用低硅铜尾矿制备蒸压灰砂砖
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°C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%，物理力学性能符合GB11945—1999《蒸压灰砂砖》MU15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0.9nm托勃莫来石(Ca5Si6O18H2)、1.1nm托勃莫来石(Ca5Si6O17·5H2O) 和 1.4nm托勃莫来石(Ca5Si6O18H2·8H2O)晶体，铜尾矿中的钙铁榴石几乎不参与反应
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。生产蒸压灰砂砖的主要原料是砂和石灰，其中对于砂，要求SiO2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SiO2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，[3]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，但一般是利用SiO2含量相对较高(>45%)的尾矿砂，对于利用SiO2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SiO2，Fe2O3和Al2O3。
位于南京汤山风景区的九华山铜矿的铜尾矿，其SiO2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GB11945—1999《蒸压灰砂砖》规定MU15指标要求的铜尾矿蒸压灰砂标准砖将尾矿砂、砂粉、石灰粉按计量配合后用搅拌机混合3min，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×115mm×54mm砖坯，成型压力20MPa。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GB/T 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 diffraction，XRD)和扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)进行物相组成和显微结构分析，用HP1920型HPGe γ能谱仪测定灰砂砖的放射性
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SiO2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SiO2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°C(0.9MPa)保温8h，随压蒸釜自然冷却到低于40°C出釜的制度蒸压养护的灰砂砖制品的力学性能。
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10%(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1/2.5)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/T497《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SiO2质量比提高及可能存在未反应的Ca(OH)2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
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砂砖强度有较大幅度的提高，但温度高于180°C(1.0MPa)后灰砂砖强度增加不大
结论
(1) 通过掺加适量砂粉，在175～190°C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GB11945—1999《蒸压灰砂砖》MU15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。
成型压力对蒸压灰砂砖性能的影响
研究成型压力对蒸压灰砂砖抗压强度和耐盐酸腐蚀能力的影响.研究表明,当成型压力从20 MPa 升至40 MPa 时,蒸压灰砂砖抗压强度可提高90 .3%,耐盐酸腐蚀能力也有所提高.32 MPa 的成型压力有较高的工业应用价值.
为了保护耕地,节约能源,我国已在较为发达地区禁止使用烧结实心粘土砖.开发低成本、高性能的环保型替代墙体材料已成为非常迫切的任务.蒸压灰砂砖的生产能耗较少,对环境污染小,价格低,已成为主要替代烧结实心粘土砖的墙体材料之一.与烧结实心粘土砖相比,蒸压灰砂砖的抗压强度偏低,耐盐酸腐蚀能力较差.本文探讨成型压力的变化与蒸压灰砂砖的抗压强度和耐盐酸腐蚀能力的关系及最有效的成型压力
蒸压灰砂硅酸盐制品中主要的胶凝物质是各种类型的水化硅酸钙[(0 .66 ～2 .4)CaO·SiO2·(0 .3～4)H2O][1 ～3].它们是由混合料中的钙质材料和硅质材料在高温水气作用下发生反应生成的.在高温水热介质作用下,硅质材料中的二氧化硅溶于液相中,它同溶于液相中的 Ca(OH)2 结合为各种类型的水化硅酸钙,这些水化矿物都是溶解度较低的物质.因此,很容易使液相达到饱和,析出胶体粒子大小的水化产物.
