用低硅铜尾矿制备蒸压灰砂砖.

第38卷第4期 20l O年4月
硅酸盐学报
JoI 7IiNAI,0F THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
VoL 38,No。

4 April,20lO
用低硅铜尾矿制备蒸压灰砂砖
方永浩1,庞二波1,王锐1,宣文1,陈宇峰2
(1.河海大学力学与材料学院,南京2l0098;2.南通大学建筑工程学院,江苏南通226019
摘要:研究了配合料组成和成型、蒸养工艺参数对低硅铜尾矿蒸压灰砂砖力学性能的影响。

通过掺加适量河砂粉,在175~190℃蒸压反应可制得
铜尾矿蒸压砂砖,该砂砖的配合料中低硅铜尾矿用料达65%,物理力学性能符台GBll945一1999《蒸压灰砂砖》Mul5蒸压灰砂砖的技术要求。

x射线衍射和扫描电子显微镜分析结果表明:制备的铜尾矿蒸压灰砂砖中的主要反应产物为O.9姗托勃莫来石(C鼬s站018H2、1.1衄托勃莫来石 (ca5Si6017・5H20和1.4m托勃莫来石(c如S站OlsH2・8H20晶体,铜尾矿中的钙铁榴石几乎不参与反应。

关键词:铜尾矿;灰砂砖;蒸压:托勃莫来石;钙铁榴石
中图分类号:TU522文献标志码:A 文章编号:0454-5“8(20lO04_0559_05
AUTOCLAⅦD SAND—LIME BRICl(S FROM CoPPER M【INE TAIL玳
GⅥ1TH LoW Si02CoNTENT 舢场咖1,枷西6D1,形lⅣG尺“f1,殷朋Ⅳ砌1,a珏'Ⅳ玩詹,矿
(1.Colk窄e ofMechanics柚d MatIerials,Hollai Universi饥Nanjing
210098;2.School ofArchitelmm E啦eriIlg, N瓤n∞g Unive塔i饥Nan.cong 2260l 9,Ji 蛐gsll'Chim
Abstract:The influences of in甜edients锄d for玎面19趾d踟toclavjng processes on me propenies of autoclaved sand.1ilne brick丘om copper
miIle tailing witll low Si02cont∞t wefe studied.The results show that it is possible to pr印are autoclaved copper mine诅il-ing.1ime bricks meeting with the technical requirements ofGBll945一1999f砸MU 15s锄d-lime bricks.The proponion oftl坞c咿per
mine tailing in血e ill翻fedient of the brick could be as hi出as 65‘%.X.r蜀ly dif 壬hcdon and sc觚ning elec咖microscope analvses show mat the main reaction products in the brick are tob锄orite crys诅ls(O.9nm CasSifi01RH2,1-1nIll CasSif;017・5H20,趾d 1.4nm C弘Si601EH2・8H20.Andradite in也e copp盯mine协i1ne甜ly does not妇part in the reaction dl|ring the autocl舳g pIocess. Key words:colIp盱mine tailing;s姐d-Hme
brick;autoclaVe;tob锄orite;andmdite.
蒸压灰砂砖强度高,耐水性好,生产中不需要消耗黏土资源,可以替代实心黏土砖用于基础及其它建筑,是一种环保建筑材料。

11-2】生产蒸压灰砂砖的主要原料是砂和石灰,其中对于砂,要求Si02含量高(>65%,质量分数,下同,并要有较好的颗粒级配。

由于各地优质砂的分布不均匀,限制了蒸压灰砂砖在某些地区的生产和使用,一些本来砂资源较丰富的地区,也由于过度开挖、采捞,而使资源日趋匮乏。

另外,冶金矿山开采过程中产生大量 Si02含量不等的砂粒状废弃物——尾矿砂,占用土地,
污染环境,甚至危及人民生命财产安全,【3l亟待处理或开发利用。

利用尾矿代替江河砂等生产蒸压灰砂砖可能是一条经济有效的途径之一,已引起人们的重视,国内外均有相关研究报道,H7J但一
收稿日期:2009_og-12。

修改稿收到日期:200pll一27。

基金项目:国家科技支撑计划课题(子课题:2006BAJ04A04加2:江苏省自然科学基金(Bl【2009345资助项目.
第一作者:方永浩(1956__,男,教授。

