利用矿山废石制备无机人造石的研究

张宗军，赵宝军，吴 琛，尹 正，邹长根

（广东海龙建筑科技有限公司，广东珠海 519000）

“十四五”时期，我国开启全面建设社会主义现代化国家新征程，围绕推动高质量发展主题，全面提高资源利用效率的任务更加迫切。受资源禀赋、能源结构、发展阶段等因素影响，未来我国仍面临产废强度高、利用不充分、综合利用产品附加值低的严峻形势[1]。作为矿产资源大国，我国同样面临着大量矿山废石和尾矿堆积带来的土地面积占用、土壤污染以及安全隐患等问题。此外，由于目前市场上大部分无机人造石的骨料主要是昂贵的精加工的钙砂、石英砂或玻璃颗粒，因而造成矿产资源浪费，并且售价不菲[2]。

提高固废资源的附加价值，对发展节能环保产业，发展循环经济，创建资源节约型产业、环境友好型社会有着重要的现实意义[3]。在绿色、低碳发展的大背景下，废石和尾矿等固废资源综合利用的研究也在不断深入，其中，以广德矿山废石为例，通过开采生产的硬度3～4 级的废石作为主要骨料，以无机胶凝材料为胶粘剂，并加以增强剂、增韧机和减水剂等材料，经过真空高频振动压制，最终成功制成了一种能够从固废转化为优质建筑材料的新型无机人造石产品。

采用上述方法利用矿山废石作为原材料，不仅减少了土地资源占用，消除了矿山废石对环境和安全的隐患问题，还缓解了下游企业面临的关键性生产原材料价格高、供应紧张等问题。同时，制成的无机人造石产品的性能指标也大幅度优于国家建材行业标准JC/T 507—2012《建筑装饰用水磨石》所规定的指标[4]。这一研究成果为解决我国长期存在的矿山废石难处理问题、催动资源再利用、助力循环经济的发展以及科学治污提供了现实可行的方案。

1 实验部分

1.1 原材料

试验中所使用的原材料包括：①广德矿山废石，经过清洗和破碎处理后，其莫氏硬度为3～4，碳酸钙含量为65%；②52.5R 白色硅酸盐水泥；③聚羧酸减水剂；④外购全加密型超细硅灰作为无机人造石的增强剂；⑤增韧剂乳液。

1.2 实验方法

在试验中，将调制好的广德矿山废石颗粒进行级配，并以其作为主要填充骨料；以白色硅酸盐水泥为胶粘剂，加入一定量的自来水和增韧剂乳液，以及聚羧酸减水剂和加密型超细硅灰，经过行星式搅拌机均匀搅拌后倒入300 mm×300 mm 的钢模中，通过高频真空振动压实。制品经过24 h 脱模后，放入恒温恒湿的养护箱中进行养护，7 d 后取出并对制品进行磨平、切割、表面处理和精细抛光处理，最后按照建材行业标准JC/T 507—2012《建筑装饰用水磨石》的要求检测其相关性能。

颗粒级配对无机人造石的强度有着重要影响，因此在利用广德矿石废石作为填充骨料的过程中需要确定其合理的级配以制备高性能的无机人造石产品。

确定矿山废石的合理骨料级配通常采用容重法：以粗颗粒作为基础，在粗颗粒中分别掺入不同数量的中颗粒，振动相同时间，分别测试其容重；当容重最大时，认为此时中颗粒充分填充了粗颗粒的间隙，大、中颗粒的比例即为合理配比。以此比例级配的颗粒中掺入细颗粒，用同样的方法求得新的合理配比。经过多次重复步骤，得出最终的比例即合理的颗粒级配。

对于破碎好的废石，试验先选用了不同规格的标准筛进行筛分，并选取不同目数的矿山废石骨料作为试验材料，粒径规格分别为粗颗粒（4～8 目），中颗粒（16～26 目），细1 颗粒（60～120 目），细 2 颗粒（26～40目）。表1 列出了不同粒级矿石废石颗粒的容重[5]。

表1 不同粒径矿山废石骨料振动前后的容重g·cm-3

2 结果与讨论

2.1 矿山废石不同颗粒配比对容重的影响

通过对粗颗粒和中颗粒的不同配比进行测试：设粗颗粒的质量为1，中颗粒质量从0 至1；再将中颗粒质量设为1，粗颗粒质量从0 至1，并测定矿山废石骨料的容重。测试结果见表2 和表3。

表3 不同颗粒配比下的容重（二）g·cm-3

根据表2 和表3 的测试结果，当粗、中颗粒之比为1∶0.7 时，无论增加或减少中颗粒的量，矿山废石骨料的容重都最大，该比例也因此被认为是矿山废石骨料中粗颗粒与中颗粒的最佳合理配比。

