铅锌尾矿免蒸免烧砖的制备及性能

2022-07-13周龙周素莲马华菊

矿产综合利用 2022年3期

周龙，周素莲，马华菊

（桂林理工大学南宁分校，广西南宁 530001）

我国铅锌矿产资源虽然储量丰富，但具有贫矿多，富矿少，伴生矿复杂，开采难度大等困境[1]，且开采过程中有大量无商业冶炼价值的铅锌尾矿产生，大量尾矿的堆积，在占用大量土地资源的同时，雨水会将堆积的铅锌尾矿中各种强致病重金属浸出，溶解于雨水中的重金属随地表径流流入湖泊等水体，或渗入地下，严重污染地表土壤及地表和地下水[2]，甚至引起矿区周边居民重金属中毒，且这种土壤重金属导致的污染具有累积性、不可逆性和难治理性等特点[3]。寻求尾矿的安全、大宗、资源化的处理方式是摆在所有铅锌矿开采企业面前亟待解决的难题[4]，在诸多研究中，以铅锌尾矿为建筑原材料制备免烧砖为近些年的一个研究热点。

免烧砖因其制备过程无需烧结，且以粉煤灰、煤渣、煤矸石、尾矿渣、化工渣或天然砂等废弃廉价易得的工业废料为原料，各组分按较优配比混合，加水泥调和后压制成型，不仅能解决大宗固废堆积污染环境的问题，节约了土地资源，同时还能实现固体废弃物的资源化，创造了大量商业价值[5]。本文以并以铅锌尾矿、石膏、石粉、水泥按照一定的配比制备免烧砖，并考察了不同配比所得的样品的抗压强度和吸水率，同时通过XRD 技术探究了样品的微观组成。

1 实验部分

1.1 实验仪器及原料

大型仪器设备：电子分析天平（Secura225D-1CN 型）；微机伺服万能试验机（YAW-3000）；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9920A）；X 射线衍射仪（XRD-7000S/L 型）：制砖机（ZY1100 型）。

实验原料：铅锌尾矿（广西崇左大新铅锌矿尾矿库）、石膏（泰山石膏(广西) 有限公司）、水泥（广西海螺水泥厂）、石粉（广西某采石场的中细石粉）。

1.2 实验方法

1.2.1 免烧砖制备

将实验所需的铅锌尾矿、石膏、石粉、水泥按照一定的配比混匀，加一定质量的水进行搅拌，待搅拌均匀后，制砖机（模具尺寸为40 mm×110 mm×240 mm）中压实制砖，振动5 min 后脱模养护。28 d 后测定其抗压强度、吸水率，并用XRD 进行微观结构分析。具体制备流程见图1。

图1 免烧砖制备工艺流程Fig.1 Non-fired brick preparation process

1.2.2 性能测试

强度测试：制备的免烧砖样品经表面水洗去污、风干后，置于微机伺服万能试验机压力机下压板的中心位置，设定操作程序，启动压力机开始抗压测试，当试样碎裂时，记录压力值。

吸水率测试：依据《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542—2003)测试免烧砖样品的吸水率。

XRD 分析：取适量样品，于X 射线衍射仪上进行测试。

2 结果与讨论

2.1 尾矿成分及粒度分析

为确定尾矿是否满足制备免烧砖的要求，选用取自广西崇左大新铅锌矿尾矿库的铅锌尾矿，对其进行XRD 和粒径分析，图2 为XRD 分析图谱，表1 为对尾矿分别进行0.075 mm、0.150 mm、0.300 mm、0.600 mm 过筛分析，各粒级含量分布。

图2 铅锌尾矿的XRD 图谱Fig.2 XRD of lead-zinc tailings

表1 粒级分布Table 1 Particle size distribution

由图2 可知，尾矿的主要矿物成分为石英为主，占比约为75%，属高硅尾矿，其次为白云石、方解石，以及其他的无定型相，其主要成分与沙石相近，可代替沙石作为免烧砖骨料成分。

原料粒度作为质量免烧砖抗压强度等指标的基础，选取合理的颗粒级配直接关系到免烧砖质量的好坏，相关文献表明，骨料颗粒越细，可塑性越强，成型性能越优[6]。由表1 可知，含量超过50%的锌矿尾矿试样粒度集中在-0.075 mm，这表明以锌矿尾矿作为免烧砖骨料成分符合砖坯直接成型的要求。结合锌矿尾矿的主要成分及粒度分布可确定，在制备免烧砖过程中，锌矿尾矿可作为细骨料成分使用。

2.2 石膏成分分析

在制备免烧砖的过程中，通常使用水泥作为胶凝材料，但水泥养护要求高，容易形成蜂窝麻面，且水泥价格较为昂贵，而石膏也能起到胶凝材料作用，且价格较水泥便宜[7]，石膏的XRD 见图3。

图3 石膏的XRD 图谱Fig.3 XRD of plaster

经XRD 图谱分析可知，该石膏纯度较高，石膏（CaSO4·2H2O）含量达到97.32%，其主要杂质为萤石，占比为1.72%。

2.3 尾矿含量对试样性能的影响

固定水泥用量为10%，石膏用量为15%，尾矿和石粉用量共计75%，加水量14%，调节尾矿的占比，考察不同占比的尾矿含量对免烧砖的抗压强度和吸水率影响，结果见图4。

