不同細度鋰輝石尾礦粉對水泥膠砂的性能影響及再利用試驗研究

周宇軒 祝小靚 傅瓊華 金志成

(1河海大學，江蘇 南京 210029；2江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029)

尾礦是礦石精煉篩選之后排放的廢棄礦渣。隨著尾礦量的增大，尾礦壩失事的事件越來越多，這不僅占用大量土地資源，也對農田、水源等生態環境造成巨大的污染。尾礦的回收利用和綜合治理迫在眉睫。

在可持續發展已經深人人心的今天，對于工業廢渣的利用受到越來越多人的關注。礦渣、鋼渣和粉煤灰是工業廢渣的重要組成部分，將這些廢渣作為水泥混合材料或者混凝土摻合料使用，對于治理工業廢渣以及環境保護都有重要的意義。目前已有很多關于尾礦廢棄物的應用研究，主要有三個方面：1.尾礦渣加工成建筑材料；2.回收提取有價元素；3.礦廠采空區的填充和尾礦庫復墾[1-2]。

本試驗對江西西部資源鋰業有限公司的鋰輝石尾礦砂經研磨加工成粉，研究不同細度及不同水泥替代率對水泥膠砂的工作性能和力學性能的影響來確定鋰輝石尾礦粉的合理替代率[3]。

1 試 驗

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥P.O42.5海螺水泥

2）ISO標準砂

3）鋰輝石尾礦粉

1.2 試驗方案

本試驗將不同細度的鋰輝石尾礦粉，分別按不同比例摻配后替代部分水泥進行膠砂的制備及性能研究試驗。

水泥膠砂制備按照GB/T17671相關規定進行。根據不同細度、不同摻量分7組試驗，每組做兩次，比較7d及28d的抗壓強度，不摻尾砂的作為基準對比膠砂，同樣需做兩次。

表1 水泥膠砂配合比

按照GB/T2419和GB/T17671規定的方法進行試驗，分別測定水泥膠砂的流動度和抗壓強度。得到試驗數據，分析不同細度和不同摻量對水泥膠砂的性能影響。

2 鋰輝石尾礦粉的性能分析

2.1 基本性能

粗粉的細度69.4%(篩余45μm)，含水量0.2%，燒失量1.47%，比表面積103m2/kg；

細粉的細度3.4%(篩余45μm)，含水量0.4%，燒失量1.41%，比表面積361m2/kg；

2.2 化學成分

鋰輝石尾礦化學主要成分見表2。

表2 鋰輝石尾礦化學主要成分

2.3 性能分析

細粉的性能基本滿足JG/T 315—2011《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質材料》的規范要求，粗粉細度不滿足要求，當摻量在30%時摻粗粉和細粉的28d活性指數均不達標。

3 結果與討論

3.1 試驗結果

試驗結果見表3。

表3 試驗結果

3.2 不同細度不同替代率下水泥膠砂的流動度

由圖1可知，隨著鋰輝石尾礦粉的替代率的增加，水泥膠砂的流動度明顯降低；細的尾礦粉制成的水泥膠砂流動性比粗粉的要好。從流動度比可以看出，細粉在三種替代率下都能達到90%，滿足規范要求；粗粉替代率增加到20%時，流動度大幅降低，膠砂的形狀展開不均勻，和易性不好。

由于尾礦粉是由尾砂經研磨加工制成的，粗尾礦粉細度模數偏大，含有較多疏松多孔的玻璃體和石粉，這些不規則的玻璃體和石粉表面粗糙，孔隙多，導致需水量增大，由于每組試驗的用水量一樣，導致粗尾礦粉制備的膠砂流動度大幅下降[4]。隨著替代率的增加，意味著一部分的膠凝材料變成了細顆粒和石粉，且石粉又具有一定的減水作用，由于用水量不變，這是水泥膠砂的流動度隨著尾礦粉替代率的增加而降低的作用機理。因此，從水泥膠砂的流動度來看，尾礦粉的替代率不應超過20%。

圖1 不同替代率膠砂流動度

3.3 不同細度不同替代率下水泥膠砂的7d抗折抗壓強度

圖2 不同替代率7d抗折強度

圖3 不同替代率7d抗壓強度

由圖2、3可知，隨著鋰輝石尾礦粉的替代率的增加，水泥膠砂的7d抗折抗壓強度逐漸下降，摻細粉的水泥膠砂強度總體上高于摻粗粉的。當摻量增加到20%時，強度的下降幅度變大，且摻粗粉的水泥膠砂強度下降幅度更大。

細尾礦粉比表面積大，活性高，具有較多的表面光滑致密的顆粒玻璃體，能夠通過堆積和填充作用提高膠砂試件的抗壓強度。粗尾礦粉含不規則的玻璃體和石粉，表面粗糙，孔隙多，導致膠砂強度較低[5]。

由于尾礦粉的組成成分比較穩定，表面又相當致密，不易水化，在水泥水化7d后的尾礦粉顆粒表面上幾乎沒有變化，略有膠凝狀的水化產物出現[6]。可見摻尾礦粉的水泥膠砂早期強度都偏低，隨著齡期的增長逐漸接近標準水泥膠砂的強度。

