一种用作混凝土矿物掺合料的铁尾矿粉活性优化方法
技术领域
本发明涉及利用工业固体废弃物制备混凝土技术领域，尤其涉及一种用作混凝土矿物掺合料的铁尾矿粉活性优化方法。
背景技术
目前，混凝土作为最主要和利用最为广泛的建筑材料，其主要掺合料为粉煤灰，近年来随着国家对燃煤电厂的限制越来越严格，粉煤灰的产量不断减少，且价格越来越高，导致混凝土的矿物掺合料日益紧缺。
而现有的铁尾矿大量堆积，虽然国内外学者对废石和尾矿在混凝土领域的应用进行了大量研究试验，取得了很多成果，但是主要集中在尾矿石作粗骨料，尾矿砂作细骨料等方面；而现有技术中为了选出更多的铁精矿，许多企业加强了对铁矿石的粉磨程度，致使铁尾矿粒径越来越细，形成了90％以上的颗粒细度均小于0.6mm的铁尾矿粉,此种粒级范围的铁尾矿已不适合做机制砂应用于普通混凝土。
若将铁尾矿粉进一步磨至一定细度，作为混凝土矿物掺合料，替代粉煤灰，既符合资源综合利用，又可满足市场需求，缓解混凝土掺合料短缺的矛盾。
目前，可提高铁尾矿粉活性的方法有机械活化法，化学活化法和热活化法或三种方法中的任意组合；
其中，大部分研究者采用机械活化和热活化，但盲目追求细度会带来高能耗，且未提供经济合理的磨细程度参考范围(例如公开号为CN 102850011A的发明专利申请)；
化学活化激活效率普遍偏低，依赖于化学激活剂的选择，部分化学激活剂价格偏高，大幅增加了混凝土成本，且某些化学激活剂对混凝土的耐久性产生不良影响；
单纯热活化并不能有效提高铁尾矿粉活性，化学活化和高温煅烧相结合的方法可有效提高其活性，但能耗高，不经济，对混凝土耐久性有不利影响，不适宜大范围推广(例如公开号为CN 103964717的发明专利申请)；
《铁尾矿粉用作混凝土掺和料的活性研究》中只进行了机械粉磨激活，且细度梯度基本以200m2/kg的幅度变化，变化幅度大，且只研究了418m2/kg、596m2/kg、802m2/kg三种细度，且未验证是否可以取代粉煤灰。
《铁尾矿粉的活化工艺和机理及对混凝土性能的影响研究》中通过机械粉磨与化学激活对比，选用了化学激活，但该方法激活效率不高，只提高了5％，同时所使用的化学激发剂对混凝土的耐久性有潜在不利影响。
而以上两文只是研究了铁尾矿粉的活性和激活方法，未给出适用于工程的优化范围。
综上可知，现有技术大多集中在单纯追求铁尾矿粉的高活性，所用技术要么比较复杂，要么磨细程度很高，导致铁尾矿粉的高耗能和高成本，使得成果难以在工程中大范围推广；因此，亟需研究一种能够替代粉煤灰且能耗低、成本低的铁尾矿粉活性优化方法，以用作混凝土矿物掺合料。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明对铁尾矿粉活性激活的方法进行了优化，提供了经济合理的活化方法和磨细程度优化范围，以低能耗、低成本获取铁尾矿较高的活性，能够替代粉煤灰作混凝土掺合料使用，且不会对混凝土耐久性产生不良影响。
本发明提供了一种用作混凝土矿物掺合料的铁尾矿粉活性优化方法，包括如下处理步骤：
1)制备铁尾矿粉：将铁尾矿过筛，并对筛过的铁尾矿进行烘干；对烘干后的铁尾矿分别进行不同时长T1，T2，T3，T4，T5.....和Tn的机械粉磨，对应制得不同粉体比表面积S1，S2，S3，S4，S5.....和Sn的铁尾矿粉，其中，5min<T1＜T2＜T3＜T4＜T5.....＜Tn<35min；
190m2/kg＜S1＜S2＜S3＜S4＜S5....＜Sn＜620m2/kg；
n代表制备铁尾矿粉过程中不同份铁尾矿粉的数量变化，n为始于1的连续自然数；
2)确定铁尾矿粉的粉体比表面积的最优范围：将步骤1)中不同粉体比表面积的铁尾矿粉，在同等掺量下依照规范GB 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别进行胶砂活性试验，在步骤1)的粉体比表面积范围内，随着比表面积的增大，总结胶砂活性试验中胶砂试件的抗压强度即铁尾矿粉的活性指数的变化规律；并与同等掺量下粉煤灰的活性指数对比后，确定最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围；
