calcined time. ② The sintering ceramisites of core-shell structure with the water absorption of 1.25， expansion rate of 1.24， bulk density of 870.3 kg/m3and cylinder compressive strength of 10.67 MPa were prepared，when the dosage of iron tailings and alkaline residue is 70 and 6，respectively at the condition of 1 140 ℃ calcined temperature and 90min calcined time， it can meet the requirement of high strength ceramis- ite in the national standard（for the water absorption＜10 ，bulk density grade＜900 kg/m3and cylinder compressive strength grade＞6.5 MPa） . ③ The chloride exudation rate of the ground product（0.075～0 mm）for this ceramisite was 0.000 1， which is far lower than that of class I sand（≤0.01）in the national standard. ④ In the core batch of sintering ceramis- ite with the core-shell structure，the alkaline residue is the important raw material for promoting the ation of kyanite， 收稿日期2019-01-03 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51772098） ， 河北省科技计划项目 （编号 16273706D） 。 作者简介胡晨光 （1981） ， 男， 讲师， 博士。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 197 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 which is a key mineral for influencing the cylinder compressive strength of this ceramisite， and the ation of chlorine com- pound in the ceramisite was promoted through elevating calcined temperature and prolonging the calcined time，and it can prevent the chloride exudation of this ceramisite with the addition of alkaline residue. KeywordsAlkaline residue，Iron tailings，Core-shell structure，Calcined system，Perance of sintering ceramis- ite， Chloride exudation rate 碱渣是氨碱法制碱过程中排放的一种工业废 料。当前在利用碱渣制备水泥、 工程土、 碱渣砖、 混 凝土等建筑材料方面开展了大量的研究工作 ［1-2］， 但 均由于碱渣中可溶性碱离子和氯离子等的析出问题 限制了其在建材中的应用。 