由于石灰和硅质材料的溶解速度和其产物在溶液中的迁移速度不同,水化硅酸钙最先在硅质颗粒表面生成,然后逐步扩展到颗粒之间的空间内.随着液相中水化结晶物质增多,它们逐步联结交织起来,形成结晶连生体,并把砂粒胶结起来,从而使钙硅混合料变成坚硬的整体.由于硅质材料中的成分并不全是二氧化硅,石灰中的成分也不全是氧化钙,所以,实际上蒸压养护化学反应过程相当复杂.不过基本的主体反应仍是水化硅酸钙的形成.参与化学反应的并不是硅质材料中的全部的二氧化硅,而仅是颗粒表面上的一层二氧化硅.也就是说,氢氧化钙在硅质材料周围与其表面上的二氧化硅发生水化反应生成水化硅酸钙,从而把砂子胶结起来.蒸压灰砂砖强度决定于单位体积中颗粒之间的接触点数和在蒸压过程中生成胶凝物质的质量.良好的成型工艺,可增加蒸压灰砂砖单位体积中颗粒之间接触点数,即可提高颗粒之间接触处的水化产物的密实程度,从而提高蒸压灰砂砖强度
本实验研究成型压力变化对灰砂砖抗压强度和耐盐酸腐蚀性能的影响,成型压力在16 MPa 到40 MPa 之间变化实验表明,当成型压力在一定范围内提高时,蒸压灰砂砖的抗压强度明显提高.当成型压力小于32 MPa 时,蒸压灰砂砖抗压强度随成型压力增加而提高,且提高幅度较大.压力超过32 MPa 后,蒸压灰砂砖抗压强度仍随成型压力增加而提高,但提高的幅度较小.当压力从 16 MPa 提高到 32 MPa时,蒸压灰砂砖抗压强度提高了 7 .8 MPa,增幅达75 .7 %.但成型压力从32 MPa 增加到 40 MPa 时,强度只提高了1 .5 MPa,增幅仅为8 .3 %.从图1 可看出,蒸压灰砂砖耐盐酸腐蚀能力随成型压力的升高而增加.当成型压力分别为20 MPa和32 MPa 时,在 5 %盐酸浸泡28 d 后的试件抗压强度分别为空白样的60 .2 %,和85 .1 %.蒸压灰砂砖强度取决于蒸压过程中胶凝物质的数量和颗粒之间的紧密程度.当原材料种类比一定,蒸压机制也固定时,胶凝物质的数量也就随之固定.
在这种情况下,可通过加强颗粒间的紧密程度,降低孔隙率从而使灰砂砖中水化产物生长空间受到限制,从而增加水化产物间的接触点数目,最终提高灰砂砖的抗压强度和耐久性.从坯体成型工艺方面考虑,提高坯体的成型压力,可增加坯体的密实度,增加颗粒之间接触机会.当成型压力提高后,混合料中所含的空气在压制过程中被压缩得更为严重,坯体压制完成出模时,压入空气的膨胀作用更为强烈,坯体易出现层裂现象.对于本实验,当成型压力大于 28 MPa 后,层裂现象变得明显.在实验中,当成型压力大于28 MPa后,采取了在试模壁涂油和分层加压的方法以防止层裂现象发生.当成型压力为40 MPa 时,尽管采用了试模壁涂油和分层加压的方法,仍难避免试件中有微裂纹.从工业生产的角度考虑,成型压力的提高,对成型机械的要求也相应提高,同时会增大模箱板的磨损,缩短模箱板的使用期限,对生产厂家来说不符合经济效益.因而目前许多中、小灰砂砖厂家的灰砂砖的成型压力仅为20 MPa .但随着材料技术的发展,新的成型机械必将具有更好的性能和更低的损耗,因而从长远角度看,较高成型压力应具有潜在的应用价值提高到40 MPa,蒸压灰砂砖制品强度有较大提高,总增幅为 90 .3 %,当成型压力从 20 MPa 增至 32MPa 时,强度增长较为明显,增幅为75 .7 %.另外,成型压力的提高,使蒸压灰砂砖制品的耐盐酸腐蚀能力也有所增加.研究表明,在不提高灰砂混合料中有效氧化钙含量的情况下,通过改进目前蒸压灰砂砖坯体成型机械,提高成型压力,是提高蒸压灰砂砖抗压强度和耐盐酸腐舜能力的有效措施.实验表明,在本工艺条件下,较为有效的成型压力为32 MPa .
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