利用金礦尾礦制備硅酸鹽水泥的組成與性能研究

李金碩 張乙飛 陳喜財 韓 雪 周 燃 雷建國 宮晨琛

(1.中國冶金地質總局第一地質勘查院，廊坊 065201；2.濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室，濟南 250022)

1 前言

硅酸鹽水泥是以石灰石、粘土、頁巖和鐵質原料等為主要原料燒制的熟料、輔助性膠凝材料和石膏混合而成，是國民經濟建設的重要基礎原材料[1]。隨著國務院辦公廳的《關于堅決制止耕地“非農化”行為的通知》和《關于防止耕地“非糧化”穩定糧食生產的意見》的下發，“堅決防止耕地“非糧化”傾向”嚴重影響了粘土、頁巖作為水泥原料的使用，從而造成水泥生產中硅鋁質原料嚴重短缺[2,3]。

隨著我國黃金提金技術的高速發展，黃金礦山的數量、規模及產量日趨增長，但礦石入選品位不斷降低，造成尾礦量猛增。大量尾礦堆積對生態環境造成嚴重污染。尾礦在風化過程中逸出有害氣體、極細尾礦砂粒受風吹作用甚至形成沙暴、汛期尾礦隨雨水流入農田、河流等嚴重危害空氣和地下水等[4]。同時，尾礦具有粒度細、資源儲量大等優點，可作為硅鋁質原料代替粘土、頁巖生產水泥熟料[5,6]。

2 原材料及實驗方案設計

2.1 原材料

本文所用的金礦尾礦來自河北張家口紫金礦業，呈粉末狀。金礦尾礦、石灰石、鐵尾礦和鋁尾礦的化學組成見表1。

表1 原材料的化學組成/wt.%

2.2 配合比設計

本文以金礦尾礦、石灰石、鐵尾礦和鋁尾礦為主要原料，設計生料配合比，見表2。

按照表2的配合比稱料，加20%水混合均勻，制成生料坯體，置于烘干箱內烘干，然后在1 450℃的高溫爐中煅燒，冷卻磨細后得到熟料。為了檢測熟料的水化性能，將煅燒的熟料與 5%石膏混合并磨細，即制得水泥。

表2 生料配合比/wt.%

3 結果與討論

3.1 游離氧化鈣

游離氧化鈣是指熟料中沒有以化合狀態存在而是以游離狀態存在的氧化鈣。當游離狀態的CaO含量過高時會引起水泥的安定性不良。圖1為熟料的游離氧化鈣含量示意圖。游離氧化鈣的含量在0.82～1.56%，尤其F樣品的游離氧化鈣最低，僅為0.82%，因此，本文所煅燒熟料的游離氧化鈣含量均低于3%，滿足《硅酸鹽水泥熟料》(GB/T 21372—2008)安定性要求，不存在體積安定性不良的隱患。

圖1 熟料的游離氧化鈣含量

3.2 礦物組成XRD分析

圖2是熟料礦物組成的XRD圖譜。從圖中可以看出，經1 450℃煅燒的熟料的主要存在礦物為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，尤其E樣品的硅酸鹽礦物特征峰的峰高明顯高于其它樣品，說明其硅酸鹽礦物含量更高，結晶度更完美。從表2配合比設計可以看出E樣品生料中氧化鋁和氧化鐵含量明顯高于其它樣品，能生成更多的熔劑礦物鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，從而有利于硅酸三鈣的生成。這與圖2中從E到G鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的特征峰的變化趨勢是相呼應的。

3.3 標準稠度需水量

圖3為本文所制備的水泥的標準稠度需水量的檢測結果。從圖中可以看出標準稠度需水量相差不大介于26.3～30.7%，其中E樣品的標準稠度需水量明顯高于其它樣品，分別比F和G高16.7%和11.7%。

圖2 熟料礦物組成XRD圖譜

3.4 凝結時間

圖4為本文所制備的水泥的凝結時間的測定結果，其中初凝時間用柱狀圖表達，終凝時間用折線圖表達。從圖中可以看出初凝時間介于109～186min，終凝時間介于347～538min，符合GB 175-2007標準中32.5普通硅酸鹽水泥的初凝時間不小于45min，終凝時間不大于600min的要求。

圖3 水泥的標準稠度需水量

圖4 水泥的凝結時間

3.5 力學性能

圖5和圖6分別是本文所制備的水泥的抗壓強度和抗折強度的檢測結果。隨著齡期的增長至28天抗壓強度和抗折強度均呈上升趨勢，說明水泥在持續水化。水化3天時，E、F、G的抗壓強度均高于11MPa，F、G的抗折強度均高于2.5MPa。水化28天時， F、G的抗壓強度均高于32.5MPa，F、G的抗折強度均高于5.5MPa。F、G的強度符合GB 175-2007中32.5普通硅酸鹽水泥的強度要求。

圖5 水泥抗壓強度

圖6 水泥抗折強度

4 結 論

(1)在經歷1 450℃保溫30分鐘的煅燒后，主要燒成礦物為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，與硅酸鹽水泥熟料礦物相一致，同時游離氧化鈣的含量在0.82～1.56%，不存在體積安定性不良的隱患。

(2)所制備的熟料與5%石膏混合后標準稠度需水量介于26.3～30.7%。初凝時間介于109～186min，終凝時間介于347～538min。水化3天時， F、G的抗壓強度均高于11MPa，抗折強度均高于2.5MPa。水化28天時， F、G的抗壓強度均高于32.5MPa，抗折強度均高于5.5MPa，符合GB 175-2007中32.5普通硅酸鹽水泥的強度要求。