梯级粉磨铁尾矿制备超高性能混凝土的研究.pdf

文章编号: ( ) 梯级粉磨铁尾矿制备超高性能混凝土的研究 朱志刚, 李北星, 周明凯 ( 武汉理工大学 建筑材料国家重点实验室, 武汉 ) 摘要:展开了梯级粉磨工艺粉磨铁尾矿、 石膏、 矿 渣及水泥熟料生产铁尾矿矿渣基高性能胶凝材料( 简 称T S B C) 及其性能的研究, 探讨了不同粉磨工艺的粉 体粒径特征及胶凝性能, 对比了T S B C材料与P O 水泥的制备超高性能混凝土强度及耐久性差异.研究 结果表明, 三级粉磨较二级粉磨能更好发挥颗粒的“ 微 磨球” 效应, 所得粉体材料粒径更小; 粉磨中应将铁尾 矿砂作为第一级粉磨材料, 第一级粉磨时间不宜过长, 否则导致粉体过细大量覆盖粗颗粒材料表面, 降低后 期粉磨效率;T S B C制备的UH P C不仅具有常规UH P C的强度甚至有更优良的耐久性能. 关键词:铁尾矿; 高性能胶凝材料; 梯级粉磨; 超高性 能混凝土 中图分类号:X 文献标识码: A D O I: / j i s s n 引言 尾矿砂是选矿后产生的废弃物, 年我国铁尾 矿的堆积量已接近 亿吨, 占全国尾矿总量的/ .目前, 铁尾矿已被广泛应用于建筑材料, 如耐火 材料、 多孔保温材料, 水泥混凝土骨料、 陶瓷及微晶玻 璃等 , 但均未解决铁尾矿利用途径单一、 利用率低 的现状.梯级粉磨即前一阶段粉磨所得的材料作为后 一阶段粉磨的部分, 其原理是通过材料自身的“ 微磨 球” 效应提高粉磨效率, 徐丽 等利用多级梯级粉磨 工艺有效激发了铁尾矿的活性, 从而应用于高强结构 材料. 超高性能混凝土( 简称UH P C) 是一种具有高强 度、 高耐久性的混凝土, 在土木工程领域中具有广阔应 用前景 .本文结合铁尾矿利用率低、 梯级粉磨有 助材料粉碎的特点, 在优化了材料配比的基础上, 进一 步研究了粉磨次序、 粉磨时间配比及粉磨次数对铁尾 矿矿渣熟料石膏复合胶凝材料的颗粒分布、 强度和 微结构的影响, 最后研究了T S B C粉体作为胶凝材料 自身性质及其制备UH P C的性能. 实验 材料 华 新 普 通 硅 酸 盐 水 泥,比 表 面 积 为 m / k g , d抗压强度 MP a; 黄石电厂级粉 煤灰, 比重为 k g /m , 比表面积为 m/ k g; 比 表面积为 m / k g , 平均粒径为 m的硅灰; 砂为水洗后 mm的北京密铁尾矿砂; 湖北恒 利建材科技有限公司聚羧酸减水剂, 固含量 , 减 水率 左右; 江苏博特新材料有限公司圆柱形镀铜 钢纤维, 直径为 mm, 长度为 mm, 抗拉强 度 为 MP a,弹 性 模 量 为 G P a,密 度 为 k g /m .表为粉料的化学成分. 表化学成分 T a b l eC h e m i c a l c o m p o n e n t 名称 含量/ S i OA lOC a OM g OS OF eON aOKOL o s s 水泥 / 铁尾矿砂 高炉水淬矿渣 水泥熟料 脱硫石膏 / 粉煤灰 / 硅灰 / 测试方法 采用日本的J S M L V电子扫描电镜观察微观 结构, 荷兰P AN a l y t i c a lB V公司生产的A x i o sa d v a n c e d荧 光 分 析 仪 测 量 材 料 化 学 成 分,I N S T R ON 电液伺服材料试验机测量试块的力学性 能, 日本G I GAKU公司生产的D/MA X R 转靶X射 朱志刚 等: 梯级粉磨铁尾矿制备超高性能混凝土的研究 基金项目: 国家高技术研究发展计划( 计划) 资助项目( AA ) 收到初稿日期: 收到修改稿日期: 通讯作者: 李北星,E m a i l:l i b x c o m 作者简介: 朱志刚( ) , 男, 武汉人, 在读博士, 师承周明凯教授, 从事水泥混凝土方面研究. 线衍射仪测试矿物组成,M a s t e r s i z e r 型激光粒度 分析仪测试颗粒分布. 结果及讨论 T S B C材料制备及性能研究 T S B C粉料的制备及粒径分布特征 在确定了各组分配比的基础上, 研究了粉磨时间、 粉磨次数及粉磨顺序对颗粒群颗粒分布的影响.梯级 粉磨的材料分别为高炉水淬矿渣( S) 、 铁尾矿砂(I) 、 水 泥熟料( C) 及石膏(P) , 图为T S B C材料的制备工艺 流程图, 本实验采用两级粉磨与三级粉磨, 探讨了梯级 粉磨次数对T S B C粒径分布的贡献. 图T S B C材料制备工艺图 F i gT h ep r e p a r a t i o np r o c e s so fT S B Cm a t e r i a l 表为T S B C材料各组分的质量百分比配合、 粉 磨顺序及粉磨时间.T S B C的制备采用实验室k g标 准球磨机, 将原始粒度铁尾矿、 矿渣及熟料和石膏按图 所示的梯级混合粉磨工艺和表列出的种材料配 比制备T S B C. 