[0001] 本发明属于建筑材料的技术领域，涉及Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料的制备方法。

[0002] 铁尾矿作为目前排放量较大的尾矿之一，已经引起了社会各界的广泛关注，并进行了初步的性能与应用研究。其中，在混凝土中的应用越来越多，但关于铁尾矿本身的高性能化及高值化，还有待深入研究。粉煤灰作为电厂的废弃物，因其具有“三大效应”，极大提升了现代混凝土的耐久性能。如何通过进一步的科学研究，充分发挥二者的协调作用，不仅可以减轻环境压力，变废为宝，还可以缓解目前建筑材料资源短缺的情况，是目前丞待解决的问题。

[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

[0035] 一、具体实施例1

[0036] 1.原料准备

[0037] 所采用的原材料主要为铁尾矿和粉煤灰，其元素组成如表1所示。

[0038] 表1铁尾矿和粉煤灰的元素含量/％

[0039] 元素 SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 Na2O K2O 其他 总和铁尾矿 57.5 14.4 3.75 4.07 12.2 2.37 4.2 1.51 100
粉煤灰 52.4 35.1 3.24 0.45 4.16 0.3 0.91 3.44 100

[0040] 2.制备方法

[0041] 2.1控制铁尾矿的平均粒径为30μm，Ⅰ级粉煤灰的平均粒径为10‑25μm，碳化硅的平均粒径为40nm；按质量比为1:1加入铁尾矿和Ⅰ级粉煤灰，加入3％碳化硅混合后，将混合料放入成球机中，并启动成球机，成球机转速为25转/分钟；以混合料质量的10％准备水，首先用喷壶在转动的料表面均匀喷洒总用水量的五分之一，转动180秒后继续喷洒剩余水的二分之一；继续转动180秒；再将剩下水均匀喷洒加入，搅拌60秒即可，控制成球粒径为5‑15mm；

[0042] 将成球骨料以10℃/min的升温速率升温至200℃进行预烧，然后继续升温至900℃进行焙烧，焙烧保温时间10min，然后继续升温至1300℃进行煅烧，煅烧保温时间5min，自然冷却，得到Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料I。

[0043] 2.2控制铁尾矿的平均粒径为30μm，Ⅰ级粉煤灰的平均粒径为10‑25μm，碳化硅的平均粒径为40nm；按质量比为1:1加入铁尾矿和Ⅰ级粉煤灰，加入5％碳化硅混合后，将混合料放入成球机中，并启动成球机，成球机转速为25转/分钟；以混合料质量的10％准备水，首先用喷壶在转动的料表面均匀喷洒总用水量的五分之一，转动180秒后继续喷洒剩余水的二分之一；继续转动180秒；再将剩下水均匀喷洒加入，搅拌60秒即可，控制成球粒径为5‑15mm；

[0044] 将成球骨料以10℃/min的升温速率升温至200℃进行预烧，然后继续升温至900℃进行焙烧，焙烧保温时间10min，然后继续升温至1300℃进行煅烧，煅烧保温时间5min，自然冷却，得到Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料II。

[0045] 二、烧结工艺对骨料的影响

[0046] 1.煅烧温度对轻骨料的影响

[0047] 以上述实施例中2.2制备的Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料II为例，另外设煅烧温度1100℃、1150℃、1200℃、1250℃分别为对照，其余条件均相同，轻骨料形貌参见图1。

[0048] 通过图1中可以看出：实施例中2.2制备的Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料II(图1(e))为深黑色，粗糙多孔(微孔)的表面越来越致密，分析生成了一层玻璃微釉物质，呈现光泽。煅烧温度为1100℃所得的轻骨料(图1(a))为褐红色，无光泽。煅烧温度为1150℃所得的轻骨料(图1(b))为深褐红色，无光泽。煅烧温度为1200℃所得的轻骨料(图1(c))为灰褐色，无光泽。煅烧温度为1250℃所得的轻骨料(图1(d))为深灰褐色，略有光泽。

[0049] 2.煅烧保温时间对轻骨料的影响

[0050] 以上述实施例中2.2制备的Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料II为例，另外设煅烧保温时间6min为对照，其余条件均相同，轻骨料形貌参见图2。

[0051] 通过图2可以看出，当保温时间为6min时，所得轻骨料(图2(b))会发生坍塌，骨料底部与承烧板黏附，严重影响轻骨料的烧结质量。保温时间5min时，所得轻骨料(图2(a))充分烧结，外观形态良好。

