尾礦作水泥混合材的研究現(xiàn)狀
作者：admin 發(fā)布日期：
2023-02-02
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尾礦用作水泥混合材是近年來尾礦大宗利用的研究熱點(diǎn)之一，2014 年由福建省新創(chuàng)化建科技有限公司、三明市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所等單位聯(lián)合起草的福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《用 于水泥和混凝土中的尾礦微粉》在福州通過審定，標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定了用作水泥混合材的尾礦的相關(guān)指標(biāo)及試驗(yàn)方法等，這 表明尾礦作為一種二次資源已經(jīng)逐漸得到了認(rèn)可。根據(jù) GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》，尾礦用作水泥混合材首先要滿足混合材的基本要求，燒失量不大于 10%，三氧化硫含量不大于3.5%，放射性合格等。 目前用作水泥混合材研究的尾礦按其成分主要包括 硅質(zhì)尾礦、高鈣尾礦、黏土類尾礦和復(fù)成分尾礦。 硅質(zhì)尾礦主要成分是 SiO2，約占 60%～80%，含有一定量的 Al2O3，礦物組成以石英、長(zhǎng)石，云母等為主。硅質(zhì)尾 礦用作水泥混合材多采用機(jī)械活化的方法。 焦向科等將提釩過程中產(chǎn)生的高硅尾礦與硅酸鹽水泥熟料混合，通過機(jī)械球磨的方式提高其活性，其中尾 礦中 SiO2 含量為 64．17%，Al2O3 含量為 10．27%。研究發(fā) 現(xiàn)，機(jī)械粉磨可以提高尾礦的活性，同時(shí)認(rèn)為硅酸鹽水泥 熟料水化產(chǎn)生的 Ca( OH) 2 通過液相擴(kuò)散到尾礦表面，與其發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，當(dāng)有石膏 存在時(shí)，隨及形成鈣礬石。但是由于尾礦的水化活性較純硅酸鹽水泥熟料要低，故增加釩尾礦的摻量會(huì)導(dǎo)致水泥凝 結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)和強(qiáng)度的降低，在釩尾礦的摻量為 30%、球 磨時(shí)間為 40 min 時(shí)，水泥的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度均達(dá)到 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中規(guī)定的 32．5R 復(fù)合硅 酸鹽水泥的要求。 倪明江等選用燒失量不大于 10%，三氧化硫含量不 大于 3．5%的六種金屬尾礦進(jìn)行了活性指數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)六種金屬尾礦的活性指數(shù)均在 68.7%～76.5%之間，單從 28 d 抗壓強(qiáng)度指標(biāo)來看，屬于活性混合材。認(rèn)為金屬尾礦 反應(yīng)活性源于粉磨過程外部能量轉(zhuǎn)化成顆粒的表面能，使 表面呈現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，其中活性 SiO2 組分與水化鋁酸鈣生成 了水化石榴子石。 周梅等研究了排山樓金礦尾礦渣在水泥和混凝土 中的應(yīng)用，得出水泥中摻入 22%～28%的尾礦渣可以制成 尾礦渣硅酸鹽水泥，同時(shí)采用正交試驗(yàn)研究了水泥、石膏、 尾礦粉不同配比對(duì)尾礦渣水泥抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)尾礦 渣作摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)等同于粉煤灰和自然煤 矸石粉，當(dāng)尾礦渣∶ 普通硅酸鹽水泥∶ 石膏 = 22∶ 74∶ 4 時(shí)，可 制備出 42.5 強(qiáng)度等級(jí)水泥。 楊本武等選用 SiO2 含量為 71．80%，Al2O3 含量為 12．