利用尾礦資源化生產(chǎn)建筑材料的研究

利用尾礦資源化生產(chǎn)建筑材料的研究

礦產(chǎn)資源是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的用量日益增加。中國90%以上的能源和80%左右的工業(yè)資源來自礦產(chǎn)資源。在礦產(chǎn)資源開發(fā)生產(chǎn)過程中,產(chǎn)生了大量尾礦,在工業(yè)化初始階段,經(jīng)濟(jì)實(shí)力不足,環(huán)境保護(hù)意識(shí)淡薄,許多礦渣未經(jīng)任何處理便被運(yùn)往郊外露天堆放,占用大量土地,污染環(huán)境。截止2011年,我國有8000多座礦山,累計(jì)產(chǎn)生尾礦70億t,占地2萬km2以上,每年仍以5億t的速度在增長。目前,我國非常重視環(huán)保和安全,尾礦資源化利用既能減少尾礦本身對(duì)環(huán)境的破壞,又能減少開采天然砂對(duì)環(huán)境的破壞,還能減少尾礦庫安全隱患。此外,部分礦山礦石品位逐年降低,礦山企業(yè)生存日漸艱辛,尾礦的資源化利用,對(duì)于維持企業(yè)發(fā)展,維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定具有積極作用。因此,我國非常重視也正在努力推進(jìn)尾礦的資源化利用,如財(cái)稅字44號(hào)、20號(hào)、國經(jīng)貿(mào)字809號(hào)文規(guī)定:對(duì)企業(yè)生產(chǎn)原料中摻有不少于30%的煤矸石、石煤、粉煤灰及其他工業(yè)廢渣生產(chǎn)的建材產(chǎn)品,免征增值稅,用實(shí)際政策鼓勵(lì)尾礦的資源化利用。尾礦資源化利用的途徑主要是從尾礦中回收金屬與非金屬元素、制作建筑材料、磁化尾礦作土壤改良劑以及尾礦整體利用回填采空區(qū)等幾個(gè)方面。其中,由于我國土木工程建設(shè)如火如荼,建筑材料用量大,用尾礦生產(chǎn)建筑材料消耗礦渣的數(shù)量最大。在建筑材料中應(yīng)用的礦渣以活性礦渣為主,或者是通過煅燒等方法激活礦渣再用作膠凝材料,這些技術(shù)消耗了大量的礦渣。另外還有相當(dāng)一部分礦渣是瘠性材料,沒有活性或者活性很小。鑒于我國人均土地少,山石、礦砂匱乏的問題,這些瘠性礦渣可用作建筑材料的填充料,既能減少固體廢棄物,又能節(jié)約山石礦砂,實(shí)現(xiàn)“廢物資源化”。本研究對(duì)我國應(yīng)用資源化利用瘠性尾礦生產(chǎn)建筑材料的研究和成功應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和展望,主要包括制磚、用作混凝土骨料、生產(chǎn)加氣混凝土幾個(gè)方面?？晒┪驳V管理與安全保障、礦山環(huán)境保護(hù)、建材生產(chǎn)等行業(yè)人員參考。1尾礦砂作建筑磚和蒸壓磚“秦磚漢瓦”在我國延續(xù)了2000年的歷史,但是磚在生產(chǎn)過程中大量消耗耕地資源,在人均耕地不足的我國可利用的地表黏土資源越來越少,部分省份已經(jīng)明確不得生產(chǎn)和使用黏土磚,行業(yè)生存危機(jī)越來越明顯,急需尋求替代原料,大量賦存的各類尾礦成為首選替代資源。李國昌等將黃金尾礦用于燒制透水磚,所用黃金尾礦礦物成分主要是石英、斜長石和鉀長石,摻加30%以下的煤矸石、膨潤土或黏土,采用壓制和擠出2種成型工藝。在50MPa壓力下壓制成型后,在1250℃下進(jìn)行燒制,燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度均在60MPa以上,抗折強(qiáng)度均在10MPa以上,完全符合建材規(guī)范要求。通過配方研究發(fā)現(xiàn)壓制成型工藝適宜原料配比為尾礦82%、煤矸石10%、膨潤土8%、高分子聚合物0.1%;擠出成型工藝適宜原料配比為尾礦75%、煤矸石10%、黏土15%、高分子聚合物0.1%。尹洪峰等將邯邢鐵礦的尾礦用于燒結(jié)建筑磚,其主要礦物為方解石、透輝石和綠泥石,壓制成型后在1000~1150℃下燒結(jié),燒結(jié)磚體積密度與一般黏土磚相近,抗壓強(qiáng)度均在20MPa以上,試樣泛霜試驗(yàn)合格,抗冷凍性好,顏色為淡黃色,一致性好,完全可以用作MU10以上標(biāo)號(hào)的建筑磚。