銅尾礦硅質(zhì)原料在蒸壓加氣混凝土砌塊中應(yīng)用技術(shù)研究

曾興華，黃高明，吳炎平，張?zhí)K伊，劉瀾濤

（江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001）

0 引言

隨著國家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，天然資源如河砂等開采受到限制，原材料資源的有效供應(yīng)成為制約企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。銅尾礦是江西選礦工業(yè)的主要廢渣，占工業(yè)廢渣的排放比重很大，銅尾礦資源化利用可降低企業(yè)環(huán)保投資成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著。

在銅尾礦資源化利用研究方面，目前有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)關(guān)于利用銅尾礦生產(chǎn)水泥、蒸壓加氣混凝土制品等[1-2]。但這些研究基本上處于試驗(yàn)研究階段，未進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。蒸壓加氣混凝土制品是新型墻體材料的主導(dǎo)材料之一，硅質(zhì)原料占其生產(chǎn)原料總量的65%以上，將銅尾礦開發(fā)成蒸壓加氣混凝土制品專用硅質(zhì)原料，可大量消納銅尾礦，實(shí)現(xiàn)其資源化利用，且江西大部分銅尾礦中SiO2含量在70%左右，取代天然硅質(zhì)原料具有技術(shù)可行性。本文研究了銅尾礦磨細(xì)加工活化技術(shù)，配比優(yōu)化及蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝制度優(yōu)化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究成果，進(jìn)行了工業(yè)化中試生產(chǎn)，在銅尾礦取代天然砂60%時(shí)，制備出了A3.5B06級(jí)蒸壓加氣混凝土砌塊，產(chǎn)品的放射性、浸出毒性等安全性指標(biāo)合格。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

（1）銅尾礦：江西九江某銅選礦廠，主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

（2）生石灰：江西樂平市，塊狀生石灰經(jīng)球磨機(jī)粉磨20 min，0.08 mm篩篩余19.7%，消化速度為7 min，消化溫度為72℃，有效鈣含量為86.5%，主要化學(xué)成分見表1。

（3）水泥：江西萬年青水泥股份有限公司產(chǎn)P·O42.5水泥，其物理力學(xué)性能見表2。

表2 水泥的主要技術(shù)性能

（4）鋁粉膏：采用某蒸壓加氣混凝土砌塊生產(chǎn)企業(yè)提供的蒸壓加氣混凝土制品生產(chǎn)專用鋁粉膏。

（5）脫脂劑：鋁粉膏脫脂劑，為工業(yè)純。

（6）河砂：主要化學(xué)成分見表1。

（7）石膏：脫硫石膏，其化學(xué)成分見表1。

1.2 主要試驗(yàn)方法

（1）實(shí)驗(yàn)室銅尾礦加氣混凝土制作：將按照配比攪拌好的料漿倒入100 mm×100 mm×100 mm鐵模具中，然后放在（60±2）℃的烘箱靜停2～3 h。坯體獲得一定的強(qiáng)度時(shí)，去掉多余的包頭，拆模，放入蒸壓釜（198℃，1.2 MPa）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（2）銅尾礦渣蒸壓加氣混凝土砌塊試驗(yàn)方法：按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土的性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（3）蒸壓制度：在實(shí)驗(yàn)室用小型蒸壓釜進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的蒸壓制度進(jìn)行，工業(yè)化中試生產(chǎn)蒸壓養(yǎng)護(hù)在企業(yè)進(jìn)行。

（4）浸出毒性：按照HJ781—2016《固體廢物22種金屬元素的測(cè)定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 銅尾礦取代率對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊性能的影響

試驗(yàn)研究了銅尾礦取代天然砂比例對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊主要性能（干密度、立方體抗壓強(qiáng)度）的影響規(guī)律，并以強(qiáng)度密度比（σ/ρ）來表征其變化規(guī)律。按照GB 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A3.5B06產(chǎn)品等級(jí)來設(shè)計(jì)試驗(yàn)配比，膠凝材料水泥和石灰用量分別為10%和18%，石膏4%，鋁粉膏0.08%（下同）。所用的銅尾礦為粉磨10 min時(shí)的樣品，細(xì)度在45%左右（0.075 mm篩篩余），銅尾礦取代率分別為0、40%、60%、80%、100%，水料比為0.60。銅尾礦取代率對(duì)蒸壓加氣混凝土強(qiáng)度密度比的影響見表3。