随着铁矿石开采量的逐年增长， 铁尾矿产出量也 呈上升之势， 细粒尾矿不仅很难在建筑工程中取代细 集料进行开发利用， 而且容易污染农田和水源 ［3］。因 此， 细粒铁尾矿的综合利用已成为现阶段亟需解决 的问题。 由于建筑陶粒具有密度低、 筒压强度高、 孔隙率 高、 保温性和抗冻性好、 抗碱骨料反应等优异性能， 已在混凝土中得到了广泛应用 ［4］。如果能用碱渣和 铁尾矿等固体废弃物制备建筑陶粒， 将为打破资源 约束和环境压力等多因素限制的艰难局面提供一条 技术途径。目前， 利用碱渣或铁尾矿制备的烧结陶 粒主要为单层结构 ［5-9］， 而关于核壳结构烧结陶粒的 制备则鲜见报道。 试验将以某铁尾矿和某碱渣为主要原料， 开展 具有固封氯离子和较高强度的核壳结构烧结陶粒的 研制工作。 1试验原料与试剂 碱渣取自唐山三友碱厂， 铁尾矿取自迁西某铁 矿， 粉煤灰 （一级） 取自恒润集团， 主要化学成分分析 结果见表1。 CaF2为国药集团生产的分析纯化学试剂， 高效聚 羧酸减水剂为唐山冀东外加剂厂产品， 试验拌合用 水为自来水。 2试验方法 2. 1陶粒的制备方法 （1） 核芯生料球的制备。将分别碎磨至0.075～0 mm的铁尾矿粉、 碱渣， 与粉煤灰按一定质量比混匀 得核芯配合料， 然后置于成球机中， 加入与核芯配合 料质量比为0.15的水和0.02的减水剂， 混匀后制得 直径为5～10 mm的核芯生料球。 （2） 陶粒核壳的包覆。将铁尾矿粉、 粉煤灰和 CaF2按质量比71 ∶ 25 ∶ 4混匀得壳层配合料， 然后将核 芯生料球在壳层配合料中滚动， 使核芯生料球外包 覆2～3 mm的壳， 在105 ℃的烘箱中干燥3 h即得核壳 结构陶粒生料球。 （3） 核壳结构陶粒的煅烧。将核壳结构陶粒生 料球置于SRJX-8-13型箱式电阻炉中， 按升温速率 6 ℃/min升至一定温度后煅烧一定时间， 自然冷却至 室温即得核壳结构烧结陶粒。 2. 2核壳结构烧结陶粒的性能测试 按照轻骨料及其试验方法 （GB/T17431.1- 2010， GB/T17431.2-2010） 测定陶粒的堆积密度、 吸水 率、 膨胀率、 筒压强度等； 参照 GB/T14684-2011 建筑 用砂 标准， 将陶粒碎磨至0.075～0 mm， 然后测定陶 粒的氯离子渗出率； 采用日本理学株式会社生产的 D/MAX2500PC型X射线衍射仪测试碎磨至0.045～0 mm的陶粒粉末在5 ～60 的XRD图谱。 3试验结果与讨论 3. 1核芯成分对陶粒性能的影响 核芯成分对陶粒性能影响试验固定煅烧温度为 1 140 ℃、 煅烧时间为90 min。 3. 1. 1核芯碱渣用量对陶粒性能的影响 在铁尾矿占核芯配合料的质量分数为70的情 况下研究碱渣用量 （占核芯配合料的质量分数） 对陶 粒性能的影响， 试验结果见图1， 不同碱渣用量情况 下的煅烧陶粒的外观与内部形貌见图2。 由图1可知， 随着碱渣用量的增大， 烧结陶粒的 膨胀率和吸水率升高， 筒压强度和堆积密度降低。 这是由于碱渣中含有大量的碱金属氧化物以及碳酸 钙等物质， 碳酸钙在高温下分解释放出二氧化碳， 增 加了陶粒核部的气体量， 而碱金属氧化物在煅烧过 程中的助溶作用使陶粒中的液相量增多、 液相粘度 降低， 内部气体作用下的陶粒扩张性能良好， 在壳层 对气体包裹、 阻逸性良好的情况下， 陶粒内部气孔变 大， 从而导致膨胀率与吸水率升高， 筒压强度与堆积 密度降低。 198 ChaoXing 2019年第5期胡晨光等 铁尾矿与碱渣基核壳高强陶粒的制备与性能研究 由图2可知， 随着碱渣用量的增大， 陶粒内部气 泡明显增大， 烧结陶粒表面由光滑转向粗糙， 当碱渣 用量为8时， 烧结陶粒壳层开始出现气孔， 甚至壳层 被明显撑开、 剥脱。说明碱渣用量过大会使陶粒核 部发气量过大， 煅烧过程中陶粒壳部的液相量无法 与核部的烧胀率匹配， 进而造成壳层破裂， 导致陶粒 吸水率大幅度提高， 筒压强度与堆积密度显著降 低。