石墨礦尾礦制備路面磚面層的試驗研究

王麗娜，申保磊

（中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

石墨礦尾礦制備路面磚面層的試驗研究

王麗娜，申保磊

（中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

簡單介紹了石墨礦尾礦的組成及物理性質(zhì)，石墨礦尾礦砂漿制備及性能研究，石墨礦尾礦砂漿與膠磷礦尾礦基層復(fù)合后的力學(xué)性能，混凝土路面磚的性能測試等方面。利用膠磷礦尾礦作為基層骨料，石墨尾礦砂代替天然砂制備水泥砂漿附在道路磚面層，以及普通硅酸鹽水泥(32.5R)作為膠凝材料制備彩色路面磚。磚的面層厚度8～10mm，原料配合比：灰砂比0.33(水泥含量占原料25%)、水灰比0.18、減水劑占水泥的0.8%、顏料占原料的5%，經(jīng)砂漿制備、基層與面層復(fù)合、振動成型、抹平表面、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)等一系列工藝步驟制成彩色路面磚。經(jīng)測定，該磚3d抗壓強(qiáng)度達(dá)11MPa，7d抗壓強(qiáng)度達(dá)17MPa，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)30MPa，符合路面磚國家標(biāo)準(zhǔn)，為礦山企業(yè)綜合利用膠磷礦尾礦資源和石墨礦尾礦資源提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

膠磷礦；石墨礦；尾礦；路面磚；面層

1 引言

礦產(chǎn)資源是人類賴以生存、社會賴以發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生活的基石，同時又是一個國家或地區(qū)發(fā)展的支柱。隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用，產(chǎn)生了大量的尾礦。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有尾礦庫1 500余座，堆積尾礦總量50多億t，占用耕地2.6萬km2，而每年仍有超過5億t尾礦繼續(xù)排放。大量固體廢物排放占用寶貴的土地資源，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，生態(tài)環(huán)境惡化。同時尾礦也是潛在的二次資源，目前我國尾礦的利用率很低，只有8.2%[1-3]，因此如何對其進(jìn)行有效地開發(fā)利用，已成為亟待解決的問題。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民收入的日益提高與居住環(huán)境的不斷改善，城市公園化、農(nóng)村城鎮(zhèn)化建筑模式的推廣，對市政建設(shè)中的路面裝飾提出了更高的要求，急需要各種新型的廣場磚、路面磚，以代替目前城市中普遍采用的灰色水泥磚。

利用膠磷礦尾礦和石墨礦尾礦作為骨料制備的彩色地面磚，是一種綠色建筑材料[4]。這種磚以膠磷礦尾礦做底層的集料，石墨礦尾礦做面層，其生產(chǎn)過程符合高效節(jié)能和“清潔生產(chǎn)”的要求，不但能大量消耗尾礦，又可減輕尾礦造成的嚴(yán)重污染。因此，綜合利用尾礦資源，對節(jié)約資源、改善環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[5-6]。本文主要研究面層的制作工藝，面層對底層的影響以及面層的色彩觀感問題，其意義是將礦山尾礦變廢為寶，這樣不僅解決了尾礦的儲存問題，同時對實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和礦業(yè)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

2 石墨尾礦的物理性質(zhì)

試驗研究樣品取自尾礦庫中堆積的尾礦，取樣量0.3t。

2.1 尾礦一般性質(zhì)研究

石墨礦尾礦外觀為灰綠色粉末，自然含水量為2.52%，容重為1.7g/cm3。

2.2 尾礦粒度組成研究

選取代表性尾礦樣，分別篩析研究尾礦的粒度組成，測試結(jié)果見表1。

表1 尾礦的粒度組成

通過篩分及其他方法對礦樣的粒度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)尾礦屬粗中粒，平均粒度d50=0.14mm，尾礦的可塑性差。