般是利用si02含量相对较高(>45%的尾矿砂,对于利用Si02含量低于40%的尾矿研制蒸压灰砂砖鲜见报道。

铜尾矿是铜矿开采过程中经选矿后作为废弃物的粒状细矿砂,其主要化学成份为Si02,Fe203和 A1203。

位于南京汤山风景区的九华山铜矿的铜尾矿,其Si02含量不到35%,通过掺加适量河砂粉, 研究各工艺参数对灰砂砖性能的影响,制备各项性能符合GBll945—1999《蒸压灰砂砖》规定MUl5指标要求的铜尾矿蒸压灰砂标准砖。

1实验
1.1原材料
实验所用铜尾矿系南京九华山铜矿提供,其化
R∞etved da协:2009_08-12. Appmved血te:200弘l l_27.
胁t_ut¨r:FANG Ybngh∞(1956咄删de,pmfhs眈
B皿哪:劬科∞gh∞195609@163.嗍
万方数据
・ 560・
硅酸盐学报 2010年
学成分和粒径分布见表l和表2,矿物组成主要为钙铁榴石
(Ca3A11.333Feo.667Si3012和少量石英(见图 1。

选用一种用于路基处理的石灰粉,
其有效CaO 和MgO含量分别为69.5%和2.0%(质量分数,下同1,消化时间为5min,消化温度95℃,灰渣含量 15.3%。

所用河砂粉的化学成分见表l,石灰粉和河砂的O.08跚方孔筛筛余分别为6.5%和7.3%。

表1铜尾矿和砂粉的主要化学成分
1'able l Chemical composition of copper mine-tamng and sand powder¨惭 I函tion Matcrial si02Fe_03A1203ca0Mgo s砚? ∞鲻
Ca即盯mi地tailing 34.9427.162.6229.21O.8l 1.792.49 S如d powd盯
68.035.109.874.882.345.90
表2铜尾矿的粒径分布
Table 2Particle size豳tmu伽n of c叩per mine tailing %
O lO 20304050607080
2耐(。

图1铜尾矿的am谱
Fig-l x-nly di妇.强ction(Ⅺ国patt锄ofcopp∞mim tailing 1.2方法
将尾矿砂、砂粉、石灰粉按计量配合后用搅拌机混合3IIlin,加适量水搅拌
3min,放置3h使石灰消解,然后调整水量搅拌至适于压力成型(手捏能成团,放手后不松散,不湿手。

加压成240mm×115 mm×54衄砖坯,成型压力20御a。

将砖坯在压蒸釜中按设定制度(蒸汽温度与时间蒸压养护。

根据GB 11945—1999《蒸压灰砂砖》的要求,参照 (m厂r 2542—2003《砌墙砖试验方法》中非烧结砖试验方法测定制品的力学性能和抗冻性。

对部分制品取样,用X射线衍射(X.ray dif如ction,Ⅺm 和扫描电子显微镜(sc锄ing ekctnDn microscopy,SEM 进行物相组成和显微结构分析,用HPl920型HPGe
Y能谱仪测定灰砂砖的放射性。

2结果与讨论
2.1石灰粉与砂粉质量比对强度的影响
石灰作为铜尾矿蒸压灰砂砖配料中的激发组分,对于灰砂砖的最终性能起着至关重要的作用。

石灰掺量的确定从本质上决定了灰砂砖强度发挥的潜力大小。

由于铜尾矿中具有蒸压反应活性的Si02含量很低,因此拟通过掺加磨细砂粉来弥补此不足, 砂粉成为与石灰发生蒸压反应的主要组分,石灰粉与砂粉质量比成为决定蒸压反应物CaO与Si02质量比的主要因素。

表3是固定配合料中铜尾矿含量为50%时,升温2h,到175℃(0.9MPa保温8h,随压蒸釜自然冷却到低于40℃出釜的制度蒸压养护的灰砂砖制品的力学性能。

由表3可以看出:当石灰粉与砂粉质量比小于1/2.5时,随着石灰掺量的增加,即石灰与砂粉质量比的提高,灰砂砖试件强度提高:当石灰掺量从lO%(石灰与砂粉的质量比等于1/4.0提高至14.5%(石灰与砂粉的质量比等于l/2.5时,灰砂砖抗压强度和抗折强度分别从33.3MPa和5.8MPa 增加到了41.0MPa和6.9MPa。

所用石灰的CaO和Mgo含量仅73%,不符合JC厂r497《建筑石灰》合格品的要求,然而从表3试验结果可以看出,用这种石灰制备灰砂砖却可得到较高的强度。

究其原因, 可能是由于该石灰的原料——石灰石的黏土矿物含量较高,而煅烧黏土具有较高的活性,虽然在常温下其与石灰的反应较慢,但在蒸压条件下,煅烧黏土很易与石灰反应形成有较高强度的产物。