依据标准， 碱渣用量为6时制得的陶粒符合堆 积密度等级＜900 kg/m3、 筒压强度等级＞6.50 MPa的 高强陶粒要求。 3. 1. 2核部铁尾矿用量对陶粒性能的影响 在碱渣用量为6的情况下研究铁尾矿用量对陶 粒性能的影响， 试验结果见图3。 由图3可见， 随着铁尾矿用量的增大， 烧结陶粒 的膨胀率和吸水率升高， 筒压强度和堆积密度降低。 这是由于在煅烧过程中， 高温促进尾矿中的Fe2O3发 生还原反应， 产生CO和CO2气体 ［6］， 陶粒内部气体量 增多导致气孔发育充分， 膨胀率和吸水率升高， 堆积 密度降低； 陶粒内部气孔的膨大导致气孔壁和壳层变 薄， 使筒压强度降低。参照标准， 铁尾矿用量为70 时烧结陶粒的性能指标达到高强陶粒的要求。 3. 2煅烧制度对陶粒性能的影响 煅烧制度对陶粒性能影响试验固定铁尾矿用量 为70、 碱渣用量为6。 3. 2. 1煅烧温度对陶粒性能的影响 煅烧温度对陶粒性能影响试验固定煅烧时间为 90 min， 试验结果见图4， 不同煅烧温度情况下的煅烧 陶粒的外观与内部形貌见图5。 由图4可见， 随着煅烧温度的升高， 烧结陶粒的 膨胀率和吸水率升高， 堆积密度降低， 筒压强度先升 高后降低。 由图5可见 ①1 120 ℃的烧结陶粒呈褐色球状， 内部没有明显的气孔， 表明该温度未达到烧结温度， 导致陶粒的膨胀率、 吸水率和筒压强度较低， 堆积密 度较高。②1 140 ℃的烧结陶粒呈黑色圆球， 表面光 滑， 呈明亮的玻璃相， 内部气孔大小分布均匀， 从而 199 ChaoXing 其膨胀率、 吸水率较高， 堆积密度较低； 由于气孔壁厚实、 均匀， 因而筒压强度较高。③1 160 ℃的烧结 金属矿山2019年第5期总第515期 200 ChaoXing 陶粒呈扁平球形， 主要是由于在较高温度下内部液 相量增多、 流动性变好， 陶粒被烧塌； 然而该温度下 的发气量较1 140 ℃有所增长， 因而气孔发育更充 分， 膨胀率和吸水率也相应升高， 在液相流动性更好 的情况下， 必然导致上部气孔壁变薄， 烧结陶粒的筒 压强度降低。 试验结果表明， 1 140 ℃的烧结陶粒符合产品国 标要求。 3. 2. 2煅烧时间对陶粒性能的影响 煅烧时间对陶粒性能影响试验固定煅烧温度为 1 140 ℃， 试验结果见图6， 不同煅烧时间情况下的煅 烧陶粒的外观与内部形貌见图7。 由图6可见， 随着煅烧时间的延长， 烧结陶粒的 吸水率和膨胀率升高， 筒压强度先升高后降低， 堆积 密度降低。 由图7可见， 煅烧时间为60 min时， 陶粒内部多 为小气孔， 主要是因为发气反应时间不足， 发气量较 少， 且陶粒壳层液相量生成不足， 无法很好地包裹核 部， 导致陶粒的筒压强度、 吸水率和膨胀率较低、 堆 积密度较高； 煅烧时间为90 min时， 发气反应时长合 适， 发气量较大， 且陶粒壳层液相量生成充足， 可以 较好地包裹核部， 导致陶粒内部形成大小相间、 均匀 分布的气孔， 因而陶粒的吸水率和膨胀率升高， 堆积 密度降低， 筒压强度较高； 烧结时间为120 min时， 陶 粒液相量和发气量进一步增多， 陶粒内部大气孔明 显增多， 发气量加大致使壳层的液相量难以匹配核 部的膨胀， 导致陶粒的吸水率和膨胀率升高， 堆积密 度降低， 但筒压强度降低。 试验结果表明， 煅烧时间为90 min时烧结陶粒 的性能指标达到国家标准要求， 对应的烧结陶粒吸 水率为 1.25、 膨胀率为 1.24， 筒压强度为 10.67 MPa， 堆积密度为870.3 kg/m3。 试验对铁尾矿用量为70， 碱渣用量为6， 煅烧 温度为1 140 ℃， 煅烧时间为90 min情况下的核壳结 构烧结陶粒进行了氯离子渗出率测定， 最终测得其 氯离子渗出率为 0.000 1， 远低于标准中 I 类砂≤ 2019年第5期胡晨光等 铁尾矿与碱渣基核壳高强陶粒的制备与性能研究 201 ChaoXing 0.01的要求。 