2.3 尾礦化學(xué)組成研究

對尾礦的化學(xué)組成進(jìn)行全分析，得到化學(xué)組成見表2。

表2 尾礦的化學(xué)組成

由表2可見，尾礦組成主要以SiO2為主，Al2O3含量較高，S未測出。從化學(xué)組成上，滿足混凝土集料的基本要求。

3 試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

利用膠磷礦尾礦和石墨礦尾礦制出符合標(biāo)準(zhǔn)的路面磚。通過試驗研究石墨礦的組成及物理性質(zhì)是否滿足混凝土集料的基本要求，并完成石墨砂漿制備，找出路面磚的最佳原料配比，最后完成強(qiáng)度測試。

3.2 試驗材料及儀器

3.2.1 試驗材料

膠磷礦尾礦：某選廠的尾礦。

石墨礦尾礦：某選廠的尾礦。

水泥：本試驗選用32.5R級普通硅酸鹽水泥。

鐵紅：化學(xué)式Fe2O3。本試驗選用的是選鐵產(chǎn)生的尾礦硫酸渣，主要化學(xué)成分氧化鐵。

鐵黑：化學(xué)式Fe3O4。本試驗選用的是磁鐵礦，主要成分四氧化三鐵。

3.2.2 試驗儀器

壓力試驗機(jī)：試驗機(jī)的示值相對誤差應(yīng)不超過±1%。試件的預(yù)期破壞荷載值不小于試驗機(jī)全量程的20%，也不大于全量程的80%。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，砂漿攪拌機(jī)，振動成型臺，模具，刮刀，稱，量筒等。

3.3 試驗方法

3.3.1 混凝土制備方法

普通混凝土按照設(shè)計配合比稱取試驗用原材料，加入砂漿攪拌機(jī)中干攪拌0.5min后使之混合均勻，然后加水繼續(xù)攪拌2～3min制成膠凝漿體，再將混凝土漿體注入試模中，輕微振動使其完全填滿試模，并用鏝刀刮平。一般在24h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。

3.3.2 測試方法

測試方法：抗壓強(qiáng)度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的立方體抗壓強(qiáng)度試驗方法進(jìn)行。

3.4 試驗方案

(1) 石墨分級與未分級的強(qiáng)度對比試驗。固定水灰比，灰砂比，減水劑用量。第一組采用未分級的石墨砂，第二組采用分級的石墨砂(160目篩子的篩上部分)分別制成混凝土砌塊，經(jīng)標(biāo)養(yǎng)后測抗壓強(qiáng)度。石墨砂分級的目的主要是除去影響砌塊強(qiáng)度的細(xì)粒級粘土等成分。

(2) 尾礦用量試驗。固定水灰比，減水劑用量等，只改變尾礦用量。通過試驗結(jié)果確定尾礦摻量。

(3) 減水劑用量試驗。固定其他指標(biāo)，只改變減水劑用量。根據(jù)試驗結(jié)果確定減水劑用量。

(4) 天然砂與石墨砂的對比試驗。固定水灰比，灰砂比，減水劑用量。一組采用石墨砂，一組采用天然砂。比較兩組的試驗結(jié)果。

(5) 確定最佳原料配合比后，實現(xiàn)路面磚的面層和基層復(fù)合，測試力學(xué)性能(主要是抗壓強(qiáng)度)和吸水率。

(6) 分析加入顏料對路面磚力學(xué)性能的影響。(7) 參照J(rèn)C/T 446-2000測試路面磚的吸水率。

3.5 試驗過程

首先做底層，稱好一定量的骨料，按試驗結(jié)果的最佳配比相互混合，攪拌均勻，倒入模具(模具體積為7cm×7cm×7cm)，放在振動成型臺上，振動20～30s。然后再按照面層原料配合比制出石墨砂漿，用試驗用攪拌機(jī)攪拌0.5min，附在底層上，厚度約為8～10mm，放在振動成型臺上振動20～30s，再用刮刀抹平，靜置24h后脫模稱重，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，分別測3d，7d，28d的抗壓強(qiáng)度。

3.6 試驗結(jié)果

3.6.1 石墨礦分級與未分級的強(qiáng)度對比試驗

在水泥水量為30%，水灰比為0.3，水泥標(biāo)號為32.5R，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d的條件下抗壓強(qiáng)度對比見表3。

