利用金尾礦生產(chǎn)加氣混凝土的性能優(yōu)化試驗(yàn)研究

陳鰲聰

(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司廈門分公司，廈門 361102)

金尾礦是含金礦石經(jīng)選礦選出有價(jià)成分后的副產(chǎn)品，大量金尾礦的堆存不僅造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，存在安全隱患[1]。蒸壓加氣混凝土是一種輕質(zhì)多功能環(huán)保型建筑材料，具有質(zhì)輕、保溫、隔熱、隔音、抗震防火、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。而尾礦具有作為蒸壓加氣混凝土的原材料之一的潛在特征，還未被廣泛利用[2]。近年來(lái)有學(xué)者提出了加強(qiáng)礦山源頭治理，建設(shè)“無(wú)尾礦山”的理念，并對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，如李杰[3]以湖北宜昌某磷尾礦為原料，制備出符合國(guó)家A4.0標(biāo)準(zhǔn)的加氣混凝土砌塊。杜輝等人[4]以沂南地區(qū)的某尾礦為原料，制備出干密度與強(qiáng)度均滿足 GB11968—2020標(biāo)準(zhǔn)的加氣混凝土砌塊。

該研究利用金尾礦替代傳統(tǒng)的河砂資源作為硅質(zhì)材料，通過(guò)對(duì)金尾礦進(jìn)行浮選脫硫、粉磨激發(fā)其活性，使其滿足生產(chǎn)加氣混凝土對(duì)原料的要求；以水泥、石灰作為混合鈣質(zhì)材料，制備尾礦加氣混凝土砌塊，其研究結(jié)果為黃金尾礦變廢為寶，實(shí)現(xiàn)其再資源化的綜合利用找到了一條非常有效的途徑[5]。

1 試驗(yàn)材料

1.1 硅質(zhì)材料

試驗(yàn)采用的硅質(zhì)材料為山東某黃金礦山尾礦。該尾礦主要礦物為石英、長(zhǎng)石、絹云母和霞石等，性質(zhì)比較穩(wěn)定。化學(xué)成分以 SiO2為主，尾礦中有害元素硫(S)含量較高，會(huì)降低加氣混凝土制品的堿度環(huán)境，降低制品的強(qiáng)度和耐久性，因此需對(duì)其進(jìn)行脫硫，使硫含量<1%，才能滿足加氣混凝土對(duì)原材料的要求。金尾礦多元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 金尾礦的主要化學(xué)成分 /%

1.2 鈣質(zhì)及其他材料

1)石灰為中速消解石灰，活性CaO占65%左右，細(xì)度為200目篩篩余小于15%。

2)水泥為北京琉璃河水泥廠生產(chǎn)的PO 42.5普通硅酸鹽水泥。

3)發(fā)泡劑為分析純鋁粉，調(diào)節(jié)劑為天然石膏。

2 基本配合比及生產(chǎn)工藝

計(jì)量一定量的原材料脫硫尾礦、石灰、水泥、石膏等，將其混勻，加入熱水打漿混合均勻；加入鋁粉攪拌發(fā)泡后澆注入100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)模具中，再放入干燥箱中于65 ℃下靜停養(yǎng)護(hù)2 h；脫模后送入蒸壓釜中養(yǎng)護(hù)，蒸壓后的成品放置于干燥箱中于105 ℃烘干至恒重，然后進(jìn)行性能測(cè)試。具體工藝流程如圖1所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 金尾礦浮選脫硫試驗(yàn)

試驗(yàn)采用丁基黃藥為捕收劑，采用“三次粗選”浮選工藝除去尾礦中的硫，脫硫后尾礦含硫僅0.72%，滿足加氣混凝土對(duì)原材料含硫的要求。并采用脫硫后尾礦開(kāi)展加氣混凝土的性能優(yōu)化試驗(yàn)，后續(xù)對(duì)脫硫后金尾礦簡(jiǎn)稱“脫硫金尾礦”。

3.2 脫硫金尾礦細(xì)度對(duì)加氣混凝土性能的影響

尾礦細(xì)度對(duì)于料漿澆注穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用。試驗(yàn)固定脫硫金尾礦、石膏、水泥、石灰、鋁粉摻量分別為干物料總量的55%、3%、12%、30%、0.05%，水料比0.57。控制不同的脫硫尾礦磨礦時(shí)間分別為10 min、15 min、20 min、25 min、30 min，考察不同的脫硫金尾礦磨礦時(shí)間(即細(xì)度)對(duì)尾礦加氣混凝土性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度隨著脫硫金尾礦粉磨時(shí)間的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)變化；當(dāng)粉磨時(shí)間為15 min時(shí)，制品的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；當(dāng)粉磨時(shí)間為20 min時(shí)，制品的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度達(dá)到最大值5.06 MPa、9.25 MPa3·m/kg，繼續(xù)延長(zhǎng)粉磨時(shí)間制品強(qiáng)度反而下降。因此合適的粉磨時(shí)間為15～20 min，考慮能耗原因，確定最佳的粉磨時(shí)間為15 min，此時(shí)脫硫金尾礦的比表面積為0.76 m2/cm3。

3.3 脫硫金尾礦摻量對(duì)加氣混凝土性能的影響

試驗(yàn)固定石膏、鋁粉的摻量分別為干物料總量的3%、0.05%，水泥和石灰的摻量比為1∶2，水料比為0.57。不同摻量的脫硫金尾礦對(duì)加氣混凝土制品力學(xué)性能的影響結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 脫硫金尾礦摻量對(duì)加氣混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，隨著脫硫金尾礦摻量增加，制品的強(qiáng)度呈先增加后減少的趨勢(shì)；當(dāng)摻量到達(dá)55%時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度都達(dá)到最大值5.92 MPa、9.65 MPa3·m/kg，繼續(xù)增加脫硫金尾礦摻量，制品強(qiáng)度下降；因此確定合理的脫硫金尾礦摻量為55%。