[0052] 3.升温速率对轻骨料的影响

[0053] 以上述实施例中2.2制备的Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料II为例，另外设升温速率为5℃/min，15℃/min，20℃/min为对照，其余条件均相同，参数条件参见表2，轻骨料形貌参见图3。

[0054] 表2

[0055]

[0056] 按表2的烧结制度，以不同的升温速率煅烧后，通过图3可以看出，当以5℃/min的升温速率，煅烧至1300℃后，得到的轻骨料(图3(a))高温煅烧时间过长，因形成的液相具有一定黏力，使外逸的气体聚集而受阻，使表面产生不良突起，骨料底部黏附于氧化铝承烧板上，使骨料外表突胀、底部塌陷、内部孔径剧增、孔壁薄脆，整体发生塌陷等不良现象；当以10℃/min的升温速率，煅烧至1300℃后，所得轻骨料(图3(b))表面粗糙多孔，形成了一层玻璃微釉物质，略显光泽，骨料内部形成蜂窝状孔架结构，膨胀性较良好；当以15℃/min(图3(c))或20℃/min(图3(d))的升温速率，煅烧至1300℃后，轻骨料烧结不良，煅烧时间不足，内部受热不均与不足，颜色为褐黄色或深黄色。

[0057] 在此基础上，分别对以10℃/min、15℃/min与20℃/min的升温速率煅烧至1300℃所制得的轻骨料，进行SEM测试、XRD测试与性能测试，其结果参见图4‑图6。

[0058] 通过图4SEM微观形貌可以看出，升温速率越快，轻骨料在高温煅烧后，其内部骨架形成得越不够密实，物料颗粒间的熔结性越差，形成的连通孔越多、闭合孔越少，孔隙等缺陷也较多。图中可以看出升温速率为10℃/min时，轻骨料的烧结效果较好，烧结质量较高。

[0059] 通过图5XRD测试图谱可看出，升温速率越大，石英晶体增加(XRD角度约在20°、26°、60°等处可看出)，氧化铁晶体增多(XRD角度约在37°、63°、66°等处可看出)，而物相的种类无明显变化。

[0060] 当轻骨料以5℃/min的升温速率，煅烧至1300℃后，因轻骨料高温受热煅烧时间过长，使骨料发生坍塌、凸仄、骨料底部黏附固结承烧板等不良现象，造成骨料的严重缺陷，故无法对其进行性能测试。除此之外，对其它以不同升温速率烧制后的轻骨料进行性能测试后，其结果如图6所示。

[0061] 通过图6可知，随升温速率的增大，轻骨料的吸水率随之增大，吸水速率也随之变快；膨胀率先减小后增大，膨胀速率也随之变快；表观密度先增小后增大，密度增长率也随之变大；颗粒强度随之变小，强度增长率也随之变大；而轻骨料的比强度与P比强度减小，膨吸比先减小后增大。当升温速率为10℃/min时，烧制的轻骨料比强度最高，烧制质量较为理想。

[0062] 综合图1、图2与图3，SEM测试微观形貌测试、XRD测试及性能测试结果，综合分析其性能变化原因，可得：采用铁尾矿与粉煤灰为原料，以SiC作发泡剂制备烧胀型轻骨料时，若升温速率太快，物料不能充分受热熔融形成密实骨架，骨料内部颗粒间缝隙大，多为连通孔，闭合孔也较少，以致颗粒强度较小，吸水率较大；若升温速率过慢，物料高温软化后形成的液相流动性过大，易发生坍塌、凸仄、骨料底部黏附承烧板等不良现象，会使骨料产生严重形体缺陷。而在整个高温熔融过程中，骨料中并无明显的新矿物生成，多以晶型变化的物理性熔融为主。

[0063] 所以由此可得，煅烧的温度与升温速率会切实影响骨料高温的煅烧质量，是烧结制度中的重要环节。在研究中，综合考虑烧结时间与轻骨料外观形态的联系，确定以10℃/min的升温速率，先预烧至200℃，焙烧至900℃时，保温10min，煅烧至1300℃并保温5min，最后自然冷却至室温，此为制备轻骨料的基准烧结制度。