表3 各樣品抗壓強(qiáng)度

將未分級樣品A和分級樣品B分別做X-射線衍射分析，結(jié)果見圖1、圖2。

由試驗結(jié)果可知，分級后的石墨尾礦做成的混凝土砌塊強(qiáng)度高于未分級的石墨尾礦做成的砌塊，同時由XRD譜圖知，未分級的石墨礦中含有大量的粘土類物質(zhì)。由于粘土顆粒小，比表面積大，在相同礦量的條件下，要達(dá)到相同強(qiáng)度，未分級的尾礦需要水泥的量多。其機(jī)理是，水泥作為粘合劑將骨料黏合起來，比表面積大的骨料，粘合的面積也大，當(dāng)水泥用量相同時，骨料周圍粘結(jié)的面積小，粘結(jié)強(qiáng)度必然小，因此砌塊的強(qiáng)度低。

3.6.2 尾礦用量試驗

利用尾礦中較粗粒級部分作為骨料，先加入80%的尾砂作為骨料按照標(biāo)準(zhǔn)制作混凝土試塊。然后逐步加大水泥的含量制作混凝土試塊。經(jīng)過對其他產(chǎn)品的調(diào)查，現(xiàn)確定試驗用水灰比初定為0.3，測試時間為28d。尾礦用量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線見圖3。

由圖3可以看出，當(dāng)尾礦用量為70%時，其試塊強(qiáng)度已達(dá)到建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.6.3 減水劑用量試驗

用分級的石墨砂，水泥用量為30%，制作6組減水劑含量不同的混凝土砌塊，7d后測其抗壓強(qiáng)度。試驗結(jié)果見圖4。

由試驗結(jié)果可以看出：橫坐標(biāo)為4時，混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度最高，試驗結(jié)果最佳，此時減水劑的用量為水泥含量的0.8%。

3.6.4 石墨尾礦混凝土的強(qiáng)度規(guī)律

為了證明石墨尾礦制備的混凝土在硬化過程中的每個階段的強(qiáng)度形成有其自己的規(guī)律，特將同一配比下的石墨尾礦制備的混凝土和普通河砂制備的混凝土，分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的3d、7d、28d、60d的強(qiáng)度進(jìn)行了對比。水泥為32.5R型普通硅酸鹽水泥，灰砂比為0.67，水灰比為0.3。各齡期樣品的抗壓強(qiáng)度見圖5。

通過試驗發(fā)現(xiàn)用石墨礦尾礦制備的混凝土在凝固的初期強(qiáng)度形成較為緩慢，在后期強(qiáng)度則會較快增長，并達(dá)到較高的強(qiáng)度。而河砂混凝土的強(qiáng)度在初級形成較石墨礦尾礦混凝土快，后期較石墨混凝土慢。因此，在初期河砂混凝土強(qiáng)度明顯高于石墨礦尾礦混凝土強(qiáng)度。隨著齡期的增長，兩者抗壓強(qiáng)度差距縮小，這是因為混凝土強(qiáng)度增長受水化速率的影響。河砂混凝土在早期水化速率大于石墨礦尾礦混凝土，后期石墨礦尾礦混凝土水化速率又大于河砂混凝土。故兩者強(qiáng)度的增長速率出現(xiàn)了時間上的差異。

從上面的試驗結(jié)果可得出如下結(jié)論：分別用分級和未分級的石墨砂做成混凝土砌塊后，7d后測其強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)用分級后的石墨砂制成的混凝土抗壓能力強(qiáng)。在尾礦砂含量的試驗中，發(fā)現(xiàn)水泥含量占25%時，強(qiáng)度指標(biāo)就已符合要求。在減水劑用量試驗中，試驗數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)減水劑用量為水泥的0.8%時，效果最佳，而此時的水料比為0.18。據(jù)此初步確定的原料配合比為：采用分級石墨尾礦砂、水泥含量為25%(灰砂比0.33)、水料比0.18、減水劑用量為0.8%。

3.6.5 路面磚基層與面層復(fù)合后的強(qiáng)度試驗

根據(jù)確定的底層原料配合比：水灰比0.35、減水劑用量0.7%、砂率35%、骨料百分比68%；試驗得出的面層原料及配合比：分級的石墨砂(即用160目的篩子將石墨砂進(jìn)行篩分，篩上部分做為骨料，篩下部分主要是粘土)、水泥是32.5R、水泥用量25%、水料比0.18、減水劑占水泥的0.8%。按照此配比，將路面磚面層和基層復(fù)合，首先在不加入顏料的情況下制成的路面磚，其3d，7d和28d的抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 路面磚不同齡期的抗壓強(qiáng)度