将步骤1)中不同粉体比表面积的铁尾矿粉，在同等掺量下依照规范GB 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》制作胶砂试件，并进行标准养护后，分别进行压汞试验，在步骤1)的粉体比表面积范围内，随着比表面积的增大，总结胶砂试件的孔隙变化规律，并根据有害孔数量，确定填充效果最优的铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围，并判定该取值范围是否与胶砂活性实验确定的最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围相吻合；
3)确定铁尾矿粉的掺量的最优范围：在步骤2)中确定的最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围内任选一比表面积的铁尾矿粉，在不同掺量P1，P2，P3，P4，P5.....和Pm下依照规范GB 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别进行胶砂活性试验，其中，0％＜P1＜P2＜P3＜P4＜P5.....＜Pm＜50％，m代表比表面积为S的铁尾矿粉中不同掺量P的掺量变化，m为始于1的连续自然数；随着掺量的增大，总结胶砂活性试验中胶砂试件的抗压强度即铁尾矿粉的活性指数的变化规律，当掺量P超过30％后，铁尾矿粉的活性指数明显下降；确定最优铁尾矿粉的掺量。
优选地，根据混凝土的抗压强度先增后减，即铁尾矿粉的活性指数先增后减的规律，确定所述步骤1)中所述最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围为450-550m2/kg。
优选地，根据压汞试验结果，有害孔数量最少，级配最好填充效应最佳的比表面积范围与胶砂试验优化的比表面积范围相吻合。
优选地，根据掺量超过30％后，铁尾矿粉的活性指数明显下降的规律，确定所述步骤2)中所述铁尾矿粉的掺量的最优范围不大于30％。
优选地，所述步骤2)中铁尾矿粉的掺量的最优值为30％。
优选地，所述步骤1)中将铁尾矿过2-5mm筛，并在90℃～110℃下烘干。
优选地，所述步骤1)中将铁尾矿过3mm筛，并在105℃下烘干。
优选地，所述步骤1)中机械粉磨时采用的设备为水泥试验磨，型号为SYMФ500×500，或者全方位行星式球磨机，型号为MITR-QM-QX。
优选地，所述步骤1)中压汞试验采用的试验设备为压汞仪，型号为AutoPore IV9500型。
优选地，标准养护天数为28天。
优选地，将步骤1)中不同粉体比表面积的铁尾矿粉，在同等掺量下依照规范GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》制作胶砂试件，并进行标准养护后，分别进行压汞试验，在步骤1)的粉体比表面积范围内，随着比表面积的增大，总结胶砂试件的孔隙变化规律，并根据有害孔数量，确定填充效果最优的铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围，并判定该取值范围是否与胶砂活性实验确定的最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围相吻合。
本发明的有益之处在于：
(1)本发明不单纯追求铁尾矿粉的高活性，而以磨细铁尾矿粉的活性高于同等掺量粉煤灰的活性为依据，确定了铁尾矿粉磨细的优化范围，优化结果经济实用，可直接应用于工程中。其中，铁尾矿粉只需单独机械粉磨至比表面积达450m2/kg-550m2/kg优化范围内时，其活性高于粉煤灰的活性，完全可以取代粉煤灰作为混凝土掺合料，且具有低能耗、高活性的优点，有利于工业化生产和大范围推广的优点。
(2)本发明对掺量30％的不同比表面积铁尾矿粉胶砂试件进行压汞试验，试验结果表明在本发明的优化比表面积范围内胶砂试件的有害孔数量最少，级配最好填充效应最佳，为本发明提供了理论依据。
因此，本发明以磨细的铁尾矿粉替代粉煤灰作为混凝土掺合料为目的，所以在活性试验过程中，与同掺量的粉煤灰胶砂试件进行了对比，相较现有技术，具有显著的技术效果。
附图说明
图1为本发明的优化流程图。
图2为评定活化铁尾矿粉火山灰性的曲线示意图(图2-a为8天铁尾矿粉火山灰性分析图；图2-b为15天铁尾矿粉火山灰性分析图)；
图3为不同比表面积对铁尾矿粉活性影响的曲线示意图；
图4为铁尾矿粉相对粉煤灰活性指数的曲线示意图；
图5为不同掺量对铁尾矿粉活性指数影响的曲线示意图；
图6为机械-石膏活化对铁尾矿粉活性影响的曲线示意图(图6-a为机械-石膏活化铁尾矿粉活性指数分析图；图6-b为机械-石膏活化铁尾矿粉相对机械活化铁尾矿粉活性指数分析图)；