研究還發(fā)現(xiàn),采用擠出成型法,利用全尾礦完全可以制備出MU7.5和MU10建筑磚。除了燒結(jié)磚,蒸壓磚也可以資源化利用尾礦渣,柯昌君等利用主要礦物為石英砂的硫鐵尾礦,添加少量的石灰和鋼渣,在185℃下蒸養(yǎng),制備出強(qiáng)度大于10MPa的蒸壓磚,發(fā)現(xiàn)185℃飽和蒸汽壓下,硫鐵尾礦不具有水熱水化的能力,但能夠與石灰形成具有膠凝性能的水化產(chǎn)物。朱敏聰、ZhaoFengqing等利用SiO2含量相對(duì)較高(>45%)的尾礦砂成功制作了蒸壓磚。方永浩等則用SiO2含量小于35%的南京九華山銅尾礦,通過摻加35%以下的河砂粉,在175~190℃下蒸壓,制備各項(xiàng)性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MU15級(jí)銅尾礦蒸壓灰砂標(biāo)準(zhǔn)磚。此外,還有研究者將礦渣用作燒結(jié)磚的輔料,顧炳偉發(fā)現(xiàn)在海淤燒結(jié)磚中添加15%左右的磷礦渣,既能提高燒結(jié)磚的強(qiáng)度,還能縮短干燥時(shí)間,減少炸坯。田安國等研究發(fā)現(xiàn)在砌塊中添加15%左右的磷礦渣,砌塊強(qiáng)度能提高10%。這些成功案例的主要成果匯總?cè)绫?所示。(1)資源化利用尾礦砂生產(chǎn)磚完全可行,既可以用作主料,也可以用作輔料改善性能,既可以生產(chǎn)燒結(jié)磚,也可以生產(chǎn)蒸壓磚。(2)抗壓強(qiáng)度達(dá)到60MPa的尾礦磚的成功研制表明尾礦砂磚的性能能夠達(dá)到甚至超過普通黏土磚。(3)硅含量較高的尾礦砂適宜于生產(chǎn)蒸壓磚。(4)尾礦砂的黏性對(duì)制磚有很大影響。若用做主料,在黏性適合時(shí)直接燒結(jié),在黏性偏弱時(shí)應(yīng)添加黏土、膨潤土等,在黏性太強(qiáng)時(shí)應(yīng)添加河砂粉、煤矸石等。若用作摻加料,當(dāng)黏性偏弱時(shí)可用作砂性土、煤矸石等的摻加料,當(dāng)黏性太強(qiáng)時(shí)可用做黏土、膨潤土等的摻加料。(5)尾礦砂成分性能各異,使用前應(yīng)在分析基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn),找到適宜的生產(chǎn)配方和工藝參數(shù)。2尾礦砂混凝土混凝土是現(xiàn)代建筑中的主要材料,砂漿是墻體和構(gòu)筑物砌筑、抹灰的主要材料,它們都需要大量的細(xì)集料———砂子。由于砂子在混凝土和砂漿中僅起填充替代作用,利用瘠性尾礦替代傳統(tǒng)的砂子作為細(xì)集料,完全可行。馬鋼姑山鐵礦是我國較早利用尾礦作建筑材料的礦山,該礦每年排出強(qiáng)磁尾礦,主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁,其中粗粒級(jí)尾礦質(zhì)均、潔凈,不含云母、硫酸鹽和硫化物等有害雜質(zhì),結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬,用作砂漿和混凝土細(xì)集料后,砂漿和混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度均得到提高。陳家瓏等用三河礦和鳳山礦的尾礦砂配制了C30~C60混凝土。2002年11月,首鋼遷安礦在一個(gè)擋土墻工程中完全使用尾礦人工砂石科學(xué)配制了泵送混凝土,每方混凝土節(jié)省2t外購天然砂石、150kg水泥,節(jié)約成本40元。這次成功應(yīng)用后,尾礦人工砂石混凝土成為該礦基本建設(shè)工程主要材料。蔡基偉等利用尾礦石和尾礦砂分別作粗細(xì)集料可以配制C70以下的泵送混凝土,由于鐵尾礦砂顆粒粗糙、棱角多,尾礦砂混凝土流動(dòng)性差,易于離析、泌水,使用了活性摻合料優(yōu)化后可以解決。鄧初首等發(fā)現(xiàn)用42.5級(jí)水泥,內(nèi)摻20%礦渣微粉,外摻15%Ⅱ級(jí)粉煤灰和1%高效減水劑,水膠比分別為0.52和0.42,砂率分別為41%和39%,在鐵尾礦砂以20%、40%、60%、80%和100%的比率取代天然砂時(shí),均能配制出和易性與強(qiáng)度都能滿足要求的C30、C40大流動(dòng)性混凝土。