加入顏料后，試驗發(fā)現(xiàn)顏料對路面磚的抗壓強(qiáng)度影響不大。加入鐵紅的彩色路面磚呈暗紅色，加入鐵黑的路面磚呈暗黑色。彩色路面磚3d的抗壓強(qiáng)度大于11MPa，7d的抗壓強(qiáng)度大于17MPa，28d的抗壓強(qiáng)度大于30MPa，均符合路面磚力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。測定吸水率為6%～7%，符合吸水率≤14%的要求。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑業(yè)需要大量的建材，而資源卻越來越匱乏，這就要求我們不得不另辟蹊徑，尋求其他原料。本文利用膠磷礦尾礦和石墨礦尾礦為原料制備混凝土路面磚，其中石墨礦尾礦砂制備水泥砂漿，附在路面磚面層。本文主要創(chuàng)新點及研究結(jié)果有如下幾個方面。

(1) 利用石墨尾砂代替天然砂制作混凝土砌塊是可行的。通過實驗發(fā)現(xiàn)，石墨混凝土在凝固的初期強(qiáng)度較河砂混凝土低，而在后期強(qiáng)度增長較快，隨著齡期的增長，兩者抗壓強(qiáng)度差距縮小。

(2) 將路面磚分為面層和底層，分別用不同的原料及配比，既滿足了路面磚的抗壓強(qiáng)度又節(jié)省了顏料的用量。石墨混凝土砌塊強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于膠磷尾礦混凝土砌塊強(qiáng)度，但將石墨砂漿附在砌塊面層上時，砌塊整體強(qiáng)度符合路面磚強(qiáng)度要求，同時，只將顏料摻入砌塊面層，又可以節(jié)省顏料用量。

(3) 確定了路面磚的最佳原料配比：采用32.5R水泥，用量占原料的25%，減水劑用量為水泥用量的0.8%，顏料的用量為原料的5%，制得了既符合標(biāo)準(zhǔn)又能充分利用尾礦資源的道路磚。

[1]王運(yùn)敏,常前發(fā).談我國尾礦綜合利用的現(xiàn)狀及對策[J].金屬礦山,1999(S1):1-4.

[2]袁先樂.我國金屬礦山固廢處理與處置技術(shù)的進(jìn)展及思考[J].金屬礦山,2005(S1):46-49.

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[4]王少南.綠色建材在國內(nèi)外的發(fā)展動向[J].廣東建材,1999(9):11-14.

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Experimental Stady on Preparation of the Surface of Pavement Brick Layer Using Graphite Tailings

WANG Li-na, SHEN Bao-lei
(College of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

This article introduce the composition and physical properties of graphite tailings briefly, preparation and properties of graphite mortar tailings, the mechanical properties of composition made by graphite and phosphate rock mortar tailings, performance testing of concrete pavers and so on. Using collophanite tailings as the primary aggregate, graphite tailings instead of natural sands preparation of cement mortar attached to the road tile surface layer, as well as ordinary portland cement (32.5R) as a binder for making color road bricks. Brick surface layer 8~10mm, with the ratio of raw materials: sand-lime ratio is 0.33 (25% cement content of total raw materials), water-cement ratio is 0.18, water reducer accounted for 0.8% of cement, pigments accounting for 5% of raw materials, by the mortar preparation, the composition of grassroots and the surface layer, vibration molding, smoothing the surface,standard maintenance and a series of process steps, the colored pavers are made. It was determined that the compressive strength of brick 3d 11MPa, 7d 17MPa, 28d 30MPa, meeting with the national standard of road bricks, which provided reliable technical basis on the comprehensive utilization of phosphate rock mining enterprises resources and graphite mine tailings resources.

phosphate rock; graphite mine; tailings; road blocks; surface

P619.252;TD926.5

A

1007-9386(2012)05-0024-04

2012-06-18