超细铜尾矿免烧免蒸养环保砖的研究_王红英.pdf

江西建材试验与研究182023年1 月作者简介：王红英（1991-），女，江西抚州人，硕士，工程师，主要研究方向为绿色新型建材、固废的资源化利用。超细铜尾矿免烧免蒸养环保砖的研究王红英，黄高明，刘红霞，刘澜涛，刘文杰江西省建材科研设计院有限公司，江西 南昌 330001摘 要：文中通过正交试验得出适用于超细铜尾矿的最佳固化剂配方为：水泥、粉煤灰、消石灰、脱硫石膏和石英粉用量分别为 25%、40%、25%、4%和6%。固化剂掺量为20%时，超细铜尾矿免烧免蒸养环保砖的性能最佳，其7d、28d抗压强度分别为17.6MPa、22.5MPa，软化系数分别为0.65 和0.80。C-S-H凝胶、钙矾石 Ca6Al2（SO4）3（OH）12 26H2O 等新矿物的生成是超细铜尾矿环保砖具有较高的抗压强度和耐水性的主要原因。关键词：固化剂；超细铜尾矿环保砖；抗压强度；软化系数中图分类号：TU522 文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0018-04Research on Ultrafine Copper Tailings Free of Burning and Free of Steamboat Environmental BricksWang Hongying,Huang Gaoming,Liu Hongxia,Liu Lantao,Liu Wenjie Jiangxi Building Materials Research and Design Institute Co.Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330001Abstract:In this study,the optimal ratio of curing agent suitable for ultrafine copper tailings is that the dosage of cement,fly ash,hydrated lime,desulfurized gypsum and limestone powder are 25%,40%,25%,4%and 6%respectively.When the mixing amount of curing agent is 20%,the performance of environmental brick is best,with the compressive strength of 7d and 28d are 17.6,22.5 MPa respectively,and the softening coefficient are 0.65 and 0.80 respectively.The generation of new minerals such as C-S-H gel and Ca6Al2（SO4）3（OH）12 26H2O is the main reason for the high compressive strength and water resistance of ultrafine copper tailings environmental brick.Key words:Curing agent;Ultrafine copper tailings environmental brick;Compressive strength;Softening coefficient0 引言随着我国工业化的快速发展，铜矿资源开采规模逐年增加，伴随着大量的铜尾矿产生，2011-2018年，我国铜矿尾渣产生量约为3.02亿t，占总尾矿的24.94%，而尾渣的总利用率仅占8.2%1-2。随着铜尾矿尾渣量的不断增加，自然环境遭受污染，占用大量土地，尾矿坝甚至不堪重负而溃塌，造成严重的地质灾害，威胁人类安全；此外，铜矿及相关企业的发展将受到严重制约3-6。