周宇軒 祝小靚 傅瓊?cè)A 金志成

(1河海大學(xué)，江蘇 南京 210029；2江西省水利科學(xué)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(lái)越多，這不僅占用大量土地資源，也對(duì)農(nóng)田、水源等生態(tài)環(huán)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(xù)發(fā)展已經(jīng)深人人心的今天，對(duì)于工業(yè)廢渣的利用受到越來(lái)越多人的關(guān)注。礦渣、鋼渣和粉煤灰是工業(yè)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(duì)于治理工業(yè)廢渣以及環(huán)境保護(hù)都有重要的意義。目前已有很多關(guān)于尾礦廢棄物的應(yīng)用研究，主要有三個(gè)方面：1.尾礦渣加工成建筑材料；2.回收提取有價(jià)元素；3.礦廠采空區(qū)的填充和尾礦庫(kù)復(fù)墾[1-2]。

本試驗(yàn)對(duì)江西西部資源鋰業(yè)有限公司的鋰輝石尾礦砂經(jīng)研磨加工成粉，研究不同細(xì)度及不同水泥替代率對(duì)水泥膠砂的工作性能和力學(xué)性能的影響來(lái)確定鋰輝石尾礦粉的合理替代率[3]。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥P.O42.5海螺水泥

2）ISO標(biāo)準(zhǔn)砂

3）鋰輝石尾礦粉

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)將不同細(xì)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(jìn)行膠砂的制備及性能研究試驗(yàn)。

水泥膠砂制備按照GB/T17671相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。根據(jù)不同細(xì)度、不同摻量分7組試驗(yàn)，每組做兩次，比較7d及28d的抗壓強(qiáng)度，不摻尾砂的作為基準(zhǔn)對(duì)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(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)定水泥膠砂的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度。得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同細(xì)度和不同摻量對(duì)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(xì)度69.4%(篩余45μm)，含水量0.2%，燒失量1.47%，比表面積103m2/kg；

細(xì)粉的細(xì)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(xué)成分

鋰輝石尾礦化學(xué)主要成分見(jiàn)表2。

表2 鋰輝石尾礦化學(xué)主要成分

2.3 性能分析

細(xì)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(zhì)材料》的規(guī)范要求，粗粉細(xì)度不滿足要求，當(dāng)摻量在30%時(shí)摻粗粉和細(xì)粉的28d活性指數(shù)均不達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 不同細(xì)度不同替代率下水泥膠砂的流動(dòng)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(dòng)度明顯降低；細(xì)的尾礦粉制成的水泥膠砂流動(dòng)性比粗粉的要好。從流動(dòng)度比可以看出，細(xì)粉在三種替代率下都能達(dá)到90%，滿足規(guī)范要求；粗粉替代率增加到20%時(shí)，流動(dòng)度大幅降低，膠砂的形狀展開(kāi)不均勻，和易性不好。

由于尾礦粉是由尾砂經(jīng)研磨加工制成的，粗尾礦粉細(xì)度模數(shù)偏大，含有較多疏松多孔的玻璃體和石粉，這些不規(guī)則的玻璃體和石粉表面粗糙，孔隙多，導(dǎo)致需水量增大，由于每組試驗(yàn)的用水量一樣，導(dǎo)致粗尾礦粉制備的膠砂流動(dòng)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(xì)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(dòng)度隨著尾礦粉替代率的增加而降低的作用機(jī)理。因此，從水泥膠砂的流動(dòng)度來(lái)看，尾礦粉的替代率不應(yīng)超過(guò)20%。

圖1 不同替代率膠砂流動(dòng)度

3.3 不同細(xì)度不同替代率下水泥膠砂的7d抗折抗壓強(qiáng)度

圖2 不同替代率7d抗折強(qiáng)度

圖3 不同替代率7d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度逐漸下降，摻細(xì)粉的水泥膠砂強(qiáng)度總體上高于摻粗粉的。當(dāng)摻量增加到20%時(shí)，強(qiáng)度的下降幅度變大，且摻粗粉的水泥膠砂強(qiáng)度下降幅度更大。

細(xì)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(guò)堆積和填充作用提高膠砂試件的抗壓強(qiáng)度。粗尾礦粉含不規(guī)則的玻璃體和石粉，表面粗糙，孔隙多，導(dǎo)致膠砂強(qiáng)度較低[5]。