[0064] 4.铁尾矿和Ⅰ级粉煤灰组分掺量对轻骨料性能的影响。

[0065] 4.1表观形貌分析

[0066] 设铁尾矿和Ⅰ级粉煤灰的质量比为6:1，3:1，1:1，1:3，1:6，不加SiC,为对照，其余条件与上述实施例中2.2相同，所得轻骨料形貌参见图7。

[0067] 以上述实施例中2.2制备的Ⅰ级粉煤灰‑铁尾矿‑碳化硅轻骨料II为例，另外设铁尾矿和Ⅰ级粉煤灰的质量比为6:1，3:1，1:3，1:6为对照，其余条件均相同，轻骨料形貌参见图8。

[0068] 通过图7可以看出，随着铁尾矿的掺量增加，烧制的轻骨料的颜色，由深黄色向深黑色转变，骨料表面的玻璃微釉物质变多，更加光滑有光泽。

[0069] 而加入5％SiC后，通过图8可以看出，随着铁尾矿的掺量增加，骨料表面的这种玻璃微釉玻璃物质大幅度减少，表面的微孔与内孔量相对增加，粗糙度变大。

[0070] 4.2SEM形貌分析

[0071] 对图7与图8中不同原料配比烧制的轻骨料分别进行SEM微观形貌测试，其结果分别如图9与图10所示。通过图9可以看出，随着铁尾矿的掺量增加，物料经高温软化、熔融浸润、形成液相及自然冷却等过程后，其骨架变的越来越致密，内部孔径越来越大。而加入5％SiC后，通过图10可以看出，骨料内部气孔量增加，但骨架变得更加致密，可能原因是：SiC与熔融的SiO2中氧离子发生反应，释放了气体，腐蚀了二氧化硅表层膜，使骨料内部气孔量增加；同时也降低了液相黏度，加速氧的物理熔解扩散、迁移与渗透等行为，促进了液相物质的熔融反应，使骨架变得致密，进而又连续重复性加速了这种的氧化反应与熔融反应，不断释放气体，最终使得轻骨料获得良好的膨胀多孔效果。

[0072] 4.3物相分析

[0073] 对图7与图8中不同原料配比烧制的轻骨料(掺加发泡剂前后)分别进行XRD测试，其结果如下图11所示。由图3‑6(a)和图10分析可得，在高温煅烧至1300℃，粉煤灰中晶体的结构与晶面间距可能发生了的变化，原有的莫来石晶面间距减小导致其向硅线石发生转化，而石英的晶体结构发生改变转化为方石英。而铁尾矿经复杂的高温熔融反应，主要转变为氧化铁与石英。当粉煤灰与铁尾矿按不同的比例混合煅烧后，通过图11(a)可以看出，体系中以石英、氧化铁、莫来石与硅线石晶体主。随着铁尾矿和粉煤灰掺量比例的变化，轻骨料中各物相的含量也随之改变。其中，随着铁尾矿掺量的增加，物相中石英的含量逐渐增加(XRD角度约在20°、27°、37°等处可以看出)，氧化铁的含量也逐渐增加(XRD角度约在23°、33等处可以看出)，石英与氧化铁含量的增加可能因铁尾矿掺量的增加导致，而莫来石和硅线石在体系中相对含量逐渐减小，同理因粉煤灰的相对掺量间减少所致。

[0074] 当加入5％SiC发泡剂后，通过图11(b)可以看出，体系中氧化铁的特征峰几乎消失，出现较低的SiC晶体的特征峰。可能是过量的SiC掺入后，促进了液相物质的熔融反应，进而导致了氧化铁相对含量减少，与图8、图10的变化一致。