石灰掺量的增加,不仅增加了反应物中有效CaO的含量, 同时增加了活性较高的煅烧黏土矿物的含量,从而得到较高的灰砂砖强度。

当石灰与砂粉质量比超过 1/2.5时,灰砂砖强度有降低趋势,这可能与反应产物的CaO与Si02质量比提高及可能存在未反应的 Ca(OH2有关。

应该指出,基于力学性能考虑铜尾矿灰砂砖的最佳石灰与砂粉质量比,与所用石灰和砂粉的组成与物理性状和掺量、尾矿的组成与物理性状及压蒸制度等多种因素有关。

从本实验结果可以看出石灰粉与砂粉质量比以1/2.5左右为宜。

2.2石灰粉与砂粉混合物含量对强度的影响
尾矿灰砂砖配合料中石灰粉与砂粉混合物含量
万方数据
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表3不同石灰与砂粉质量比铜尾矿灰砂砖的强度
1'able 3Strength of copper mine tamng-lime brick with diffeI.ent Hme—sand ratio
’M豁s r蜘o ofl纽netD s and;+‘M勰昌如cti砸ofw橱细n扯砌融a丑10u珏tofnle drym砷斑als,
确定由2个方面因素决定:一是尽可能地提高尾矿
用量;二是保证铜尾矿灰砂砖的强度不低于15
MPa。

基于此原则,根据表3试验结果确定石灰粉
与砂粉质量比为1/2.5不变,研究不同石灰粉与砂粉
混合物含量对灰砂砖强度的影响。

由表4试验结果
可知,随着配合料中石灰粉与砂粉混合物含量的减
少,灰砂砖强度显著降低。

这主要是由于铜尾矿中
所含游离态的Si02很少,与石灰反应的活性较低,
灰砂砖的强度主要源于石灰粉与砂粉的反应,石灰
粉与砂粉混合物含量的减少也导致了反应产物的含
量的减少。

此外,砂粉的颗粒较小,能有效地填充
灰砂砖的孔隙,使得内部结构更致密,提高灰砂砖
强度。

从表4结果可以看出,在本试验条件下,铜
尾矿用量为配合料的65%时,灰砂砖的力学性能仍
能满足GB 11945—1999中MU 15级灰砂砖的要求。

表4不同石灰粉与砂粉混合物含量铜尾矿灰砂砖的强度 -I.able 4stnngth of copper mine tamng-Ume brick with difl|erent Hme-sand powder contents +M髂s丘acti∞ofw糖fbr血et毗al锄a嗵tofthcdrymat两als.
2.3压蒸温度对强度的影响
图2为升温2h,保温8h,随压蒸釜自然冷却到低于40℃出釜的压蒸制度下不同石灰粉与砂粉混合物含量灰砂砖的抗压强度随压蒸温度的变化。

由图2可知:在本试验压蒸温度范围内,各组成灰砂砖的抗压强度均随压蒸温度的提高而增加,尤其铜尾矿用量较大时,适当提高压蒸温度可使尾矿灰
图2铜尾矿灰砂砖抗压强度随压蒸温度的变化 Fig.2C锄p陀ssiVe s廿饥gdl of copper m疵硼迦一l岫蜥ck w.autoclaVing锄唧ef姐lre
砂砖强度有较大幅度的提高,但温度高于180℃ (1.O MPa后灰砂砖强度增加不大。

2.4铜尾矿灰砂砖的抗冻性能和放射性
图3是表4所列不同铜尾矿用量灰砂砖经 (_18士2℃冻5h,(15士2℃融3h冻融循环15次后的抗压强度和干质量损失率,同时给出了冻融试验前灰砂砖的抗压强度。

由图3可见:随着铜尾矿含量的增加,灰砂砖冻融后的强度降低幅度和干质量损失率均增大,但当铜尾矿含量不超过65%时,灰砂砖的冻后强度高于16MPa,千质量损失率小于 1.6%,均能满足GB 11945—1999中Mu 15级灰砂砖的技术要求。

表5是铜尾矿含量为70%的铜尾矿灰砂砖F470的放射性测定结果。

铜尾矿灰砂砖的内照射系数地和外照射系数,均小于1.O,符合GB 6566_-2001《建筑材料放射性核素限量》对A类建筑材料的要求,其产销和使用范围可不受限制。

万方数据
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・
硅酸盐学报 2010年
COppcr mitle tailiIlg cont锄驴%
图3冻融前后强度和干质量损失率与铜尾矿用量的关系Fig.3
Compressive
s咖gm and mass Ioss ofcopper mine
tailing—lime brick坩.copper mine tailing coment
befbre and aftcr丘.eezin∥mawing
表S铜尾矿蒸压灰砂标准砖F470的放射性
Table 5
如moa曲姆of copper om ta呐and抽ne brick F470 O
lO
20
30
40
50
60
70
80
2鳅。