由于尾礦粉的組成成分比較穩(wěn)定，表面又相當(dāng)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(méi)有變化，略有膠凝狀的水化產(chǎn)物出現(xiàn)[6]?？梢?jiàn)摻尾礦粉的水泥膠砂早期強(qiáng)度都偏低，隨著齡期的增長(zhǎng)逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)水泥膠砂的強(qiáng)度。

3.4 不同細(xì)度不同替代率下水泥膠砂的28d抗壓強(qiáng)度

圖4 不同替代率28d抗折強(qiáng)度

圖5 不同替代率28d抗壓強(qiáng)度

由圖4、圖5可知，水泥膠砂的28d抗折抗壓強(qiáng)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(qiáng)度總體上高于摻細(xì)粉的，這與7d的強(qiáng)度有明顯區(qū)別，28d抗折抗壓強(qiáng)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(yīng)。水泥熟料水化后析出的Ca(OH)2作為礦渣粉的堿性激發(fā)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(chǎn)物，隨著齡期的增長(zhǎng)，逐步轉(zhuǎn)變成纖維狀晶體，數(shù)量不斷增加并相互交叉，形成連鎖結(jié)構(gòu)，使后期強(qiáng)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(qiáng)度均有下降，尤其是早期的強(qiáng)度，但同時(shí)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(jié) 語(yǔ)

本試驗(yàn)通過(guò)分析鋰輝石尾礦粉的基本性能、化學(xué)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(guò)研究不同細(xì)度及不同替代率對(duì)水泥膠砂的工作性能和力學(xué)性能的影響來(lái)確定鋰輝石尾礦粉的合理替代率。得出以下結(jié)論：

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

2)水泥膠砂7d、28d的抗折抗壓強(qiáng)度隨替代率的增加逐漸下降，摻細(xì)粉的7d膠砂強(qiáng)度總體上高于摻粗粉的，但是摻粗粉的28d膠砂強(qiáng)度總體上高于摻細(xì)粉的；當(dāng)摻量增加到20%時(shí)，強(qiáng)度的下降幅度變大，且摻粗粉的水泥膠砂強(qiáng)度下降幅度更大。28d抗折抗壓強(qiáng)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(xì)粉的7d膠砂強(qiáng)度總體上高于摻粗粉的，摻粗粉的28d膠砂強(qiáng)度總體上高于摻細(xì)粉的結(jié)果可以看出，細(xì)粉有助于提高水泥膠砂的早期強(qiáng)度，細(xì)粉比表面積大，活性高，早期就能與水和水泥充分發(fā)生水化反應(yīng)；而摻粗粉的水泥膠砂早期強(qiáng)度低，28d后強(qiáng)度有明顯提升，與粉煤灰的性能很相似。粗粉發(fā)生水化反應(yīng)比水泥慢，被粗粉取代的那部分水泥的早期強(qiáng)度得不到補(bǔ)償，膠砂早期強(qiáng)度降低。隨著時(shí)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(fā)生反應(yīng)，生成大量水化硅酸凝膠[10-11]，促進(jìn)了后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

4)綜合分析后得出，粗粉替代率應(yīng)該小于20%，細(xì)粉替代率在此研究范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所需強(qiáng)度等級(jí)來(lái)定。此時(shí)膠砂的工作性能良好，力學(xué)性能比較理想。

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

[2]黃弘，唐明亮，沈曉冬，等.工業(yè)廢渣資源化及其可持續(xù)發(fā)展(II)一與水泥混凝土工業(yè)相結(jié)合走可持續(xù)發(fā)展之路[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006,5(20):455-458.

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

[4]孟濤，錢(qián)曉倩，詹樹(shù)林，等.含有復(fù)合膠凝材料的混凝土力學(xué)性能及其微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,36(5):553一558.

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

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

[7]周美茹，朱曉麗.礦渣微粉和粉煤灰復(fù)合配置混凝土的研究與應(yīng)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(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)科學(xué)院院報(bào)，2001,18(1):16-19.

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

[10]閻培渝.粉煤灰在復(fù)合膠凝材料水化過(guò)程中的作用機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2007,(S1):167-171.

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