[0075] 5.性能测试

[0076] 对图7与图8中不同原料配比烧制的轻骨料(掺加发泡剂前后)分别进行性能测试，其结果如下所示。

[0077] 5.1膨胀性能和吸水性能

[0078] 对不同原料配比烧制的轻骨料(掺入发泡剂前后)分别进行膨胀率和吸水率测试，其结果如下图12所示。通过图12可以看出，掺入发泡剂前，随着粉煤灰和铁尾矿比例的改变，轻骨料的膨胀率与吸水率也随之变化。在膨胀性能方面，随着铁尾矿掺量的增加，轻骨料的膨胀率先增大后减小，其变化原因可能是：当比例从6:1到1:1的变化过程中，粉煤灰的相对含量较多，当逐渐掺加铁尾矿后，石英与氧化铁量变多，骨料骨架变的更加致密，体系熔结性变好，物料高温形成的液相量与液相黏度也不断增加，使得其生成的气体更多的被封留，气体外逸量减小，而封留的气体压力聚增，导致骨料膨胀，此过程体系中液相黏力与气体压力、液相量与气体量，形成了一个动态平衡的状态，比例达到1:1时，膨胀率达到最大值；当比例从1:1到1:6的变化过程中，随着铁尾矿掺量的继续增加，铁尾矿的相对含量较多，体系内聚增的气体产生的气压逐渐超过液相黏力，逐渐打破破动态平衡状态，更多的气体外逸，而内部骨架却变得越来越致密，又使膨胀率减小。在吸水性能方面，随着铁尾矿掺量的增加，轻骨料的吸水率先减小后增大，其变化原因可能是：当比例从6:1到1:3的变化过程中，逐渐掺加铁尾矿后，石英与氧化铁量变多，骨料骨架变的更加致密，骨料表面的生成的玻璃微釉物质变多，使得轻骨料的吸水率减小；当比例在1:3时，继续掺加铁尾矿后，体系内聚增的气体产生的气压已超过液相黏力，更多的气体向外逸散，使表面的微孔变多，吸水率又增大。而按各个比例烧制的轻骨料的膨胀率均负值，即轻骨料整体均收缩。

[0079] 当加入5％SiC发泡剂后，轻骨料的膨胀率相对增大，膨胀率的趋势没有变化，但当比例从3:1到1:6的变化过程中，轻骨料的膨胀率由负值转向为正值，说明加入SiC后轻骨料整体发生了膨胀，轻骨料获得了良好的膨胀性；而吸水率一直呈上升趋势，其原因可能是：由图8与图10可得，加入SiC后，轻骨料获得良好的膨胀多孔效果。而吸水率与材料的孔体积与孔结构特征有关，相同孔隙率条件下，孔结构特征(孔结构特征包括孔径分布，孔是否开口)影响其吸水率。一般开口孔体积越多，吸水率越大，反之越小；闭口孔越多，吸水率越小，反之越大。相同孔结构特征条件下，孔隙率越大，吸水率越大。从目前的结果来看，加入碳化硅后，轻骨料体积膨胀，所产生的孔多为开口孔，自由水可以通过毛细管等作用力进入其内部，导致吸水率增加。

[0080] 5.2表观密度和颗粒强度

[0081] 对不同原料配比烧制的轻骨料(掺入发泡剂前后)分别进行表观密度和颗粒强度测试，其结果如下图13所示。材料质量一定的条件下，其表观密度与其体积成反比。从图13与图12中可以看出，随着轻骨料膨胀体积的增加，其表观密度随之降低，其颗粒强度也表现出了类似的规律。

[0082] 5.3膨吸比与比强度

[0083] 不同原料配比烧制的轻骨料(掺入发泡剂前后)的膨吸比与比强度的变化规律，分别如下图14所示。通过图14可以看出，轻骨料的膨吸比可以方便的显示出，轻骨料膨胀率与其孔结构的特征；如果膨吸比越大，一定程度上说明膨胀率大，且吸水率低，其开口孔少，闭口孔多。而比强度的大小则表征了强度与其表观密度的比值，比值越大，说明其体积大，且结构强度高。

[0084] 加入SiC发泡剂后，体积显著膨胀，而比强度并没有改善，且体积变化使得颗粒强度呈现指数下降。说明，在提高其膨胀率的同时，应该改善其抗压强度。

[0085] 5.4P比强度

[0086] P比强度是指所制轻骨料的膨吸比与比强度的乘值。P比强度越大，说明轻骨料的膨胀率越高且吸水率越低，同时颗粒强度越大且表观密度越小。不同原料配比烧制的轻骨料(掺入发泡剂前后)的P比强度的变化规律，分别如下图15所示。通过图15可以看出，按不同原料配比烧制的轻骨料，随着铁尾矿掺量的增加，P比强度随着膨吸比与比强度的变化也随之改变。在掺加发泡剂前，比例从6:1到1:6的变化过程中P比强度均为负值，其原因为：不掺加发泡剂所烧制的轻骨料整体均收缩，导致P比强度为负值。而加入发泡剂后，比例从3:1到1:6的变化过程中，P比强度由负值变为正值，其原因是:加入SiC后，轻骨料获得了良好的膨胀性所致。