3.4 石膏摻量對(duì)加氣混凝土性能的影響

試驗(yàn)固定初始脫硫金尾礦、水泥、石灰的摻量分別為干物料總量的59%、13.8%、27.2%，并隨著石膏的加入等比例減少，變化范圍為0～6%，鋁粉摻量為干物料總量的0.05%，水料比0.57，石膏摻量對(duì)尾礦加氣混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 石膏摻量對(duì)尾礦加氣混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，隨著石膏摻量的增加，制品強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)摻量到達(dá)3%時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度都達(dá)到最大值4.99 MPa、8.25 MPa3·m/kg，繼續(xù)增加石膏摻量，制品強(qiáng)度反而有減小趨勢(shì)。這是因?yàn)槭鄵搅窟^(guò)多，會(huì)導(dǎo)致靜停養(yǎng)護(hù)階段料漿的硬化速度減慢，坯體內(nèi)部形成的氣孔結(jié)構(gòu)不均勻，在蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)，因坯體內(nèi)外溫差或壓力差的變化，容易產(chǎn)生裂紋，不利于制品強(qiáng)度的發(fā)展。因此，確定合適的石膏摻量為3%。

3.5 水泥和石灰的摻量比對(duì)加氣混凝土性能的影響

水泥和石灰是利用尾礦制備加氣混凝土過(guò)程中的鈣質(zhì)材料，對(duì)前期坯體的硬化成型起到?jīng)Q定性作用。試驗(yàn)固定脫硫金尾礦、石膏、鋁粉摻量分別為干物料總量的55%、3%、0.05%；水料比為0.57，水泥和石灰的總量為干物料總量的42%，水泥和石灰的摻量比對(duì)尾礦加氣混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著水泥和石灰的摻量比增加，抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度均呈先增加后減少趨勢(shì)，在比值為0.56時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。因此確定合適的水泥和石灰比值為0.56，此時(shí)水泥的摻量為15%，石灰摻量為27%。

3.6 水料比對(duì)尾礦加氣混凝土性能的影響

試驗(yàn)固定脫硫金尾礦、石膏、水泥、石灰、鋁粉摻量分別為干物料總量的55%、3%、15%、27%、0.05%，水料比對(duì)尾礦制備加氣混凝土性能的影響結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，水料比過(guò)小或過(guò)大都會(huì)導(dǎo)致制品強(qiáng)度降低。當(dāng)水料比為0.56時(shí)，尾礦加氣混凝土制品的強(qiáng)度最高；水料比超過(guò)0.56時(shí)，制品強(qiáng)度快速下降。

3.7 綜合條件試驗(yàn)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)研究，確定脫硫金尾礦制備加氣混凝土最優(yōu)配合比為：脫硫金尾礦55%、水泥15%、石灰27%、石膏3%，水料比0.56。鑒于上述的試驗(yàn)結(jié)果建立在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證脫硫金尾礦加氣混凝土最優(yōu)配合比的合理性，按上述最優(yōu)配合比進(jìn)行試驗(yàn)，其蒸壓制度根據(jù)前期研究結(jié)果采用升溫時(shí)間為2 h，恒溫時(shí)間為8 h(此時(shí)恒溫溫度為185 ℃，恒溫壓力為1.35 MPa)，降溫時(shí)間為3 h，并將在此蒸壓制度條件下生產(chǎn)的制品制成100 mm×100 mm×100 mm試塊進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 最優(yōu)配合比生產(chǎn)的尾礦加氣混凝土制品性能測(cè)試結(jié)果

從表4可以看出，采用脫硫金尾礦所制備的尾礦蒸壓加氣混凝土砌塊符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11968—2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》對(duì)A5.0 B06級(jí)的技術(shù)要求，說(shuō)明采用脫硫金尾礦制備蒸壓加氣混凝土是可行的。

3.8 樣品XRD譜圖分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證脫硫金尾礦蒸壓加氣混凝土制品的良好性能，對(duì)采用最優(yōu)配比條件制備的樣品進(jìn)行XRD譜圖分析，見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出，該尾礦蒸壓加氣混凝土制品的水化產(chǎn)物主要為托貝莫來(lái)石、C-S-H凝膠、水石榴子石，還有反應(yīng)剩余的石英SiO2以及硬石膏CaSO4。大量的托貝莫來(lái)石以及C-S-H凝膠可保證加氣混凝土產(chǎn)品獲得良好的力學(xué)性能，這與樣品測(cè)試結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

a.利用脫硫后的金尾礦制備加氣混凝土，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得最優(yōu)配合比為脫硫金尾礦55%、水泥15%、石灰27%、石膏3%、水料比0.57；所制備的加氣混凝土性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11968—2020規(guī)定的A5.0 B06級(jí)的技術(shù)要求，說(shuō)明采用脫硫后金尾礦制備加氣混凝土制品是可行的。

b.利用脫硫后金尾礦制備的蒸壓加氣混凝土制品的水化產(chǎn)物主要為托貝莫來(lái)石、C-S-H凝膠、水石榴子石，足夠量的托貝莫來(lái)石及C-S-H凝膠是加氣混凝土產(chǎn)品獲得良好力學(xué)性能的關(guān)鍵。

c.研究利用脫硫后金尾礦制備出合格的A5.0 B06級(jí)蒸壓加氣混凝土砌塊，拓寬了加氣混凝土的原材料范圍，同時(shí)對(duì)金尾礦綜合利用、變廢為寶提供了一條新思路。