由图4 可知，尾矿作为细骨料，随着其占比的增加，免烧砖抗压强度呈现先升高后降低的变化趋势，尾矿含量在20%～30%时，抗压强度在20 MPa 以上，吸水率随着尾矿占比的增加而呈现下降趋势，这是由于免烧砖制备过程中，石粉是作为粗骨料，起支架作用，一定的粗骨料能在混合压制时, 对产品提供足够的支撑，以提高产品的抗压强度。而尾矿作为细骨料，起填充密实作用，其能填充于粗骨料的间隙中，进一步增强免烧砖抗压强度，一定范围内防止因压力过大造成的粗骨料间的间隙塌陷[8]。

图4 尾矿含量对抗压强度和吸水率的影响Fig.4 Effect of tailings content on compressive strength and water absorption

在尾矿占比小于25%时，增加尾矿含量，能有效增加免烧砖密实度，从而增加免烧砖的抗压强度，当尾矿占比大于25%时，水泥和石膏不能提供足够的粘合作用，使得尾矿不能很好的和其他物料充分粘合[8]，同时过多的尾矿挤占了作为粗骨料石粉的位置，使得免烧砖的抗压强度出现了下降。综合对比, 尾矿其占比在25%，石粉占比50%时配比较优，其抗压强度达到26.2 MPa，吸水率为17.82%，符合《非烧结垃圾尾矿砖》MU25级别要求。

2.4 石膏含量对试样性能的影响

固定尾矿用量为25%，石粉用量为50%，水泥和石膏用量共计25%，加水量14%，调节石膏的占比，考察不同占比的石膏含量对免烧砖的抗压强度和吸水率影响，结果见图5。

图5 石膏含量对试样性能的影响Fig.5 Effect of gypsum content on compressive strength and water absorption

由图5 可知，随着石膏占比的增加，免烧砖抗压强度呈现先升高后降低的变化趋势，但石膏含量在10%～20%之间时，免烧砖的抗压强度都在20 MPa 以上，说明用石膏代替水泥作为胶凝剂是可行的，能较好的粘合免烧砖各组分，而当石膏含量超过15%时，免烧砖抗压强度呈现下降趋势，这表明石膏并不能完全替代水泥，本论文研究过程也进行了石膏占25%的研究，但免烧砖成型特差，也验证了以上研究推论。

免烧砖吸水率随着石膏占比的增加而呈现上升趋势，当石膏含量超过17.5%时，其吸水率达到18.41%，不满足《非烧结垃圾尾矿砖》(JC/T 422—2007)中试样的吸水率不能大于18% 的规定，这是由于过多的石膏会降低免烧砖各物料间的粘结性，增加免烧砖内部裂缝的形成机率，进而减低免烧砖的抗压强度[9]。

综合考虑，当石膏占比15%，水泥占比10%时，达到中华人民共和国建材行业标准JC/T 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》中MU25 强度等级的要求。

2.5 用水量对试样性能的影响

水在在免蒸免烧砖成型过程中起胶结剂的作用，其含量直接关系到各组分间的凝结作用[10]，合适的用水量能大大提高各组分间的密实度，进而增强免烧砖的抗压强度，降低吸水率[11]。固定尾矿用量为25%，石粉用量为50%，水泥用量10%，石膏用量15%，考察不同用水量对免烧砖性能的影响，结果见图6。

图6 用水量对试样性能的影响Fig.6 Effect of water consumption on sample performance

由图6 可知，较佳用水量在12%～16%，符合《非烧结垃圾尾矿砖》MU25 级别抗压强度要求，当用水量为14%时性能较优。吸水率随着用水量的增加而增加，且增加速率越来越快。这是由于用水量过少时，石膏和水泥不能充分水化制浆，提供足够的胶凝作用将各组分胶凝，使得在压制成型、脱模时，免烧砖易发生破裂，进而减低抗压强度[12]；水量过多时，震荡过程中会，部分水泥会和石膏会随着多余水分一起溢出流失，降低免烧砖的密实度, 且砖养护干燥后，免烧砖中存在的过多水分蒸发了后会留有一定的空隙空洞[13]，这些都对免烧砖抗压不利，且过多的添加水会造成砖块表面出现明显的河沙，影响免烧砖的成色，降低其商用价值。

综合考虑，当用水量为14%时，制备的免烧砖性能较优，其抗压强度和吸水率都达到《非烧结垃圾尾矿砖》MU25 级别要求。

2.6 XRD 分析

选取尾矿用量为25%，石粉用量为50%，水泥用量10%，石膏用量15%，用水量14%，制备的免烧砖，磨细之后进行XRD 分析，其图谱见图7。

图7 免烧砖的XRD 图谱Fig.7 XRD of non-fired brick

经分析比对免烧砖主要成分和原料成分，结果表明，免烧砖的成分与各原料的组成基本一致，仅有少数相的消失，通过计算表明，尾矿、石膏、石粉的主要成分含量变化较小，这表明在制备过程中，除水泥水化过程外，其他各组分间未发生各骨料间并未发生过多的化学反应，没有产生新的物质。所以本免烧砖制备过程不会对环境造成较大影响。