图4铜尾矿和铜尾矿灰砂砖的Ⅺ①谱
Fig.4
xRD
patt锄s ofc叩per miIle
tailing缸d c哪}pef mine
tailing—lime晡ck
2.5铜尾矿灰砂砖的主要反应产物分析
图4是铜尾矿灰砂砖F250和F450及铜尾矿的
Ⅺ①谱。

由图4可见:铜尾矿灰砂砖中主要组成仍
为钙铁榴石,说明钙铁榴石颗粒基本上不参与石灰的水热反应,在其中主要起骨料的作用。

掺有砂粉
的铜尾矿灰砂砖的反应产物主要是O.9呦托勃奠来
石(Ca5Si6018H2、1.1nm托勃莫来石(Ca5Si6017・
5H20和1.4砌托勃莫来石(Ca5Si5018H2・8H20晶体,
不同结合水含量的托勃莫来石共存的现象在自然界也存在,哺】本试验中形成多种结合水含量不同的托勃莫来石可能是由于砖坯中的组成(包括水分和颗粒大小的不均匀性有关。

从图4可以看到:F450中各类托勃莫来石的含量明显高于F250,
这是由于前者配料的石灰与砂粉质量比较高,在一定的范围内, 较高的石灰与砂粉质量比可导致形成较多的水热反
应产物——托勃莫来石,有利于灰砂砖强度的提高。

尽管铜尾矿中所含少量石英也可以与石灰反应形成托勃莫来石等,但由于铜尾矿中的主要组分钙铁榴石颗粒基本上不参与石灰的反应,不足以提供足够的强
竺二氅t。

篝意塑曼!枣曼奎冀冀望銎爹蛰适量江图5铜尾矿灰砂砖F450和
F250的sEM照片
河砂或砂粉以提高具有压蒸活性sioz的含量。

Fig.5一;caI:适’:l:二:二日茜谲薪谳;‰of
图5为铜尾矿蒸压灰砂砖F450和F250的SEM
F450蛐d F250
万方数据
第38卷第4期方永浩等:用低硅铜尾矿制备蒸压灰砂砖・ 563・
照片。

从图5a和5b可以看出,铜尾矿蒸压灰砂砖 F450中存在大量竹叶状和薄片状的托勃莫来石晶体,这是由于掺加了部分砂粉,砂粉与石灰的均匀混合和良好接触有利于水热反应的进行和托勃莫来石晶体的形成。

正是这些托勃莫来石晶体的相互交叉穿插,联接砂粒和尾矿砂颗粒,保证了铜尾矿蒸压灰砂砖具有较好的力学性能。

不同形态的托勃莫来石晶体,是否对应于Ⅺ①谱中的不同水含量的托勃莫来石,仍有待于进一步研究确定。

F250中也生成了大量托勃莫来石,但其水热反应产物数量显然少于F450,形貌上似乎也有微小差异(见图5c。

水热反应产物数量相对较少显然是F45的强度比相对较低的主要原因。

图6是铜尾矿蒸压灰砂砖F450中一颗钙铁榴石晶粒及其周围反应产物的sEM 照片。

由图6可见:钙铁榴石颗粒几乎不与石灰反应,与周围反应产物的结合也较差,因此,在受荷载作用时,反应产物与钙铁榴石颗粒的结合最易被破坏。

图6水化硅酸钙产物与钙铁榴石晶粒的结合状态 Fig.6BindiIlg
s骶of拙dr砌te p枷cle wim calci啪sihcatc hydrate
3结论
(1通过掺加适量砂粉,在175~190℃蒸压反应,可制得配合料中低硅铜尾矿用料达65%,物理力学性能符合GBl 1945—1999《蒸压灰砂砖》MUl5级技术要求的铜尾矿蒸压灰砂砖。

(2掺砂粉时石灰粉与砂粉质量比最佳值与所用原材料组成与性状及压蒸制度有关,在本试验条件下石灰粉/砂粉比以1/2.5左右为宜。

(3铜尾矿蒸压灰砂砖在压蒸反应时可形成不同结合水含量的托勃莫来石。

(4铜尾矿的主要矿物成份——钙铁榴石颗粒基本上不参与水热反应,其在蒸压灰砂砖中主要起骨料作用。

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