综上所述，将该混合料比例的质量视为1 的整体，以细颗粒质量从0.1 开始每次增加0.1 的方式进行测试，给定不同的细颗粒颗粒分布。由于粗、中颗粒间采用的是不连续分布的颗粒，首先选用不连续分布的细1颗粒进行试验，测试结果见表4。

表4 不同颗粒配比下的容重（三）g·cm-3

采用同样的方法，用连续分布的细2 颗粒进行对比试验，其结果见表5。

表5 不同颗粒配比下的容重（四）g·cm-3

根据试验结果显示，不连续分布的矿山废石骨料颗粒在颗粒级配中的容重较高，最高容重为1.802 5 g/cm3，配比为1∶0.4；然而，在连续分布的尾矿料颗粒中，其颗粒级配无法达到较高容重，最高容重为1.660 1 g/cm3，配比为1∶0.3。这一结果与设计所采用容重法来确定合理颗粒级配的原理相符合。

2.2 废石骨料级配对无机人造石物理性能的影响

为了将测试条件保持一致，本试验采用52.5R 白色普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，胶骨比为0.36，减水剂用量为水泥质量的0.41%，水胶比为0.19。根据2.1章节的结论，实验组样品将被分为3 组。

样块1 为矿山废石骨料未经过筛分处理的原料直接制作而成。

样块2 及样块3 均按照骨料粗、中颗粒比为1∶0.7 进行配比，其中，样块2 采用经过矿山废石骨料筛分后采用连续级配的方法，按照表5 的配比为1∶0.3进行制作。

样块3 则采用不连续级配的方法，按照表4 的配比为1∶0.4 进行制作。

表6列出了不同骨料颗粒级配对无机人造石性能的影响。此外，制品养护至7 d 后，进行了光泽度测算，结果显示在经过切割打磨和初步抛光后的光泽度（表6）以及在经过处理后的表面抛光时的光泽度。矿石废石骨料颗粒级配对无机人造石力学性能的影响，如图1 所示。

图1 矿石废石骨料颗粒级配对无机人造石力学性能的影响

表6 矿山废石骨料颗粒级配对无机人造石性能的影响

2.3 废石无机人造石产品放射性测定

将样品按照国家标准GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》测定计算无机人造石产品中内照射指数IRa和外照射指数Ir，并与A 类装修材料标准进行对比（表7），其结果符合A 类装饰装修材料标准，因此其产销和使用范围不受限制。

表7 无机人造石放射性检测分析结果

2.4 废石无机人造石的经济价值

近年来，无机人造石的制作逐渐普及，如何实现其成本效益也成为了企业生产时需要考虑的关键因素。由于大多数无机人造石的主要填充骨料是通过购买精加工的钙砂、石英砂或玻璃颗粒来实现，根据市场价，精加工各种目数钙砂的售价通常在600～800 元/t，而石英石和玻璃的售价比钙砂高出大约20%左右。经过计算，利用精加工的钙砂作为主要填充骨料，生产常规的无机人造石的成本大约在150～200 元/m2，售价则是在300 元/m2左右，其所产生的利润约为在33.3%～50%；而1 t 矿山废石碎料市场售价仅约为80 元左右，利用矿山废石作为主要填充骨料制作无机人造石成本更低，并且其创造的利润大约在40.0%～56.6%。如按年产30 万m2计算，可增加约540 万元的净收益。

综上，利用矿山废石的经济潜力明显更高。使用矿山废石生产无机人造石不仅可以节约原材料成本，而且能够创造更多的经济价值，并大幅提高矿山废石的附加值。

3 结论

1）利用广德矿山废石作为填充骨料，以压板法工艺制备的无机人造石材料，其各项性能指标均超过JC/T 507—2012《建筑装饰用水磨石》的标准。

2）利用广德矿山废石作为填充骨料采用不连续的颗粒骨料级配为佳。经过实验可知：在相同压制以及养护条件下，不连续颗粒骨料级配力学性能更佳，抗折强度和抗压强度分别达到18.2 MPa 和97 MPa，相比于未经过分筛的颗粒骨料的成品，不连续颗粒骨料级配的无机人造石抗折强度和抗压强度增幅分别达到13.1%和11.3%。

3）通过放射性检测，此类无机人造石产品检测结果符合A 类装饰装修材料标准因此其产销和使用范围不受限制。

4）利用矿山废石作为原材料去制作无机人造石产品，相比使用精致砂不仅每平方米能够多产生约6%的经济价值，还解决了矿山废石无法安置的问题，极大提升了矿山废石的附加值。