如何将铜尾矿减量化、资源化、无害化利用成为当下亟待解决的问题。近年来，针对铜尾矿综合利用的研究主要集中在建材方面。基于铜尾矿中 SiO2主要以 SiO44-、Si2O76-等形式存在，熔点一般低于1200，因此，生料中掺入适量的铜尾矿可降低熟料的烧成温度7-8。陈忠发等9研究表明随着铜尾矿掺量增加，f-CaO含量下降，熟料岩相中A矿与B矿含量随铜尾矿掺量增加而增加，且掺入铜尾矿有助于提高水泥净浆强度。童小根等10、鲁亚等11和 Tixier R等12研究利用铜尾矿的火山灰活性和良好的粒径级配将其作为掺合料制备超高性能混凝土。由于铜尾矿含硅量高，是制备蒸压加气混凝土的良好硅质材料，石齐13、曾兴华等14和傅峰15利用铜尾矿制得性能良好的蒸压加气混凝土产品，其中铜尾矿在天然砂中的替代率在60%以上。综上可见，铜尾矿在建筑材料领域中主要用于水泥熟料、水泥混合材、混凝土掺合料和加气混凝土中。但由于本研究中的超细铜尾矿是在原尾矿的基础上进行分级处理后的细颗粒部分，其中含有大量细颗粒的泥质成分，含硅量相对较低，且大多为非活性物质，故在水泥、混凝土和加气混凝土中的应用存在很大的局限性。因此，基于超细铜尾矿长石含量较高，将其作为主要原料并通过固化剂的作用，制备高性能的超细铜尾矿免烧免蒸养环保砖是铜尾矿尾渣减量化、资源化、无害化处理的途径之一，具有较好的生态效益、经济效益和社会效益。针对铜尾矿尾渣在固化砖领域的应用已有大量研究，陈宇峰16以生石灰、砂粉、江砂和铜尾矿为原材料，按1135的比例制备的蒸压铜尾矿灰砂砖，其强度可达到20MPa以上；金彪等17以污泥和建筑垃圾为主要原料制备蒸养砖，结果表明，当建筑垃圾50%70%、污泥10%20%、脱硫干灰10%20%、水泥10%时，蒸养砖性能最佳，其抗压强度为10.727.2MPa；杨永18以粉煤灰为主要的原材料，加入生水灰、石膏、水泥、骨料，采用压制成型工艺研制含骨料粉煤灰砖，实验结果表明：在90 的蒸汽养护条件下，砖的抗压强度约为同条件标准养护的3倍。Saeed A和Lianyang Z 19以NaOH为活性激发剂，以水泥窑灰为掺合料，通过压力成型并在90 养护，制得碱激发铜尾矿固化砖。目前，铜尾矿固化砖的研究大多采用高温养护或蒸压养护的方式，或通过碱性激发剂的方式；但这些方式资源和能源消耗大，不利于“双碳目标”的实现。江西建材试验与研究192023年1 月利用尾矿制备低能耗、低成本的绿色建筑材料是目前建材发展的趋势，对大宗固废的减量化、无害化和资源化利用具有重要意义。本研究以普通42.5水泥、二级粉煤灰、消石灰、脱硫石膏和石英粉等作为高性能固化剂的主要成分，与超细铜尾矿按一定比例混合，采用标准养护方式制备强度高、耐水性能好的超细铜尾矿免烧免蒸养环保砖（以下简称“超细铜尾矿环保砖”）。1 试验1.1 原材料（1）超细铜尾矿：取自江西省某铜矿选矿厂的超细尾矿，粒径不大于2.0 mm，主要化学成分见表1，矿物成分主要为石英和长石，内外照射指数IRa均为0.6，符合放射性限值的要求。（2）普通硅酸盐水泥 P O 42.5（简称“水泥”）：取自江西某公司，化学成分见表1。（3）粉煤灰：取自南昌某电厂，比表面积为400m2/kg，化学成分见表1。（4）消石灰：白色粉末，主要化学成分为 Ca(OH)2。（5）脱硫石膏：取自江西南昌某电厂，CaSO4 2H2O含量90%。（6）石英粉：主要化学成分为SiO2，比表面积为450m2/kg。表1 部分原材料化学成分表%成分SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaOK2ONa2OSO3LOI超细铜尾矿61.60 16.30 3.501.104.908.800.202.700.29水泥20.70 4.202.803.8064.00.700.202.801.26粉煤灰 43.20 21.00 24.20 0.971.552.221.320.483.291.2 试验研究及方案 1.2.1 固化剂配比设计 为探究固化剂中各组分的最佳配比，本研究以水泥、粉煤灰、消石灰和脱硫石膏用量为4 个因素，分别以三种不同含量作为3 个水平，设计 L9（34）的正交试验，试验具体配比见表2，其中，通过改变石英粉的用量，使固化剂各组分的总量为100%。