超细铁尾矿粉活化方法及其性能研究

超细铁尾矿粉活化方法及其性能研究

徐长伟1，刘婉淇1，潘文浩1，詹建刚2

（1.沈阳建筑大学，沈阳，110168；2.杭州富阳巨润混凝土有限公司，310000）

摘要：以铁尾矿粉为原材料采用机械力、机械力-化学方法对其进行活化，探究不同活化方法对铁尾矿活性的影响。以铁尾矿为主要制备材料，以石灰、石膏及钢渣为辅助化学激发材料，探究活化过程中物料之间的化学反应，测试其7d和28d活性指数，．

关键词：铁尾矿；机械力化学；反应活性

随着铁矿产量的不断上升，我国废弃铁尾矿堆存量已经近26亿t，尾矿堆积不仅占用大量土地面积，还会对生态环境造成严重威胁。对尾矿进行二次资源利用是解决当下矿产资源减少、环境污染严重的首要问题。目前我国尾矿的利用途径有从尾矿中回收有色金属、稀有金属、贵金属和大量的非金属矿物，用尾矿制作建筑材料、土壤改良剂、回填采空区等方面。随着当今社会的不断发展，钢铁产业的发展飞速推进，钢铁的需求量也日益提升。我们需要不断开采铁矿石，才能满足社会需求，随着越来越多铁矿石的开采，排放的尾矿资源不断增加，同时也因尾矿堆积原因，造成了环境、经济、安全等一系列问题。因此，钢铁行业若想保持飞速发展的趋势，应该积极的面对、解决当下的瓶颈问题[1-3]。

铁尾矿本身活性一般较低，需要对其进行活化处理，再进行利用。将铁尾矿作为胶凝材料使用，通过机械力化学效应[4-5]，降低物料反应活化能。并结合热力学激发铁尾矿的方式，利用微波活化的原理，使铁尾矿的活性得到最大程度的激发。在机械力作用下，铁尾矿颗粒粒度缩小、比表面积增大，反应活性随之增强[6]。本文以精选铁矿而产生的超细铁尾矿为研究对象，研究了该铁尾矿反应活性在机械力效应下的发展规律，并以铁尾矿粉为主要原料，石灰、石膏为活化剂，通过机械力-化学作用提高其抗压强度，制备高活性水泥基材料掺合料，从而达到多固废协同处理的目的。

1.实验

1.1实验原材料

铁尾矿选用本溪思山岭地区的选矿产生的尾矿材料，其比表面积为490m2/kg。该矿样成分以角闪石、绿泥石，云母角、石英等矿物为主。其化学成分如表1所示，成分组成可以看出主要化学成分为SiO2，其含量在72.04%，一般认为矿样的SiO2含量在50%以上的铁尾矿被认为是高硅铁尾矿，因此本实验中选择的矿物是典型的高硅低钙铁尾矿。

表1铁尾矿主要化学成分分析结果/%

Table 1 Analysis results of main chemical components of iron tailings

脱硫石膏选用抚顺新钢铁有限责任公司脱硫工艺而排放的副产物残渣，其化学成分测定结果如表2所示。

表2脱硫石膏微粉主要化学成分

Table 3 Main Chemical Components of Desulfurization Gypsum Micropowder

1.2实验方法

将铁尾矿粉置于鼓风干燥机中以100℃的恒定温度进行烘干至恒重后，利用万能研磨机进行粉磨，粉磨时间分别为5min、10min、15min。同时，开展机械力-化学结合的活化方式，在粉碎机中按一定比例掺入不同的化学活化剂的混合物，一起混合研磨15min。对活化后的粉体应用全自动勃氏比表面积仪、微机控制液压试验机等实验仪器进行比表面积和抗压强度等性能测试与评价。

2 结果与讨论

2.1粉磨时间对比表面积的影响

将铁尾矿粉分别粉磨5min、10min、15min，利用全自动比表面积测定仪来测试其比表面积变化趋势，如图1所示。

图1 粉磨时间对铁尾矿比表面积的影响

Fig.1 Effect of grinding time on specifics urfacearea of iron tailings

由图1可知，研磨15min后，比表面积的变化逐渐趋于平缓，粒径的减小速度减慢。随着继续研磨，颗粒的细度没有明显变化，主要是由于形成了大量新表面并增加了细颗粒比表面积，随之自由能增加。因范德华力的存在，颗粒一直处于不稳定的高能状态，颗粒形成团聚[7]。

2.2粉磨时间对铁尾矿活性指数的影响

实验中机械力活化试验是通过改变不同的粉磨时间来制备活性铁尾矿粉，粉磨时间分别为5min、10min、15min。以铁尾矿为基础的胶凝材料，依据《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法(GB/T12957)》和《通用硅酸盐水泥》（GB175）对胶凝材料的活性指数进行研究，测试标准养护28d试件的抗压强度，并计算而得其活性指数。检测不同的粉磨时间下铁尾矿的水化活性，测试结果见图2。