3.4 不同細度不同替代率下水泥膠砂的28d抗壓強度

圖4 不同替代率28d抗折強度

圖5 不同替代率28d抗壓強度

由圖4、圖5可知，水泥膠砂的28d抗折抗壓強度也是隨著鋰輝石尾礦粉的替代率的增加而逐漸下降，但是摻粗粉的水泥膠砂強度總體上高于摻細粉的，這與7d的強度有明顯區別，28d抗折抗壓強度相較于7d提高不少。

摻礦渣粉的水泥水化主要是熟料礦物的水化及礦渣粉與Ca(OH)2和CaSO4、的反應。水泥熟料水化后析出的Ca(OH)2作為礦渣粉的堿性激發劑與礦渣粉中的活性成分相互作用，生成纖維狀的水化硅酸鈣和鈣礬石等水化產物，隨著齡期的增長，逐步轉變成纖維狀晶體，數量不斷增加并相互交叉，形成連鎖結構，使后期強度得到較快的提高[7-8]。

隨著替代率的增加，膠砂的抗折抗壓強度均有下降，尤其是早期的強度，但同時折壓比明顯增大，7d折壓比比28d折壓比大，這有助于提高水泥膠砂的抗裂性能，尤其是早期的抗裂性能[9]。

4 結 語

本試驗通過分析鋰輝石尾礦粉的基本性能、化學成分研究把鋰輝石尾礦砂微粉用作混凝土摻合料的可能性。通過研究不同細度及不同替代率對水泥膠砂的工作性能和力學性能的影響來確定鋰輝石尾礦粉的合理替代率。得出以下結論：

1)隨著鋰輝石尾礦粉的替代率的增加，水泥膠砂的流動度明顯降低。從流動度比可以看出，細粉在三種替代率下都能達到90%，滿足規范要求；粗粉替代率增加到20%時，流動度大幅降低，膠砂的形狀展開不均勻，和易性不好。

2)水泥膠砂7d、28d的抗折抗壓強度隨替代率的增加逐漸下降，摻細粉的7d膠砂強度總體上高于摻粗粉的，但是摻粗粉的28d膠砂強度總體上高于摻細粉的；當摻量增加到20%時，強度的下降幅度變大，且摻粗粉的水泥膠砂強度下降幅度更大。28d抗折抗壓強度相較于7d提高不少；折壓比明顯增大，7d折壓比比28d折壓比大，這有助于提高水泥膠砂的抗裂性能，尤其是早期的抗裂性能。

3)從摻細粉的7d膠砂強度總體上高于摻粗粉的，摻粗粉的28d膠砂強度總體上高于摻細粉的結果可以看出，細粉有助于提高水泥膠砂的早期強度，細粉比表面積大，活性高，早期就能與水和水泥充分發生水化反應；而摻粗粉的水泥膠砂早期強度低，28d后強度有明顯提升，與粉煤灰的性能很相似。粗粉發生水化反應比水泥慢，被粗粉取代的那部分水泥的早期強度得不到補償，膠砂早期強度降低。隨著時間的推移，粗粉中活性部分SiO2和AI2O3與水泥水化生成的Ca(OH)2發生反應，生成大量水化硅酸凝膠[10-11]，促進了后期強度的增長。

4)綜合分析后得出，粗粉替代率應該小于20%，細粉替代率在此研究范圍內根據實際應用所需強度等級來定。此時膠砂的工作性能良好，力學性能比較理想。

[1]常前發.我國礦山尾礦綜合利用和減排的新進展[J].金屬礦山 ,2010(3):1-5+61.

[2]黃弘，唐明亮，沈曉冬，等.工業廢渣資源化及其可持續發展(II)一與水泥混凝土工業相結合走可持續發展之路[J].材料導報，2006,5(20):455-458.

[3]孫小衛,張民福,張輝旭,張金青,邱長青.利用鋰輝石尾礦研制低膨脹微晶玻璃[J].中國陶瓷工業,2009,16(03):5-7+4.

[4]孟濤，錢曉倩，詹樹林，等.含有復合膠凝材料的混凝土力學性能及其微觀結構機理分析[J].浙江大學學報，2002,36(5):553一558.

[5]陳靜君,李巍,呂科智.礦渣粉細度對其物理性能影響研究[J].水泥,2014,(09):9-13.

[6]馬雪英.硅質鐵尾礦粉用作混凝土摻合料的應用研究[D].清華大學,2013.

[7]周美茹，朱曉麗.礦渣微粉和粉煤灰復合配置混凝土的研究與應用[J].混凝土，2006(1):90-92.

[8]楊華全，覃理利.摻礦渣微粉和粉煤灰的水泥膠砂性能試驗研究[J].長江科學科學院院報，2001,18(1):16-19.

[9]郁軍.摻礦渣粉和粉煤灰的水泥膠砂力學性能研究[J].《建材技術與應用》,2007(2):15-17

[10]閻培渝.粉煤灰在復合膠凝材料水化過程中的作用機理[J].硅酸鹽學報,2007,(S1):167-171.

[11]范蓮花.礦渣微粉摻合料對混凝土性能的影響[D].西安建筑科技大學,2007.