将固化剂混合料进行球磨，使混合料的比表面积控制在400m2/kg左右。将上述得到的各配比混合料按总量的20%加入超细铜尾矿中，通过拌匀、成型、养护等工艺制得超细铜尾矿环保砖试件，并测试其相关性能，根据试验结果分析各因素对超细铜尾矿环保砖性能的影响，以得到固化剂的最佳配比。表2 固化剂配方的正交试验设计%水平因素水泥（A）粉煤灰（B）消石灰（C）脱硫石膏（D）1153515222040204325452561.2.2 固化剂掺量对超细铜尾矿环保砖性能的影响为研究固化剂掺量对超细铜尾矿环保砖性能的影响，将正交试验得到的最佳配比的固化剂分别按原料总量的10%、15%、20%、25%与超细铜尾矿混合均匀制备超细铜尾矿环保砖试件，通过测试试件抗压强度和软化系数，并对试验结果进行分析得出最佳固化剂掺量，取最佳掺量组的超细铜尾矿环保砖进行放射性检测和抗冻融性测试。1.2.3 超细铜尾矿环保砖试件制备首先将超细铜尾矿在105 下烘干至恒重，再将其与固化剂按设计的比例混合，接着按液固比0.14 比例加水搅拌，将搅拌均匀的混合料装入定制的模具中，大约200g，最后利用压力机在55kN压力下压制成型，成型后马上脱模，即制得超细铜尾矿环保砖试件，试件的尺寸为55mm50mm36mm。将脱模后的试件送入（202）、相对湿度95%的标准养护室养护，用于超细铜尾矿环保砖的性能测试。1.2.4 性能测试方法（1）抗压强度：当铜尾矿环保砖试件养护至7d和28d龄期时，测试其抗压强度。（2）软化系数：将超细铜尾矿环保砖试件养护至7d、28d龄期，分别测试其气干状态下的抗压强度 R0，再分别将同龄期的试件在水中浸至24h，待吸水饱和后，擦干试件表面水分使其处于饱和面干状态，测试其抗压强度 R1。按式（1）计算超细铜尾矿环保砖试件的软化系数：（1）（3）抗冻融性能测试：取固化剂掺量最佳且养护至28d的那组超细铜尾矿环保砖试件先浸泡4d，接着在-15 的冷冻室放置4h，再将超细铜尾矿环保砖试件置于温度在15 25水中融化约2h，这一过程即为一个冻融循环。在经过5 个冻融循环后取出超细铜尾矿环保砖试件并测试质量损失。本试验参照 JC 422-2007 非烧结垃圾尾矿砖。每组用于测试的超细铜尾矿环保砖试件为10 块，其中，一半试件进行冻融循环的抗冻性试验，另一半放在标准养护室中进行养护。经过冻融循环试验后，超细铜尾矿环保砖试件的质量损失按式（2）计算：（2）式中，Km:质量损失率，%；m1:冻融前的质量，kg；m2:冻融后的质量，kg。（4）按照 GB 6566-2010 建筑材料放射性核素限量 测试放射性。1.2.5 机理分析取固化剂掺量最佳的那组超细铜尾矿环保砖在养护28d后在105 下烘干，取一定量磨细后采用 X射线衍射（XRD）分析其主要矿物组成，从而分析超细铜尾矿养环保砖的固化机理。2 结果与讨论2.1 固化剂研究结果及分析将超细铜尾矿环保砖试件养护至规定龄期后，测得其抗压强度结果见表3，并对抗压强度数据进行极差分析，见表4，为了方便分析各因素下不同水平的强度变化趋势，故将表4 的数据转化成图1 所示。江西建材试验与研究202023年1 月表3 正交试验强度结果试验组编号ABCD石英粉/%7d抗压强度/MPa28d抗压强度/MPa111113312.319.7212222113.020.531333914.018.9421231915.520.2522311413.521.4623121616.720.6731321316.922.1832131417.520.393321815.821.0 表4 抗压强度极差分析指标水平ABCD最优配比及因素影响程度排序7d抗压强度k113.10 14.90 15.50 13.87 k215.23 14.67 14.77 15.5