图2 不同粉磨时间对活性指数影响（28d）

Fig.2 Effect of Different Grinding Times on Activity Index（28d）

由图2可以看出，随着粉磨时间的增加，试件的抗压强度呈逐步上升的状态，尤其以30%取代率表现最为明显。这说明在通过机械力的活化作用下，铁尾矿的活性得到了一定的提升。当粉磨时间为15min时，30%取代率试件的活性指数达到了最大，但50%和70%取代率的试件活性指数却有所降低，这可能是由于随着铁尾矿掺量增加其需水量也随之增加，这就致使工作性变差，成型之后时间内孔隙率增大，进而使28d强度与低取代率试件相比有所下降。由此可知，将铁尾矿粉粉磨15min，作为掺合料以30%的掺量替代水泥具有较高的力学性能。

2.3机械力-化学活化对铁尾矿水化活性的影响

以铁尾矿为基础原材料，应用石灰和脱硫石膏作为化学活化剂按不同配比掺入并经机械力粉磨制备而得复合型铁尾矿基掺合料粉体，粉磨时间为15min。并应用制备的粉体以30%的掺量替代水泥制备水泥胶砂试件，经标准养护28d后测试其抗压强度。机械力-化学活化的混合胶凝材料的试验配比方案如表4所示。

表4混合胶凝材料配合比

Table4 Mix proportion of mixed cementitious materials

图3 不同试验组试件抗压强度对比

Fig.3 Comparison of compressive strength of specimens from different test groups

由图3可以看出，在粉磨时间为15min时，结合石灰、脱硫石膏进行的化学活化。并以30%掺量代替水泥，其试件抗压强度与纯铁尾矿机械力活化的试件相比是有所提升的，其中以第4组表现尤为明显。即铁尾矿：石灰：脱硫石膏为70：23：7的掺合料配比，其机械力-化学活化效果最佳。

2.4微观与形貌分析

针对不同的活化方法而制备的试件，经标准养护28后分别应用SEM测试，观察其微观形貌照片，如图4所示。

                （a）机械力（15min）            （b）机械力-化学（第4组）

图4 不同活化方式28d试件的SEM微观照片

Fig.4 SEM micrographs of 28d specimens with different activation methods

由图可以看出，机械力粉磨（a图）制备得到的铁尾矿颗粒表面界面较为不规则，在其周边仅有少量的水化产物，这说明此时的尾矿粉颗粒具有一定活性，但活性反应能力不高，其强度的提升来源主要是粉磨等机械力使其表面粗糙化提供的。而对于机械力-化学活化方法活化的尾矿粉（b图）水化后，其水化产物大量生产并且种类繁多，这些水化产物对水泥石硬化体的强度是十分有利的。因此，机械力-化学活化起到了增加表面能和促进水化的双重作用。

4 总结

（1）机械力粉磨在合理的粉磨时间内，可有效改善铁尾矿粉细度。研究表明当研磨15min后，随着细颗粒自由能增加，颗粒处于不稳定的高能状态，导致细颗粒二次团聚，致使其比表面积的变化逐渐趋于平缓，粒径的减小速度减慢。

（2）机械力作用可以改善铁尾矿活性。对活性研究分析可得出，粉磨时间为15min时的尾矿粉以30%取代率替代水泥时，其28d龄期的抗压强度、活性指数达到最大值，该粉磨时间下最大程度的活化了铁尾矿粉，机械粉磨细化作用使颗粒无序化物质增多，致使活性提高，可作为水泥基材料的掺合料使用。

（3）以石灰和脱硫石膏为活化剂的机械力-化学活化方法对铁尾矿的活性提升有着积极的作用，由于机械力化学效应使尾矿粒度继续减小，晶格畸变度加大，无序化程度继续加强，反应活性进一步提高，使得抗压强度进一步增加。

参考文献

[1]秦景燕 王传辉.超细粉碎中的机械力化学效应.矿山机械 2005 33（10）：6

[2]Ryou J. Improvement on reactivity of cementitious waste materials by mechanochemical activation.Materials Letters 2003 58:903

[3]Tian JS Yang RJ Wang HB.Research utilization of iron or tailing since mentand concrete industry in Beijing. Archit Decoration Cult Creation 2009 (2):33

[4]Wang ZY Chen SL Yuan J Advance of research and a plication on reactive powder concrete.2008(11):39

[5]尹艳红，朱应禄 . 机械力化学及其发展趋势［J］. 冶金丛刊，2008（6）：37-39.

[6]陈鼎，严红革，黄培云 . 机械力化学技术研究进展［J］. 稀有金属，2003，27（2）：293-298.

[7]席生岐，屈晓燕，刘心宽，等. 高能球磨固态扩散反应研究［J］. 材料科学与工艺，2000，8（3）：88-91.