02%的珍珠巖尾礦進(jìn)行了水泥混合材應(yīng)用研究，測(cè)得其 28 d 活性指數(shù)為 73%，且火山灰性試驗(yàn)合格，可以用作活 性水泥混合材，并認(rèn)為珍珠巖顆粒中活性 SiO2、Al2O3 在 水泥提供的堿性環(huán)境中不斷地溶出，與 Ca2 + 離子發(fā)生反 應(yīng)，生成 C-S-H 凝膠和硫鋁酸鹽。 以上研究表明，硅質(zhì)尾礦用作活性水泥混合材具有一 定的可行性，機(jī)械粉磨產(chǎn)生的機(jī)械力可以轉(zhuǎn)化成尾礦顆粒 的表面能，增加尾礦顆粒表面的活性質(zhì)點(diǎn)數(shù)，這些無定型 質(zhì)點(diǎn)在水泥水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境下可以溶出并參與反應(yīng)， 因此表現(xiàn)出一定的活性。 此類尾礦 CaO 含量相對(duì)較高，CaO 含量大于 10%，礦 物組成以方解石、石英以及硅酸鹽礦物為主，其成分更接 近于水泥熟料，因此具有一定的可行性，也是用于水泥混 合材研究較早的尾礦之一。 祝振奇進(jìn)行了黃金尾礦作復(fù)合水泥混合材的試驗(yàn) 研究，該尾礦以 SiO2 和 CaO 為主要成分，將其分別粉磨至比表面積為 314、347、401 m2 /kg 時(shí)，對(duì)應(yīng)活性指數(shù)分別到 達(dá)了 68．5%、69．8%、72.9%，在復(fù)合水泥中替代 6%的粉煤 灰時(shí)對(duì)水泥強(qiáng)度影響不大，而且能夠縮短水泥凝結(jié)時(shí)間。 毛裕均等將磁鐵礦尾礦用作水泥混合材，尾礦主要 成分為 SiO2 和 CaO，兩者之和大于 50%，氧化鎂含量也較 高，達(dá) 10%以上，另外還含有一定量的 Al2O3、Fe2O3、SO3 等成分。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 28d 活性指數(shù)達(dá)到 66%，且火山灰性 試驗(yàn)合格，可以用作活性水泥混合材。 唐達(dá)高對(duì)某銅尾礦用作活性水泥混合材的可行性 進(jìn)行了分析，所用銅尾礦 SiO2 含量為 44．36%，氧化鈣含量 為 21．17%，并含有一定量的 Al2O3、Fe2O3、MgO，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 該銅尾礦的活性指數(shù)為 73．65%，但還有待判斷其火山灰 性試驗(yàn)是否合格。 對(duì)于這類尾礦的研究可以看出，高鈣尾礦也具備用作 活性水泥混合材的可行性，但是上述研究并未對(duì)尾礦中 CaO 含量的高低與尾礦活性指數(shù)之間的關(guān)系做出分析。 黏土由多種水合硅酸鹽和一定量的氧化鋁、堿金屬氧 化物和堿土金屬氧化物組成，并含有石英、長(zhǎng)石、云母及硫 酸鹽、硫化物、碳酸鹽等雜質(zhì)，如高嶺土、蒙脫石、水鋁英石 等。含黏土類尾礦多采用熱活化工藝進(jìn)行活化，在一定的 溫度下，尾礦中的黏土類礦物脫水發(fā)生結(jié)構(gòu)改變形成不穩(wěn) 定相態(tài)，從而具有一定的反應(yīng)活性。 崔崇等對(duì)生產(chǎn)硫酸鋁排除的尾渣進(jìn)行了水泥混合材試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱活化溫度在 700～1 000 ℃ 范圍內(nèi)，鋁渣中的主要礦物高嶺土，其層狀結(jié)構(gòu)中的羥基不斷脫水，而形成介穩(wěn)相－偏高嶺土，偏高嶺土結(jié)晶度低，反應(yīng)活性較高，測(cè)得28d活性指數(shù) ＞ 84%，遠(yuǎn)超過 GBT 2847—2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》中的活性指數(shù)不小于65%的要求。 付凌雁等研究發(fā)現(xiàn)鋁土礦尾礦本身沒有活性，但是通過熱活化，尾礦中的黏土類礦物( 主要為一水硬鋁石、高 嶺石、伊利石) 可以轉(zhuǎn)變成亞穩(wěn)態(tài)的鋁硅酸鹽礦物，具有偏 高嶺土的活性特征，XRD 也顯示經(jīng)煅燒后的尾礦中部分 礦物衍射峰消失或減弱，說明有介穩(wěn)態(tài)和非晶質(zhì)物質(zhì)生成。 