鉛鋅尾礦免蒸免燒磚的制備及性能

2022-07-13 01:51:24周龍周素蓮馬華菊

礦產綜合利用 2022年3期

周龍，周素蓮，馬華菊

（桂林理工大學南寧分校，廣西南寧 530001）

我國鉛鋅礦產資源雖然儲量豐富，但具有貧礦多，富礦少，伴生礦復雜，開采難度大等困境[1]，且開采過程中有大量無商業冶煉價值的鉛鋅尾礦產生，大量尾礦的堆積，在占用大量土地資源的同時，雨水會將堆積的鉛鋅尾礦中各種強致病重金屬浸出，溶解于雨水中的重金屬隨地表徑流流入湖泊等水體，或滲入地下，嚴重污染地表土壤及地表和地下水[2]，甚至引起礦區周邊居民重金屬中毒，且這種土壤重金屬導致的污染具有累積性、不可逆性和難治理性等特點[3]。尋求尾礦的安全、大宗、資源化的處理方式是擺在所有鉛鋅礦開采企業面前亟待解決的難題[4]，在諸多研究中，以鉛鋅尾礦為建筑原材料制備免燒磚為近些年的一個研究熱點。

免燒磚因其制備過程無需燒結，且以粉煤灰、煤渣、煤矸石、尾礦渣、化工渣或天然砂等廢棄廉價易得的工業廢料為原料，各組分按較優配比混合，加水泥調和后壓制成型，不僅能解決大宗固廢堆積污染環境的問題，節約了土地資源，同時還能實現固體廢棄物的資源化，創造了大量商業價值[5]。本文以并以鉛鋅尾礦、石膏、石粉、水泥按照一定的配比制備免燒磚，并考察了不同配比所得的樣品的抗壓強度和吸水率，同時通過XRD 技術探究了樣品的微觀組成。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及原料

大型儀器設備：電子分析天平（Secura225D-1CN 型）；微機伺服萬能試驗機（YAW-3000）；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9920A）；X 射線衍射儀（XRD-7000S/L 型）：制磚機（ZY1100 型）。

實驗原料：鉛鋅尾礦（廣西崇左大新鉛鋅礦尾礦庫）、石膏（泰山石膏(廣西) 有限公司）、水泥（廣西海螺水泥廠）、石粉（廣西某采石場的中細石粉）。

1.2 實驗方法

1.2.1 免燒磚制備

將實驗所需的鉛鋅尾礦、石膏、石粉、水泥按照一定的配比混勻，加一定質量的水進行攪拌，待攪拌均勻后，制磚機（模具尺寸為40 mm×110 mm×240 mm）中壓實制磚，振動5 min 后脫模養護。28 d 后測定其抗壓強度、吸水率，并用XRD 進行微觀結構分析。具體制備流程見圖1。

圖1 免燒磚制備工藝流程Fig.1 Non-fired brick preparation process

1.2.2 性能測試

強度測試：制備的免燒磚樣品經表面水洗去污、風干后，置于微機伺服萬能試驗機壓力機下壓板的中心位置，設定操作程序，啟動壓力機開始抗壓測試，當試樣碎裂時，記錄壓力值。

吸水率測試：依據《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2003)測試免燒磚樣品的吸水率。

XRD 分析：取適量樣品，于X 射線衍射儀上進行測試。

2 結果與討論

2.1 尾礦成分及粒度分析

為確定尾礦是否滿足制備免燒磚的要求，選用取自廣西崇左大新鉛鋅礦尾礦庫的鉛鋅尾礦，對其進行XRD 和粒徑分析，圖2 為XRD 分析圖譜，表1 為對尾礦分別進行0.075 mm、0.150 mm、0.300 mm、0.600 mm 過篩分析，各粒級含量分布。

圖2 鉛鋅尾礦的XRD 圖譜Fig.2 XRD of lead-zinc tailings

表1 粒級分布Table 1 Particle size distribution

由圖2 可知，尾礦的主要礦物成分為石英為主，占比約為75%，屬高硅尾礦，其次為白云石、方解石，以及其他的無定型相，其主要成分與沙石相近，可代替沙石作為免燒磚骨料成分。

原料粒度作為質量免燒磚抗壓強度等指標的基礎，選取合理的顆粒級配直接關系到免燒磚質量的好壞，相關文獻表明，骨料顆粒越細，可塑性越強，成型性能越優[6]。由表1 可知，含量超過50%的鋅礦尾礦試樣粒度集中在-0.075 mm，這表明以鋅礦尾礦作為免燒磚骨料成分符合磚坯直接成型的要求。結合鋅礦尾礦的主要成分及粒度分布可確定，在制備免燒磚過程中，鋅礦尾礦可作為細骨料成分使用。

2.2 石膏成分分析

在制備免燒磚的過程中，通常使用水泥作為膠凝材料，但水泥養護要求高，容易形成蜂窩麻面，且水泥價格較為昂貴，而石膏也能起到膠凝材料作用，且價格較水泥便宜[7]，石膏的XRD 見圖3。

圖3 石膏的XRD 圖譜Fig.3 XRD of plaster

經XRD 圖譜分析可知，該石膏純度較高，石膏（CaSO4·2H2O）含量達到97.32%，其主要雜質為螢石，占比為1.72%。

2.3 尾礦含量對試樣性能的影響

固定水泥用量為10%，石膏用量為15%，尾礦和石粉用量共計75%，加水量14%，調節尾礦的占比，考察不同占比的尾礦含量對免燒磚的抗壓強度和吸水率影響，結果見圖4。