表3 銅尾礦取代率對(duì)蒸壓加氣混凝土強(qiáng)度密度比的影響

由表3可知，隨著銅尾礦取代率從40%增加到100%，制備的蒸壓加氣混凝土砌塊強(qiáng)度密度比（σ/ρ）逐漸降低。當(dāng)銅尾礦取代率為60%時(shí)，與純天然砂組相比，σ/ρ值由0.66降低到0.50，降低了24.2%；當(dāng)取代率為100%時(shí)，σ/ρ值降低了48.5%。由于銅尾礦中SiO2含量比天然砂低，影響水熱合成反應(yīng)中結(jié)晶體托勃莫來石、水榴子石等的生成量，導(dǎo)致砌塊的力學(xué)強(qiáng)度降低。為提高銅尾礦的取代率，需采取對(duì)銅尾礦粉磨加工、改善蒸壓養(yǎng)護(hù)制度等技術(shù)措施來提高砌塊的力學(xué)性能。

2.2 銅尾礦磨細(xì)加工活化技術(shù)

用于蒸壓加氣混凝土砌塊中的硅質(zhì)原料的細(xì)度（0.075 mm篩）宜控制在15%左右，通過測(cè)試所使用的銅礦浮選尾礦的細(xì)度達(dá)到80%，需對(duì)銅尾礦進(jìn)行粉磨加工，提高其活性。實(shí)驗(yàn)室采用球磨機(jī)對(duì)銅尾礦進(jìn)行粉磨加工，每次粉磨樣品為10 kg，粉磨時(shí)間對(duì)銅尾礦細(xì)度的影響見表4。

表4 粉磨時(shí)間對(duì)銅尾礦細(xì)度的影響

從表4可知，銅尾礦具有易磨性，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，銅尾礦的篩余率逐漸降低，在前15min降低尤為顯著；隨后隨著粉磨時(shí)間延長(zhǎng)，篩余率降低放緩。在粉磨20min時(shí)篩余率為17.6%，基本滿足生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土砌塊對(duì)硅質(zhì)原料的細(xì)度要求，將粉磨時(shí)間延長(zhǎng)到30min時(shí)，篩余率降低到8.3%，綜合粉磨節(jié)能經(jīng)濟(jì)性考慮，銅尾礦粉磨的最佳時(shí)間為20～25min。

2.3 銅尾礦細(xì)度對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊性能的影響

對(duì)不同粉磨時(shí)間（3、15、20、30 min）得到的不同細(xì)度銅尾礦進(jìn)行試驗(yàn)，研究銅尾礦細(xì)度對(duì)于蒸壓加氣混凝土砌塊強(qiáng)度密度比的影響。銅尾礦取代天然砂量為60%，水料比為0.60。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 銅尾礦粉磨時(shí)間對(duì)砌塊強(qiáng)度密度比（σ/ρ）的影響

從表5可知，隨著粉磨時(shí)間延長(zhǎng)，銅尾礦硅質(zhì)原料越細(xì)，σ/ρ值越大。未經(jīng)磨細(xì)銅尾礦制備的蒸壓加氣混凝土砌塊的σ/ρ值較低為0.13，當(dāng)銅尾礦磨細(xì)30 min，將細(xì)度（0.075 mm篩）降低到8.3%時(shí)，制備的蒸壓加氣混凝土砌塊的σ/ρ值提高到0.67。由于銅尾礦在蒸壓加氣混凝土砌塊中主要起到活性反應(yīng)硅質(zhì)原料和填料的作用，其細(xì)度對(duì)于蒸壓加氣混凝土砌塊的性能影響很大，生產(chǎn)中應(yīng)控制好其細(xì)度。

