利用礦山廢石制備無機人造石的研究

張宗軍，趙寶軍，吳 琛，尹 正，鄒長根

（廣東海龍建筑科技有限公司，廣東珠海 519000）

“十四五”時期，我國開啟全面建設社會主義現代化國家新征程，圍繞推動高質量發展主題，全面提高資源利用效率的任務更加迫切。受資源稟賦、能源結構、發展階段等因素影響，未來我國仍面臨產廢強度高、利用不充分、綜合利用產品附加值低的嚴峻形勢[1]。作為礦產資源大國，我國同樣面臨著大量礦山廢石和尾礦堆積帶來的土地面積占用、土壤污染以及安全隱患等問題。此外，由于目前市場上大部分無機人造石的骨料主要是昂貴的精加工的鈣砂、石英砂或玻璃顆粒，因而造成礦產資源浪費，并且售價不菲[2]。

提高固廢資源的附加價值，對發展節能環保產業，發展循環經濟，創建資源節約型產業、環境友好型社會有著重要的現實意義[3]。在綠色、低碳發展的大背景下，廢石和尾礦等固廢資源綜合利用的研究也在不斷深入，其中，以廣德礦山廢石為例，通過開采生產的硬度3～4 級的廢石作為主要骨料，以無機膠凝材料為膠粘劑，并加以增強劑、增韌機和減水劑等材料，經過真空高頻振動壓制，最終成功制成了一種能夠從固廢轉化為優質建筑材料的新型無機人造石產品。

采用上述方法利用礦山廢石作為原材料，不僅減少了土地資源占用，消除了礦山廢石對環境和安全的隱患問題，還緩解了下游企業面臨的關鍵性生產原材料價格高、供應緊張等問題。同時，制成的無機人造石產品的性能指標也大幅度優于國家建材行業標準JC/T 507—2012《建筑裝飾用水磨石》所規定的指標[4]。這一研究成果為解決我國長期存在的礦山廢石難處理問題、催動資源再利用、助力循環經濟的發展以及科學治污提供了現實可行的方案。

1 實驗部分

1.1 原材料

試驗中所使用的原材料包括：①廣德礦山廢石，經過清洗和破碎處理后，其莫氏硬度為3～4，碳酸鈣含量為65%；②52.5R 白色硅酸鹽水泥；③聚羧酸減水劑；④外購全加密型超細硅灰作為無機人造石的增強劑；⑤增韌劑乳液。

1.2 實驗方法

在試驗中，將調制好的廣德礦山廢石顆粒進行級配，并以其作為主要填充骨料；以白色硅酸鹽水泥為膠粘劑，加入一定量的自來水和增韌劑乳液，以及聚羧酸減水劑和加密型超細硅灰，經過行星式攪拌機均勻攪拌后倒入300 mm×300 mm 的鋼模中，通過高頻真空振動壓實。制品經過24 h 脫模后，放入恒溫恒濕的養護箱中進行養護，7 d 后取出并對制品進行磨平、切割、表面處理和精細拋光處理，最后按照建材行業標準JC/T 507—2012《建筑裝飾用水磨石》的要求檢測其相關性能。

顆粒級配對無機人造石的強度有著重要影響，因此在利用廣德礦石廢石作為填充骨料的過程中需要確定其合理的級配以制備高性能的無機人造石產品。

確定礦山廢石的合理骨料級配通常采用容重法：以粗顆粒作為基礎，在粗顆粒中分別摻入不同數量的中顆粒，振動相同時間，分別測試其容重；當容重最大時，認為此時中顆粒充分填充了粗顆粒的間隙，大、中顆粒的比例即為合理配比。以此比例級配的顆粒中摻入細顆粒，用同樣的方法求得新的合理配比。經過多次重復步驟，得出最終的比例即合理的顆粒級配。

對于破碎好的廢石，試驗先選用了不同規格的標準篩進行篩分，并選取不同目數的礦山廢石骨料作為試驗材料，粒徑規格分別為粗顆粒（4～8 目），中顆粒（16～26 目），細1 顆粒（60～120 目），細 2 顆粒（26～40目）。表1 列出了不同粒級礦石廢石顆粒的容重[5]。

表1 不同粒徑礦山廢石骨料振動前后的容重g·cm-3

2 結果與討論

2.1 礦山廢石不同顆粒配比對容重的影響

通過對粗顆粒和中顆粒的不同配比進行測試：設粗顆粒的質量為1，中顆粒質量從0 至1；再將中顆粒質量設為1，粗顆粒質量從0 至1，并測定礦山廢石骨料的容重。測試結果見表2 和表3。

表3 不同顆粒配比下的容重（二）g·cm-3

根據表2 和表3 的測試結果，當粗、中顆粒之比為1∶0.7 時，無論增加或減少中顆粒的量，礦山廢石骨料的容重都最大，該比例也因此被認為是礦山廢石骨料中粗顆粒與中顆粒的最佳合理配比。