图7为掺加30％不同比表面积铁尾矿粉胶砂试件28天压汞试验中胶砂试件总孔隙量的示意图；
图8为掺加30％不同比表面积铁尾矿粉胶砂试件28天压汞试验中胶砂试件有害孔的示意图；
具体实施方式
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种活性高于粉煤灰的活性且具有低能耗、高活性优点以及适用范围广的用作混凝土矿物掺合料的铁尾矿粉活性优化方法。
本发明提供了一种用作混凝土矿物掺合料的铁尾矿粉活性优化方法，包括如下处理步骤：
1)制备铁尾矿粉：将铁尾矿过筛，并对筛过的铁尾矿进行烘干；对烘干后的铁尾矿分别进行不同时长T1，T2，T3，T4，T5.....和Tn的机械粉磨，对应制得不同粉体比表面积S1，S2，S3，S4，S5.....和Sn的铁尾矿粉，其中，5min<T1＜T2＜T3＜T4＜T5.....＜Tn<35min；
190m2/kg＜S1＜S2＜S3＜S4＜S5....＜Sn＜620m2/kg；
n代表制备铁尾矿粉过程中不同份铁尾矿粉的数量变化，n为始于1的连续自然数；
2)确定铁尾矿粉的粉体比表面积的最优范围：将步骤1)中不同粉体比表面积的铁尾矿粉，在同等掺量下依照规范GB 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别进行胶砂活性试验，在步骤1)的粉体比表面积范围内，随着比表面积的增大，总结胶砂活性试验中胶砂试件的抗压强度即铁尾矿粉的活性指数的变化规律；并与同等掺量下粉煤灰的活性指数对比后，确定最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围；
将步骤1)中不同粉体比表面积的铁尾矿粉，在同等掺量下依照规范GB 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》制作胶砂试件，并进行标准养护后，分别进行压汞试验，在步骤1)的粉体比表面积范围内，随着比表面积的增大，总结胶砂试件的孔隙变化规律，并根据有害孔数量，确定填充效果最优的铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围，并判定该取值范围是否与胶砂活性实验确定的最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围相吻合；
3)确定铁尾矿粉的掺量的最优范围：在步骤2)中确定的最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围内任选一比表面积的铁尾矿粉，在不同掺量P1，P2，P3，P4，P5.....和Pm下依照规范GB 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》分别进行胶砂活性试验，其中，0％＜P1＜P2＜P3＜P4＜P5.....＜Pm＜50％，m代表比表面积为S的铁尾矿粉中不同掺量P的掺量变化，m为始于1的连续自然数；随着掺量的增大，总结胶砂活性试验中胶砂试件的抗压强度即铁尾矿粉的活性指数的变化规律，当掺量P超过30％后，铁尾矿粉的活性指数明显下降；确定最优铁尾矿粉的掺量。
在本发明的所述步骤1)中根据混凝土的抗压强度先增后减，即铁尾矿粉的活性指数先增后减的规律，确定所述步骤1)中所述最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围为450-550m2/kg。
在本发明的所述步骤2)中根据掺量超过30％后，铁尾矿粉的活性指数明显下降的规律，确定所述步骤2)中所述铁尾矿粉的掺量的最优范围不大于30％。更进一步的，所述步骤2)中铁尾矿粉的掺量的最优值为30％。
在本发明的所述步骤1)中将铁尾矿过2-5mm筛，并在90℃～110℃下烘干。进一步优选地实施方式，本发明的所述步骤1)中将铁尾矿过3mm筛，并在105℃下烘干。
本发明的所述步骤1)中机械粉磨时采用的设备为水泥试验磨，型号为SYMФ500×500，或者全方位行星式球磨机，型号为MITR-QM-QX。
在所述步骤1)中压汞试验采用的试验设备为压汞仪，型号为AutoPore IV 9500型。
本发明优选将所述步骤2)中同等掺量P为30％。