在粉体工程中颗粒群粒度分布可用正态分布、 对 数分布或R R B分布表达, 对粒径小分布范围广的颗粒 群来说,R R B方程分布偏差小, R为x筛孔上的累计 筛余质量分数, x为特征粒径,x越大, 粉磨中粗颗粒 比例越多, 反之细颗粒越多.n为均匀性指数, n值越 大, 粉体颗粒分布范围越窄, 表明颗粒分布越集中, 反 之则表明颗粒分布越分散. 表即为通过线性拟合所得T S B C粉料的R R B 分布特征参数.结合图与表可知,图(a) 中 与 试样的颗粒峰值都在 m左右, 但是 试样 的颗粒峰值略大于 试样的颗粒峰值, 并且的均 匀性指数大于 的均匀性指数, 说明试样的颗粒 分布要宽于 试样, 这主要是因为试样一级粉磨 及二级粉磨时间都长于 试样, 导致更多的粗颗粒被 破碎成较小颗粒, 所以 试样的粒径分布更窄且粒径 更小. 表T S B C材料的配比 T a b l eM i xp r o p o r t i o n so fT S B Cm a t e r i a l s 编号材料质量百分比/梯级粉磨时间组合/m i n mS mI( mC mP) mS mI( mC mP) mI mS( mC mP) ( mS mI)( mI mC mP) ( mS mI)( mI mC mP) ( mS mI)( mI mC mP) 图梯级粉磨工艺对T S B C粉料粒径的影响 F i gI n f l u e n c eo f c a s c a d eg r i n d i n gp r o c e s so np o w d e rp a r t i c l es i z eo fT S B C 表T S B C粉料的R R B分布特征参数 T a b l eC h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fR R Bd i s t r i b u t i o no fT S B Cp o w d e r s 特征参数 X/m n R 试样的颗粒在 m有一段平滑的分布曲 线, 且在与 试样分布曲线之上, 表示试样有更 多颗粒分布在m的区间段, 试样的颗粒峰值 出现在 m左右, 均匀性指数为 , 明显小于 年第 期( ) 卷 与 试样, 这主要是因为试样将易磨性较差的铁 尾矿砂替代矿渣作为一级粉磨原料, 使其进入下阶段 粉磨时可以更好发挥颗粒较粗矿渣的“ 微磨球” 效应, 使铁尾矿砂的亚微米级颗粒含量降低, 并且铁尾矿砂 含量最高, 所以 试样颗粒分布图在 m的区间 段更突出, 这一部分很有可能大部分为铁尾矿砂粉体. 图(b) 中 试样的颗粒峰值、 颗粒分布宽度明显大 于与 试样, 在 m级区间的粗颗粒含量 更高, 说明其平均颗粒粒径较粗, 粉磨效率较低, 这是 因为其一级粉磨时间较长导致矿渣及尾矿砂颗粒进入 二级粉磨时比表面积过大, 水泥熟料及石膏在粉磨时 表面覆盖了大量如同“ 棉被” 的粉体, 减小了大颗粒之 间还有与粉磨球的接触面积, 从而降低了粉磨效率. 试样一级粉磨时间及总体时间大于试样, 但是它 们的粒径分布图基本重合, 甚至 试样的颗粒特征峰 还小于 试样, 主要也是因为试样一级粉磨时间 过长.图( c) 中两种粉磨方式总时间都为 m i n, 试样的颗粒特征峰明显早于 试样, m区间 的小颗粒含量更高, 因而特征峰值低于 试样, 从表 可以看出, 试样的均匀性指数小于试样, 说明其 颗粒范围分布更窄.这是因为三级粉磨的第一级粉磨 时间较合适, 保证颗粒进入下一阶段粉磨时不会过细, 在进入下一阶段时较粗的颗粒能更好地发挥“ 微磨球” 效应, 当进行第三级粉磨时, 水泥熟料熟料及石膏颗粒 又继续对前部分颗粒进一步进行粉磨, 能更好地发挥 梯级粉磨效应. T S B C粉料作为胶凝材料的基本性能 表为T S B C粉料作为胶凝材料制备净浆的强度 对比结果, 实验规范按照G B/ 水泥标准稠 度用水量、 凝结时间、 安定性检测方法 , 试块成型、 养 护及强度测试按照G B/ 水泥胶砂强度检 测方法 .结果显示, 试样标准稠度的需水量最大, 及 d的净浆强度最高, 这主要是因为 试样的粉 体采用三级粉磨并且将难磨的铁尾矿作为初级粉磨材 料, 充分发挥了梯级粉磨的“ 微磨球” 效应, 较其余几种 粉磨所得的粉体粒度更小. 