3. 3烧结陶粒的矿物组成 探索试验表明， 碱渣用量、 煅烧温度和烧结时间 是影响烧结陶粒矿物组成的主要因素， 而矿物组成 又是影响陶粒性能和氯离子渗出的关键因素。因 此， 对不同碱渣用量、 煅烧温度和煅烧时间下的烧结 陶粒进行了XRD分析。 3. 3. 1碱渣用量对烧结陶粒矿物组成的影响 碱渣用量对烧结陶粒矿物组成影响试验的铁尾 矿用量为70， 煅烧温度为1 140 ℃， 煅烧时间为90 min， 烧结陶粒的XRD图谱见图8。 由图8可见， 烧结陶粒主要由钙长石、 钠长石、 蓝 晶石 （Al2SiO5） 、 莫来石、 含氯化合物 （Ca3Al2（SiO4）2Cl4） 以及石英等组成。随着碱渣用量的升高， 蓝晶石含 量大幅升高， 说明掺加碱渣可促进蓝晶石的生成； 钙 长石和钠长石含量也随着碱渣用量的升高而升高， 这是由于碱渣引进了大量钙、 钠等碱金属离子， 促进 了长石类矿物的形成， 从而固化大量氯离子防止其 渗出。结合陶粒筒压强度的变化规律可知， 蓝晶石 的生成量直接影响陶粒的强度； 同时， 含氯化合物的 生成说明煅烧过程可将碱渣中的氯离子固化到矿物 中， 从而控制氯离子渗出。 3. 3. 2煅烧温度对烧结陶粒矿物组成的影响 煅烧温度对烧结陶粒矿物组成影响试验的铁尾 矿用量为70， 碱渣用量为6， 煅烧时间为90 min， 烧结陶粒的XRD图谱见图9。 由图9可见， 煅烧温度为1 120 ℃时， 烧结陶粒中 的主要产物是钙长石和钠长石， 结合3.2.1节关于煅 烧温度对烧结陶粒性能影响研究的结论， 说明长石 类矿物对陶粒强度的贡献较小。随着煅烧温度的升 高， 蓝晶石和莫来石含量逐渐增加， 进而说明蓝晶石 和莫来石的形成促进了陶粒强度的提高； 同时， 煅烧 温度升高有利于含氯化合物的形成， 促进陶粒固化 氯离子能力的提升。 3. 3. 3煅烧时间对烧结陶粒矿物组成的影响 煅烧时间对烧结陶粒矿物组成影响试验的铁 尾 矿 用 量 为 70 ， 碱 渣 用 量 为 6 ， 煅 烧 温 度 为 1 140 ℃， 烧结陶粒的XRD图谱见图10。 由图10可见， 煅烧时间为60 min时， 烧结陶粒中 已有大量的蓝晶石、 莫来石、 钠长石、 钙长石等矿物； 继续延长煅烧时间， 这些矿物含量有所增加， 含氯化 合物增长更加显著， 说明延长煅烧时间有利于蓝晶 石、 莫来石等矿物的生成， 尤其促进了含氯化合物的 金属矿山2019年第5期总第515期 202 ChaoXing 生成。结合3.2.2节的结论， 太长的煅烧时间会影响 烧结陶粒的性能， 因此， 并不是煅烧时间越长越好。 4结论 （1） 铁尾矿和碱渣用量增大， 煅烧温度升高， 煅 烧时间延长， 核壳结构烧结陶粒的吸水率、 膨胀率均 升高， 筒压强度和堆积密度总体均降低， 只是在较低 煅烧温度、 较短煅烧时间情况下核壳结构烧结陶粒 的筒压强度较低。铁尾矿用量为70， 碱渣用量为 6， 煅烧温度为1 140 ℃， 煅烧时间为90 min情况下， 核壳结构烧结陶粒的吸水率为 1.25、 膨胀率为 1.24、 堆积密度为 870.3 kg/m3、 筒压强度为 10.67 MPa， 符合国家标准中高强陶粒的要求 （吸水率＜ 10、 堆积密度等级＜900 kg/m3、 筒压强度等级＞ 6.50 MPa） 。该陶粒碎磨产品 （0.075～0 mm） 氯离子渗 出率为0.000 1， 远低于标准中I类砂≤0.01的要 求。 （2） 核壳结构烧结陶粒核芯配合料中的碱渣是 促进蓝晶石形成的重要原料， 蓝晶石是影响该陶粒 强度的关键性矿物， 升高煅烧温度和延长煅烧时间 均能促进陶粒中含氯化合物的形成， 防止掺加碱渣 的陶粒中氯离子的渗出。 参 考 文 献 刘冉. 碱厂碱渣 （白泥） 资源化利用可行性研究 ［D］ . 青岛 青 岛理工大学， 2011. 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