本发明中将步骤1)中不同粉体比表面积的铁尾矿粉，在同等掺量下依照规范GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》制作胶砂试件，并进行标准养护后，分别进行压汞试验，在步骤1)的粉体比表面积范围内，随着比表面积的增大，总结胶砂试件的孔隙变化规律，并根据有害孔数量，确定填充效果最优的铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围，并判定该取值范围是否与胶砂活性实验确定的最优铁尾矿粉的粉体比表面积的取值范围相吻合。
根据上述内容，本发明提供如下实施例：
实施例1：
第一步，将铁尾矿过3mm筛，105℃烘干1小时，并使用水泥试验磨进行7min、10min、12min、15min、25min、35min的梯级机械粉磨，制得不同细度的铁尾矿粉，代号分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6。所得粉体比表面积见表1：
表1
第二步，对上述不同比表面积铁尾矿粉Z1-Z6进行了火山灰性试验，经化学分析得到的结果见表2：
分析结果表明，经粉磨的原矿不同细度铁尾矿粉对应龄期的试验点均落在标准曲线的上方，说明机械粉磨的铁尾矿粉不具火山灰性或火山灰性不合格，属惰性材料，即铁尾矿粉做掺合料主要发挥微集料的物理填充作用。但随着比表面积的提高，试验点距标准曲线的法向距离越近，如图2-a和2-b所示，说明粉磨使其化学活性进一步提高，但是随着比表面积的增大，活性提高幅度不大，因此，不能盲目追求过大的比表面积增加有限的活性，而忽略为此付出的高能耗，否则难以在工程中大范围推广；
第三步：通过将上述不同比表面积铁尾矿粉Z1-Z6和粉煤灰在相同掺量P(如30％)下做对比胶砂试验，进而得到了不同比表面积铁尾矿微粉活性的影响曲线以及铁尾矿粉相对粉煤灰活性指数的曲线示意图，见图3和图4；分析结果表明：随着比表面积的增大，胶砂的抗压强度先增后减(注：抗压强度可以直接反应其活性指数)，证明机械粉磨可在一定程度上提高铁尾矿粉的活性，当铁尾矿粉的比表面积低于400m2/kg时，活性较低，活性不及粉煤灰，当比表面积达到469m2/kg时，活性最大，活性指数达76.82％，相对粉煤灰的活性指数最大，超过粉煤灰的活性；当比表面积超过469m2/kg时，铁尾矿粉的活性反而降低，经分析这与微粉末的团聚效应、颗粒级配有关。最后确定当铁尾矿微粉的比表面积在443m2/kg-567m2/kg时，铁尾矿微粉活性与粉煤灰活性相当且略高于粉煤灰，完全可以取代粉煤灰作为混凝土的掺合料，为了保证范围的准确性，本发明中取铁尾矿粉机械磨细优化范围为450m2/kg-550m2/kg；
为了进一步验证比表面积位于450m2/kg-550m2/kg范围时，适用于混凝土掺料，本发明还对掺量30％的不同比表面积铁尾矿粉胶砂试件进行压汞试验，其中，图7及图8为28天压汞试验结果，由图7可以看出，铁尾矿粉比表面积在469㎡/㎏左右时，胶砂试件的总孔隙量较小；图8中的有害孔数量更清晰的表明了在比表面积为469㎡/㎏左右时，试件的有害孔数量最少。这说明铁尾矿粉作为混凝土掺合料的主要作用为填充效应，且在比表面积为469㎡/㎏时，级配最好填充效应最佳。
第四步，以本发明中铁尾矿粉优化范围内的最小比表面积450mm2/kg的铁尾矿粉作不同掺量P铁尾矿粉胶砂试验，所得活性指数见图5；分析结果表明：随着掺量P的增加，活性指数(即抗压强度)不断下降，尤其掺量超过30％后，活性指数(即抗压强度)明显下降，因此，在最大程度利用铁尾矿粉，又同时保证铁尾矿粉具有不低于同等掺量粉煤灰活性的基础上，铁尾矿粉掺量不宜超过30％。
实施例2：
为了证明本发明中采用机械活化法将铁尾矿粉比表面积设定为450m2/kg-550m2/kg时，用作混凝土矿物掺合料的有效性，本发明中对铁尾矿粉进行机械-化学激活，并磨至比表面积为450㎡/㎏，其中，化学激活剂采用成本相对较低的脱硫石膏，所得活性指数见图6。分析结果表明：当石膏掺量为0.3％时，最大程度激发了铁尾矿粉的活性，活性指数达74.46％；将上述结果和机械活化铁尾矿粉做对比，当石膏掺量为0.3％时，机械-化学活化铁尾矿粉比机械活化铁尾矿粉活性提高4.2个百分点，可见提高效率不高，即机械-化学活化铁尾矿粉对机械活化铁尾矿粉并未有明显优势，因此，考虑到能耗以及成本的基础上，本发明中单纯采用机械活化法将铁尾矿粉比表面积设定为450m2/kg-550m2/kg时，具备显著效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