表T S B C粉料的净浆强度 T a b l eS t r e n g t h so fh a r d e n e dT S B Cp a s t e 编号标准稠度水胶比/ 标准稠度抗压强度/MP a d d 利用T S B C材料制备UH P C的研究 UH P C试件的制作及养护 UH P C配合比: 胶砂比, 水胶比 ,m(T S B C(P O 水泥) )m( 粉煤灰)m( 硅灰) , 减水剂质量掺量为, 钢纤维体积掺量 为 . UH P C搅拌工艺: 胶凝材料预先干拌m i n尾 矿砂干拌m i n( 水镀铜钢纤维) 搅拌m i n.其 中, 镀铜钢纤维要慢慢倒入, 避免引起“ 卡机” 现象. UH P C养护方式: 在温度( )、 相对湿度 以上的标准养护室中养护 h, 之后脱模进行 热水养护 h( 升温及降温速度低于 /h) , 养护后待试件冷却最后置于( )水中养护至 规定龄期进行强度测定. T S B C对UH P C强度的影响 按照文中 介绍的UH P C配合比、 搅拌工艺及 养护方式, 利 用T S B C粉 体 及P O 水 泥 制 备 的 UH P C与 d强度如表所示,d时 试样的强 度明显低于 试样, 这主要是因为试样水泥含量 高, 在早期其水化速度快, 生成C a(OH) 的含量更高, 而 试样含有的大量惰性尾矿粉相当于石英粉在 以下温度时对强度贡献低 . d时两者的强 度基本接近, 主要是因为采用高温养护, 促进了 试 样中 的 微 细 矿 粉 颗 粒 及 石 膏 与 水 泥 水 化 产 物 C a(OH)的二次火山灰反应, 更快更好向结构更致 密、 强度更高的钙矾石及C S H凝胶转化, 同时尾矿 粉的微填充效应优势得以表现, 如图为两者 d水 化产物的X R D图谱所示, 试样S i O 特征峰高是因 为其含有大量富硅尾矿粉, 但两者C a(OH) 特征峰相 差不大, 同时 试样中所含大量粉煤灰的活性远远低 于矿粉, 所以 试样在 d的增长速度快于试 样. 表两种材料制备的UH P C强度 T a b l eT h es t r e n g t ho fUH P Cp r e p a r e db yt h et w o m a t e r i a l s 编号 d强度/MP a d强度/MP a 抗压抗折抗压抗折 :T S B C材料 :P O 图 d水化产物的X R D图 F i g dX R Dd i a g r a mo f t h eh y d r a t i o np r o d u c t s T S B C对UH P C耐久性能的影响 按照G B/ 混凝土结构耐久性设计规 朱志刚 等: 梯级粉磨铁尾矿制备超高性能混凝土的研究 范 测量材料性能, 表为两种材料制备所得R P C耐 久性能对比结果, 可见R P C具有良好耐久性, 抗冻等 级均大于F , 氯离子扩散系数仅 c m/ s, 可 认为不渗透, 并且碳化深度均为.另一方面, 试样 的耐久性能优于 试样, 主要是因为通过梯级粉磨工 艺所得T S B C材料除了含有活性较高的矿粉及“ 微填 充” 效应尾矿粉外,T S B C粉体为连续级配微细颗粒, 能更好发挥中心质效应, 保证R P C结构的致密性, 如 图为放大 倍数下S EM图, 两种试样均有片状 C a(OH)、 少量针状钙矾石和絮状C S H凝胶, 图 ( a) 中可见接近球形且大小不一的惰性尾矿颗粒, 大量 凝胶包裹于周围界面模糊, 结构紧凑, 图(b) 中几乎 不见球形颗粒, 只见大量凝胶相互交叉包裹, 并有两条 较长的裂缝. 表UH P C的耐久性能 T a b l eT h ed u r a b l ep e r f o r m a n c eo fUH P C 编号 次冻融循环质量 损失/ 氯离子扩散系数 /c ms 碳化深度 图 dUH P C的S EM( ) F i gS EMi m a g e so f dUH P C( ) 图为冻融循环过程中R P C相对动弹性模量的 变化, 其随着冻融次数增加表征出先降低后升高的特 性, 这是因为混凝土受到氯盐和冻融循环耦合作用的 过程中, 冻融循环的初始阶段, 活性粉末混凝土在膨胀 压与渗透压作用下内部可能产生了极少的微裂缝, 导 致其相对动弹性模量略微下降, 随着冻融循环次数的 增加, 氯离子渗透到活性粉末混凝土内部, 侵蚀产物与 氯化钠晶体填空混凝土表层的孔隙, 使其密实度增大, 同时也阻碍了氯离子向活性粉末混凝土内部渗透, 相 对动弹性模量增大.但由于活性粉末混凝土具有较高 的密实度, 冻融循环初始阶段对其破坏仅停留在试件 的表层, 氯离子渗透深度很小.继续进行冻融循环试 验, 在膨胀压和渗透压的作用下, 裂缝开始发展, 其相 对动 弹 性 模 量 开 始 缓 慢 下 降, 次 时 仍 然 大 于 . 