綜上所述，將該混合料比例的質量視為1 的整體，以細顆粒質量從0.1 開始每次增加0.1 的方式進行測試，給定不同的細顆粒顆粒分布。由于粗、中顆粒間采用的是不連續分布的顆粒，首先選用不連續分布的細1顆粒進行試驗，測試結果見表4。

表4 不同顆粒配比下的容重（三）g·cm-3

采用同樣的方法，用連續分布的細2 顆粒進行對比試驗，其結果見表5。

表5 不同顆粒配比下的容重（四）g·cm-3

根據試驗結果顯示，不連續分布的礦山廢石骨料顆粒在顆粒級配中的容重較高，最高容重為1.802 5 g/cm3，配比為1∶0.4；然而，在連續分布的尾礦料顆粒中，其顆粒級配無法達到較高容重，最高容重為1.660 1 g/cm3，配比為1∶0.3。這一結果與設計所采用容重法來確定合理顆粒級配的原理相符合。

2.2 廢石骨料級配對無機人造石物理性能的影響

為了將測試條件保持一致，本試驗采用52.5R 白色普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，膠骨比為0.36，減水劑用量為水泥質量的0.41%，水膠比為0.19。根據2.1章節的結論，實驗組樣品將被分為3 組。

樣塊1 為礦山廢石骨料未經過篩分處理的原料直接制作而成。

樣塊2 及樣塊3 均按照骨料粗、中顆粒比為1∶0.7 進行配比，其中，樣塊2 采用經過礦山廢石骨料篩分后采用連續級配的方法，按照表5 的配比為1∶0.3進行制作。

樣塊3 則采用不連續級配的方法，按照表4 的配比為1∶0.4 進行制作。

表6列出了不同骨料顆粒級配對無機人造石性能的影響。此外，制品養護至7 d 后，進行了光澤度測算，結果顯示在經過切割打磨和初步拋光后的光澤度（表6）以及在經過處理后的表面拋光時的光澤度。礦石廢石骨料顆粒級配對無機人造石力學性能的影響，如圖1 所示。

圖1 礦石廢石骨料顆粒級配對無機人造石力學性能的影響

表6 礦山廢石骨料顆粒級配對無機人造石性能的影響

2.3 廢石無機人造石產品放射性測定

將樣品按照國家標準GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》測定計算無機人造石產品中內照射指數IRa和外照射指數Ir，并與A 類裝修材料標準進行對比（表7），其結果符合A 類裝飾裝修材料標準，因此其產銷和使用范圍不受限制。

表7 無機人造石放射性檢測分析結果

2.4 廢石無機人造石的經濟價值

近年來，無機人造石的制作逐漸普及，如何實現其成本效益也成為了企業生產時需要考慮的關鍵因素。由于大多數無機人造石的主要填充骨料是通過購買精加工的鈣砂、石英砂或玻璃顆粒來實現，根據市場價，精加工各種目數鈣砂的售價通常在600～800 元/t，而石英石和玻璃的售價比鈣砂高出大約20%左右。經過計算，利用精加工的鈣砂作為主要填充骨料，生產常規的無機人造石的成本大約在150～200 元/m2，售價則是在300 元/m2左右，其所產生的利潤約為在33.3%～50%；而1 t 礦山廢石碎料市場售價僅約為80 元左右，利用礦山廢石作為主要填充骨料制作無機人造石成本更低，并且其創造的利潤大約在40.0%～56.6%。如按年產30 萬m2計算，可增加約540 萬元的凈收益。

綜上，利用礦山廢石的經濟潛力明顯更高。使用礦山廢石生產無機人造石不僅可以節約原材料成本，而且能夠創造更多的經濟價值，并大幅提高礦山廢石的附加值。

3 結論

1）利用廣德礦山廢石作為填充骨料，以壓板法工藝制備的無機人造石材料，其各項性能指標均超過JC/T 507—2012《建筑裝飾用水磨石》的標準。

2）利用廣德礦山廢石作為填充骨料采用不連續的顆粒骨料級配為佳。經過實驗可知：在相同壓制以及養護條件下，不連續顆粒骨料級配力學性能更佳，抗折強度和抗壓強度分別達到18.2 MPa 和97 MPa，相比于未經過分篩的顆粒骨料的成品，不連續顆粒骨料級配的無機人造石抗折強度和抗壓強度增幅分別達到13.1%和11.3%。

3）通過放射性檢測，此類無機人造石產品檢測結果符合A 類裝飾裝修材料標準因此其產銷和使用范圍不受限制。

4）利用礦山廢石作為原材料去制作無機人造石產品，相比使用精致砂不僅每平方米能夠多產生約6%的經濟價值，還解決了礦山廢石無法安置的問題，極大提升了礦山廢石的附加值。