由圖4 可知，尾礦作為細骨料，隨著其占比的增加，免燒磚抗壓強度呈現先升高后降低的變化趨勢，尾礦含量在20%～30%時，抗壓強度在20 MPa 以上，吸水率隨著尾礦占比的增加而呈現下降趨勢，這是由于免燒磚制備過程中，石粉是作為粗骨料，起支架作用，一定的粗骨料能在混合壓制時, 對產品提供足夠的支撐，以提高產品的抗壓強度。而尾礦作為細骨料，起填充密實作用，其能填充于粗骨料的間隙中，進一步增強免燒磚抗壓強度，一定范圍內防止因壓力過大造成的粗骨料間的間隙塌陷[8]。

圖4 尾礦含量對抗壓強度和吸水率的影響Fig.4 Effect of tailings content on compressive strength and water absorption

在尾礦占比小于25%時，增加尾礦含量，能有效增加免燒磚密實度，從而增加免燒磚的抗壓強度，當尾礦占比大于25%時，水泥和石膏不能提供足夠的粘合作用，使得尾礦不能很好的和其他物料充分粘合[8]，同時過多的尾礦擠占了作為粗骨料石粉的位置，使得免燒磚的抗壓強度出現了下降。綜合對比, 尾礦其占比在25%，石粉占比50%時配比較優，其抗壓強度達到26.2 MPa，吸水率為17.82%，符合《非燒結垃圾尾礦磚》MU25級別要求。

2.4 石膏含量對試樣性能的影響

固定尾礦用量為25%，石粉用量為50%，水泥和石膏用量共計25%，加水量14%，調節石膏的占比，考察不同占比的石膏含量對免燒磚的抗壓強度和吸水率影響，結果見圖5。

圖5 石膏含量對試樣性能的影響Fig.5 Effect of gypsum content on compressive strength and water absorption

由圖5 可知，隨著石膏占比的增加，免燒磚抗壓強度呈現先升高后降低的變化趨勢，但石膏含量在10%～20%之間時，免燒磚的抗壓強度都在20 MPa 以上，說明用石膏代替水泥作為膠凝劑是可行的，能較好的粘合免燒磚各組分，而當石膏含量超過15%時，免燒磚抗壓強度呈現下降趨勢，這表明石膏并不能完全替代水泥，本論文研究過程也進行了石膏占25%的研究，但免燒磚成型特差，也驗證了以上研究推論。

免燒磚吸水率隨著石膏占比的增加而呈現上升趨勢，當石膏含量超過17.5%時，其吸水率達到18.41%，不滿足《非燒結垃圾尾礦磚》(JC/T 422—2007)中試樣的吸水率不能大于18% 的規定，這是由于過多的石膏會降低免燒磚各物料間的粘結性，增加免燒磚內部裂縫的形成機率，進而減低免燒磚的抗壓強度[9]。

綜合考慮，當石膏占比15%，水泥占比10%時，達到中華人民共和國建材行業標準JC/T 422—2007《非燒結垃圾尾礦磚》中MU25 強度等級的要求。

2.5 用水量對試樣性能的影響

水在在免蒸免燒磚成型過程中起膠結劑的作用，其含量直接關系到各組分間的凝結作用[10]，合適的用水量能大大提高各組分間的密實度，進而增強免燒磚的抗壓強度，降低吸水率[11]。固定尾礦用量為25%，石粉用量為50%，水泥用量10%，石膏用量15%，考察不同用水量對免燒磚性能的影響，結果見圖6。

圖6 用水量對試樣性能的影響Fig.6 Effect of water consumption on sample performance

由圖6 可知，較佳用水量在12%～16%，符合《非燒結垃圾尾礦磚》MU25 級別抗壓強度要求，當用水量為14%時性能較優。吸水率隨著用水量的增加而增加，且增加速率越來越快。這是由于用水量過少時，石膏和水泥不能充分水化制漿，提供足夠的膠凝作用將各組分膠凝，使得在壓制成型、脫模時，免燒磚易發生破裂，進而減低抗壓強度[12]；水量過多時，震蕩過程中會，部分水泥會和石膏會隨著多余水分一起溢出流失，降低免燒磚的密實度, 且磚養護干燥后，免燒磚中存在的過多水分蒸發了后會留有一定的空隙空洞[13]，這些都對免燒磚抗壓不利，且過多的添加水會造成磚塊表面出現明顯的河沙，影響免燒磚的成色，降低其商用價值。

綜合考慮，當用水量為14%時，制備的免燒磚性能較優，其抗壓強度和吸水率都達到《非燒結垃圾尾礦磚》MU25 級別要求。

2.6 XRD 分析

選取尾礦用量為25%，石粉用量為50%，水泥用量10%，石膏用量15%，用水量14%，制備的免燒磚，磨細之后進行XRD 分析，其圖譜見圖7。

圖7 免燒磚的XRD 圖譜Fig.7 XRD of non-fired brick

經分析比對免燒磚主要成分和原料成分，結果表明，免燒磚的成分與各原料的組成基本一致，僅有少數相的消失，通過計算表明，尾礦、石膏、石粉的主要成分含量變化較小，這表明在制備過程中，除水泥水化過程外，其他各組分間未發生各骨料間并未發生過多的化學反應，沒有產生新的物質。所以本免燒磚制備過程不會對環境造成較大影響。