图UH P C的相对弹性模量 F i gT h er e l a t i v e d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u so fUH P C 结论 采用梯级粉磨制备T S B C材料时, 三级粉磨工艺 要优于两级粉磨工艺, 应将难磨的铁尾矿砂作为初级 粉磨原料, 并且初级粉磨不易过长, 否则会导致初级粉 磨颗粒较细, 削弱后面材料的“ 微磨球” 效应, 降低粉磨 效率.利用T S B C材料完全替代水泥及粉煤灰制备 UH P C, 其早期强度低于水泥基UH P C, 后期由于活性 矿粉的二次火山灰效应及尾矿粉的“ 微填充” 效应, 促 使其获得极其致密的内部结构, 不仅具有常规UH P C 的强度, 甚至具有更好的抗冻性、 抗氯离子侵蚀性能. 参考文献: R i c h a r dP,C h e y r e z yM C o m p o s i t i o no fr e a c t i v ep o w d e r c o n c r e t e sJ C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h, , ( ) : D u g a t J,R o u xN,B e r n i e rG M e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t eJM a t e r i a l sa n d S t r u c t u r e s, , () : Z a n n iHI,M a r c e l C h e y r e z y,V i n c e n tM a r e t,e t a l I n v e s t i g a t i o no fh y d r a t i o na n dp o z z l a n i cr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e(R P C)u s i n g S iNMRJ C e m e n ta n dC o n c r e t e R e s e a r c h, , () : J r g M a t s c h u l l a t,R i c a r d oP e r o b e l l iB o r b a,E l e o n o r aD e s c h a m p s H u m a na n de n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a t i o n i nt h e i r o nq u a d r a n g l eJA p p l i e d G e o c h e m i s t r y, , : D a sSK,K u m a rS a n j a y,R a m a c h a n d r a r oP E x p l o i t a t i o n o f i r o no r e f o r t h ed e v e l o p m e n t o f c e r a m i c t i l e sJ W a s t e M a n a g e m e n t, , : L i c s k I,L o i sL,S z e b n y iG T a i l i n g sa s as o u r c eo f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nJ W a tS c iT e c h, , ( ) : L i uJ i h u i,L iJ i n g,W a n g Q i A p p l i c a t i o na n ds t u d yo n 年第 期( ) 卷 p u m p i n gs e a l i n g m a t e r i a lu s e di n c o a lc h a r g i n g h o l eo f c o k eo v e nJ J o u r n a l o fU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yL i a o n i n g, , () : L iX i a n g g u o,Y u a nL o n g,M aB a o g u o,e ta l I n f l u e n c eo f m i c aa n ds h a l eo nm i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fp o r o u st h e r m a li n s u l a t i o n m a t e r i a l sc o n t a i n i n gi r