2.4 蒸壓養(yǎng)護(hù)制度對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊性能的影響

試驗(yàn)研究了蒸壓制度的恒壓時(shí)間（4、6、8、10 h）對(duì)砌塊強(qiáng)度密度比（σ/ρ）的影響。銅尾礦取代率為100%，銅尾礦細(xì)度為粉磨15 min的試樣，水料比為0.65。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 恒壓時(shí)間對(duì)強(qiáng)度密度比的影響

從表6可知，蒸壓養(yǎng)護(hù)恒壓時(shí)間從4 h延長(zhǎng)到10 h時(shí)，銅尾礦蒸壓加氣混凝土砌塊的σ/ρ值從0.45提高到0.66，尤其恒壓時(shí)間從4 h延長(zhǎng)到6 h時(shí)，σ/ρ值提高了24.4%，砌塊抗壓強(qiáng)度提高顯著；當(dāng)恒壓時(shí)間從8 h延長(zhǎng)到10 h，砌塊的強(qiáng)度密度比略有提高，此時(shí)砌塊強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

2.5 工業(yè)化中試生產(chǎn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究結(jié)果，利用銅尾礦硅質(zhì)原料在蒸壓加氣混凝土制品生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了工業(yè)化中試生產(chǎn)。銅尾礦取代天然砂比例為60%，銅尾礦占總質(zhì)量41%，天然砂占比27%，生石灰占比18%，水泥占比10%，石膏占比4%，鋁粉膏摻量0.08%，水料比為0.63。

此次中試生產(chǎn)共綜合利用了銅尾礦約500（t含水率15%），生產(chǎn)約1500 m3銅尾礦蒸壓加氣混凝土砌塊產(chǎn)品，中試生產(chǎn)的銅尾礦硅質(zhì)原料蒸壓加氣混凝土砌塊產(chǎn)品外觀顏色與企業(yè)用天然砂生產(chǎn)的產(chǎn)品無差異，產(chǎn)品干體積密度為615 kg/m3，立方體抗壓強(qiáng)度為3.9 MPa，強(qiáng)度密度比（σ/ρ）為0.66，符合GB 11968—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A3.5B06級(jí)合格品要求。主要浸出毒性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 中試生產(chǎn)的蒸壓加氣混凝土制品浸出毒性mg/L

從表7可知，銅尾礦取代天然硅質(zhì)材料60%時(shí)，制備的蒸壓加氣混凝土砌塊浸出毒性符合HJ781—2016標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

（1）銅尾礦中SiO2含量比天然砂低，影響水熱合成反應(yīng)中結(jié)晶體托勃莫來石、水榴子石等生成量，銅尾礦取代天然砂會(huì)導(dǎo)致蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度逐漸降低。需采取對(duì)銅尾礦細(xì)粉磨、改善蒸壓養(yǎng)護(hù)制度等技術(shù)措施來提高砌塊的力學(xué)性能。

（2）銅尾礦具有易磨性，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，銅尾礦的0.075 mm篩篩余率逐漸降低，在前15 min降低尤為顯著；隨后隨著粉磨時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，篩余率降低放緩。銅尾礦粉磨的最佳時(shí)間為20～30 min。銅尾礦磨細(xì)越細(xì)，制備的銅尾礦蒸壓加氣混凝土砌塊強(qiáng)度密度比（σ/ρ）越大，越有利于提高相同密度等級(jí)下加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度。

（3）隨著恒壓時(shí)間延長(zhǎng)，蒸壓加氣混凝土砌塊的σ/ρ增大，恒壓時(shí)間從4 h延長(zhǎng)到6 h，σ/ρ值增大了24.4%，恒壓時(shí)間宜控制在6 h以上。

（4）在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，按照銅尾礦取代天然硅質(zhì)材料60%的取代比例，進(jìn)行了工業(yè)化中試生產(chǎn)，生產(chǎn)的銅尾礦硅質(zhì)原料蒸壓加氣混凝土砌塊的產(chǎn)品強(qiáng)度、干體積密度等性能符合GB 11968—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A3.5B06級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品浸出毒性符合HJ781—2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。