鄭永超等將主要礦物成分為石英、斜長石、角閃石和赤鐵礦的鐵尾礦磨細(xì)后生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土,尾礦用量70%,水膠比0.15~0.17,添加少量減水劑,試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到100MPa以上,完全達(dá)到高強(qiáng)混凝土的要求。這些成功案例的主要成果匯總?cè)绫?所示?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論:(1)資源化利用尾礦砂生產(chǎn)混凝土完全可行,通常用作細(xì)骨料,大顆粒的也可用作粗骨料。(2)抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C100的尾礦砂混凝土的成功研制表明尾礦砂混凝土的性能能夠達(dá)到甚至超過混凝土。(3)尾礦砂多為棱角狀顆粒,有利于混凝土的強(qiáng)度,但不利于混凝土的保水性,使用時(shí)應(yīng)加以注意。(4)尾礦砂成分、粒度各異,使用前應(yīng)進(jìn)行分析,并開展配方試驗(yàn),找到適宜的生產(chǎn)配方、工藝參數(shù)和產(chǎn)品混凝土的最佳性能。3尾礦砂加固混凝土加氣混凝土是一種保溫隔熱的新型墻體材料,密度僅有黏土磚的1/3、混凝土的1/5,具有良好的保溫性能和耐火性,目前框架結(jié)構(gòu)填充墻常用加氣混凝土砌塊砌筑。加氣混凝土是利用硅基材料和以石灰為主的鈣基材料在180℃左右的溫度下反應(yīng)生成膠結(jié)物,從而具有需要的強(qiáng)度。因此,含硅量較高的尾礦砂即可代替目前常用的河沙生產(chǎn)加氣混凝土,含鈣量較高的尾礦砂有時(shí)能代替石灰生產(chǎn)加氣混凝土,實(shí)現(xiàn)尾礦渣資源化利用。李方賢等利用SiO2含量62%、Al3O2含量14%的鉛鋅尾礦制備了加氣混凝土,水泥∶混灰∶鉛鋅尾礦∶鋁粉∶外加劑為1∶1.5∶3∶0.005∶0.005,摻量2%的膨潤土,自然養(yǎng)護(hù)后密度為600kg/m3左右,強(qiáng)度達(dá)到3MPa,在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度還有一定的提升空間。杜輝利用高硫石油焦脫硫渣作為鈣質(zhì)材料,采用磨細(xì)天然砂作為硅質(zhì)材料生產(chǎn)出了B07級(jí)加氣混凝土,抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.88MPa;采用粉煤灰作為硅質(zhì)材料生產(chǎn)出了B06級(jí)加氣混凝土,抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.98MPa。李杰利用65%的磷尾礦、26.4%的生石灰、6%的水泥、2.6%的石膏、0.14%的鋁粉、0.64的水料比制作了大摻量磷尾礦加氣混凝土,強(qiáng)度達(dá)到3MPa。通過微觀分析發(fā)現(xiàn)其主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣、托貝莫來石和水化石榴石。磷尾礦加氣混凝土孔壁結(jié)構(gòu)均勻密實(shí),結(jié)構(gòu)體系優(yōu)良,是一種合格的加氣混凝土產(chǎn)品。綜上,尾礦砂加氣混凝土研究時(shí)間比較短,與在磚和混凝土中的應(yīng)用相比成果相對(duì)較少,雖然合格的產(chǎn)品已經(jīng)基本達(dá)到,但優(yōu)質(zhì)品的研制尚需努力。在配方設(shè)計(jì)時(shí)鈣基和硅基的比例至關(guān)重要。4尾礦作土不利用的原因(1)對(duì)資源化利用瘠性尾礦生產(chǎn)建筑材料的實(shí)例進(jìn)行歸納可以發(fā)現(xiàn),“垃圾是放錯(cuò)地方的資源”,瘠性的礦渣也能夠很好地用于建筑材料生產(chǎn),包括燒結(jié)磚、蒸壓磚、混凝土、加氣混凝土等。只要在尾礦基本性質(zhì)認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上研討適宜的資源化利用方式,尾礦就能變成生產(chǎn)建筑材料的好資源。(2)很多人存在一個(gè)誤解,“廢物再生生產(chǎn)的東西不好”,這是制約尾礦再生利用的重