[0087] 6.碳化硅掺量对轻骨料的影响

[0088] 采用粉煤灰与铁尾矿为主要原料，其比例为1:1，并继续按总质量分数的占比掺加不同比例的碳化硅，按基准烧结制度煅烧。对加不同比例碳化硅的轻骨料，分别进行SEM测试、XRD测试与性能测试。

[0089] 6.1SEM测试分析

[0090] 参见图16‑17，是不同碳化硅掺量的轻骨料的微观形貌图，放大倍数分别为300和5000，其中(a)为1％掺量，(b)为2％掺量，(c)为3％掺量，(d)为4％掺量，(e)为5％掺量，随着SiC发泡剂掺量的增加，轻骨料的孔结构与骨架致密度也随之发生改变。由于SiC的强氧化作用与助熔作用，发生一系列复杂反应，轻骨料的孔结构与轻骨料骨架的致密度变化极其复杂。其变化原因分析为：随着SiC发泡剂掺量的增加，骨料生成的气体量不断增加，冷却后留下气孔也逐渐增加，骨架也变得密实；当掺量超过3％后，SiC已经过量，加上SiC有降低液相黏度的效果，使得液相黏力减小，随着气体量不断增加，外逸的气体产生的气体压力冲击液相，破环了骨料骨架的形成，造成骨架孔隙变多，进而降低了骨架的密实度；当掺量逐渐达到5％时，与SiC产生气体的物质已经消耗完全，更多气体的突破了液相的束缚，过量的SiC生成的液相氧化硅填补衔接了物料颗粒，骨料的骨架又变得致密。

[0091] 6.2物相分析

[0092] 掺入不同掺量的发泡剂后，对其进行XRD测试后，结果如图18所示。加入发泡剂的轻骨料的体系中以莫来石与石英晶体为主，还含有少量氧化铁与SiC晶体。随着SiC掺量的增加，氧化铁的相对含量减少(XRD角度约在24°、33°等处可以看出)，分析是SiC发生强氧化反应，促进了液相物质的熔融反应，进而导致了氧化铁相对含量的减少；当掺量超过2％后，SiC晶体含量相对明显增加(XRD角度约在33°、37°、72°等处可以看出)；当掺量为4％时，石英晶体含量变少，石英的主要成分是SiO2，可能是过量的SiC与熔融的SiO2中氧离子等物质发生反应，腐蚀了二氧化硅表层膜，导致SiO2相对含量减少；当掺量从4％到5％的变化过程中，石英晶体的相对含量又变多，可能是与SiC发生反应的物质几乎消耗完，过量的SiC发生氧化反应后生成SiO2，使得石英的相对含量增加。

[0093] 6.3性能测试分析

[0094] 掺入不同掺量的发泡剂后，对其进行性能测试，结果如图19所示。随着碳化硅发泡剂掺量的增加，膨胀率与吸水率整体呈上升趋势，颗粒强度与表观密度整体呈下降趋势，但都具有一定的波动性，而膨吸比与比强度也随之改变。当SiC掺量为3％时，轻骨料的综合性能较高；当SiC掺量为5％时，轻骨料的膨吸比最大。

[0095] 综合外观形貌图、SEM测试、XRD测试与性能测试，综合分析其性能变化原因，分析为：刚加入SiC后，生成的气体增加，因液相黏度高，封留大部分了气体，体系的气孔量增加，表观密度减小，骨料开始逐渐膨胀，吸水率逐渐变大，颗粒强度减小；当SiC掺量逐渐增加至3％时，原料中与SiC反应的成分不断减少，形成了更多的气体，不断积聚外逸突破液相的束缚，膨胀性降低，骨架变得致密，颗粒强度也因此变大；当超过3％左右近4％时，与SiC有效反应成分完全，液相黏度也大幅降低，产生更多的气体积聚外逸，也降低了物料颗粒的熔连，骨料产生了更多连通孔，以致膨胀率与吸水率骤升，颗粒强度与表观密度下降；当掺量继续增加至5％时，过量的SiC在高温中产生的液相氧化硅填补衔接了物料颗粒，起到弥补效应，而气体又不断外逸，骨架又开始变得致密，骨料膨胀性下降，吸水率下降，颗粒强度与表观密度变大，与图16‑17的微观结构变化相符。