以上研究可以看出，物相轉(zhuǎn)變是熱活化黏土類尾礦的 關(guān)鍵，對(duì)尾礦進(jìn)行熱重分析或檢測(cè)不同溫度下尾礦成分變 化，找到特定的活化溫度，即不穩(wěn)定相系形成的溫度。溫度 過低，原物相無法分解; 溫度過高，又會(huì)生成新的穩(wěn)定結(jié)晶 相。 復(fù)成分尾礦不具備上述三類尾礦的特性，SiO2 含量一般在 40%～60%之間，礦物組成復(fù)雜，通常以鈣、鎂和鐵硅 酸鹽礦物居多。 牟善彬等將某銅浮選尾礦砂加入適量石灰，經(jīng)攪 拌、成型，在 0．8 MPa、175 ℃下蒸壓制成產(chǎn)品，并對(duì)其用作 水泥混合材進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其活性指數(shù)高達(dá) 75.4%，但 其火山灰性試驗(yàn)不合格，因此認(rèn)為并無水硬活性，可以作 為晶種、微集料非活性材料。 許小榮等對(duì)某銅尾礦用作水泥混合材進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該尾礦屬于復(fù)成分型尾礦，發(fā)現(xiàn)其活性指數(shù)達(dá) 73.9%，且火山灰性合格，因此該尾礦可以用作活性水泥混 合材。 盧忠遠(yuǎn)等利用石棉尾礦或蛇紋巖石做水泥混合 材，可以部分或全部取代其他水泥混合材生產(chǎn)的各種水 泥。石棉尾礦或蛇紋石中主要含結(jié)晶水的硅酸鎂礦物，用 它作水泥混合材可產(chǎn)生一定的晶核誘導(dǎo)作用，對(duì)水泥的水 化、硬化有一定的促進(jìn)作用。 以上研究表明尾礦不..一定的活性，而且體現(xiàn)出了 水泥混合材所具有的微集料效應(yīng)和顆粒效應(yīng)。無論是哪種 尾礦，必須同時(shí)進(jìn)行活性指數(shù)試驗(yàn)和火山灰性試驗(yàn)，均滿 足 GBT 2847—2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》 要求時(shí)才能用作活性混合材，缺一不可，否則只能用作非 活性材料。 為進(jìn)一步提高尾礦活性，提高尾礦摻量以及尾礦在水 泥或混凝土中的應(yīng)用性能，一般需要配合激發(fā)劑使用。彭其雨等采用機(jī)械粉磨及化學(xué)激發(fā)相結(jié)合的方法制備 出了尾礦水泥活性混合材，活性指數(shù)高達(dá) 83.9%～93.6%， 采用的激發(fā)劑為主要成分為聚羧酸醇胺型高分子的尾礦 專用激發(fā)劑。付凌雁采用早強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3%的硅酸鈉和1%的氯化鐵作為激發(fā)劑，尾礦活性指數(shù)到達(dá) 78%，但是 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)早強(qiáng)劑是加速了水泥的水化，對(duì)尾礦的作用效果 甚微。 水泥混合材除了具有火山灰效應(yīng)外，還具有微集料效 應(yīng)和顆粒效應(yīng)，因此尾礦粒級(jí)大小對(duì)其性能有較大的影 響。耿碧瑤等研究發(fā)現(xiàn)提高 8.39～4.24 μm 粒級(jí)尾礦產(chǎn) 率有利于提高水泥膠砂的流動(dòng)度和膠砂試塊的強(qiáng)度。此 外，尾礦混合材水泥的制備方式也極為重要，由于物料之 間易磨性的差異，不合理的粉磨工藝可能會(huì)造成成品顆粒 匹配不合理的現(xiàn)象，分為尾礦和水泥熟料共同粉磨、尾礦 和水泥單獨(dú)粉磨、尾礦和水泥單獨(dú)粉磨后再混磨。李生釘 等將料中間產(chǎn)物和尾礦微粉中間產(chǎn)物混合粉磨，粉磨至 800～400m2/kg，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)粉磨后再混磨可以更好的調(diào)動(dòng)尾礦的潛在活性。(1) 目前有關(guān)尾礦成分與其火山灰活性之間的關(guān)系的研究很少，為更好的利用尾礦，應(yīng)探索尾礦中有益組分，去除有害成分。 (2) 雖然部分研究已經(jīng)證實(shí)尾礦可以用作活性水泥混合材，但是其活性仍然較低，應(yīng)深入研究提高尾礦活性方法，提高尾礦的利用率。
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