o nt a i l i n g s J J o u r n a l o fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s, , () : C a iJ i w e i,F e n gX i a o x i n,Z h a oC h u n l i,e ta l B l e e d i n gb e h a v i o ro fc o n c r e t ep r e p a r e d w i t hf e r r o u s m i l lt a i l i n ga s m a n u f a c t u r e df i n ea g g r e g a t e sJ J o u r n a lo fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y, , () : C a i J i w e i,Z h a n gS h a o b o,H o uG u i x i a n g,e ta l E f f e c t s o f f e r r o u sm i l l t a i l i n g sa sa g g r e a g t e so nw o r k a b i l i t ya n d s t r e n g t ho f c o n c r e t eJ J o u r n a l o fW u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y, , () : X uL i,W uH u i,G u oZ h e n n i,e ta l P r e p a r a t i o nf o ru l t r a h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ew i t ht a i l i n g sb yu s i n gm i c r o b a l l e f f e c t sJ M e t a lM i n e, , ( ) : Z h e n gY o n g c h a o,N iW e n,X uL i,e t a l M e c h a n i c a l a c t i v a t i o no fi r o no r et a i l i n g sa n d p r e p a r a t i o no fh i g h s t r e n g t hc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l sJ J o u r n a l o fU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g, , () : X i a n gP e n g c h e n g,X i eY i n g l i a n g E c o n o m i c a lp o t e n t i a l i t ya n a l y s i so ft a i l i n g su t i l i z a t i o nJ C o n s e r v a t i o na n d U t i l i z a t i o no fM i n e r a lR e s o u r c e s, ,() : P u H a n y o n g,Z h a n gY i n g h o n g O nt h ec o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no fm i n e r a l r e s o u r c e i no u rc o u n t r yJ M u l t i p u r p o s eU t i l i z a t i o no fM i n e r a lR e s o u r c e s, ,() : Z h a n gY u a n,L i J u n f e n g,S u oC o n g h u i T h em e a n i n go f m i n e t a i l i n g sc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o na n de n v i r o n m e n t a l g o v e r n a n c eJ A g r i c u l t u r eT S B C;c a s c a d e g r i n d i n g;U H P C 朱志刚 等: 梯级粉磨铁尾矿制备超高性能混凝土的研究