化學激發(fā)對鐵尾礦膠凝特性及環(huán)保的影響

姜 楠

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

尾礦是選礦分選作業(yè)的產(chǎn)物之一。據(jù)《中國礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報告（2015）》統(tǒng)計，我國尾礦堆存總量約146億t，其中鐵尾礦堆存量最多，占全部尾礦量近1/3，且每年排出量約3億t。大量堆放的尾礦，會引起環(huán)境污染、生態(tài)破壞、安全隱患[1～5]。儲存于尾礦壩中的礦山尾礦或就近排入河道、山谷、低地，磨至0.15 mm～0.07 mm以下的尾礦常滲流溢出，刮風揚塵，嚴重污染水、土和空氣，未復墾的尾礦庫表面的沙塵可被吹到庫區(qū)周圍，有時甚至形成礦塵暴，導致土地退化、植被破壞甚至直接威脅到人畜的生存，嚴重惡化周邊地區(qū)的生活和生產(chǎn)條件。如果尾礦中含有的有害物質通過沉積地表和其它途徑進入含水層，甚至會導致災害性的水體污染，苗菲菲[6]利用物化檢測分析與生物監(jiān)測相結合的手段研究北方某冶選尾礦庫滲漏水對尾礦庫周邊的水體污染情況，初步判斷尾礦庫滲漏水對水體的毒理學效應。鐵尾礦不加以利用不僅占用土地，造成浪費，而且也給人類生活環(huán)境帶來嚴重污染和危害，破壞生態(tài)平衡。因此，急需研究鐵尾礦如何合理有效利用，以便解決資源利用、環(huán)境污染和安全隱患問題。

近年來，國內外對鐵尾礦的資源化利用進行大量研究。從鐵尾礦中回收有價金屬；利用鐵尾礦替代砂巖制作建筑材料；磁化鐵尾礦做土壤改良劑；尾礦庫回填與復墾等。目前，我國尾礦利用增速明顯高于排放增速，但利用量仍趕不上新增量，綜合利用率僅為18.9%，而國外尾礦的利用率高達60%以上，差距較大。

對湖北省11處鐵礦山的調查顯示：僅黃石市及周邊地區(qū)共有尾礦堆31座，總量約7000萬t。本文針對黃石地區(qū)鐵尾礦硅鋁含量高、鈣鐵含量低的性能特點[7]，通過堿激發(fā)、熱活化等方式對鐵尾礦進行處理，探討以鐵尾礦為主要原料制備非傳統(tǒng)性膠凝材料的可行性。

1 實驗部分

1.1 鐵尾礦的基本特性分析

鐵尾礦取自湖北大冶某鐵礦廠，其化學組成見表1。由表1可見：該鐵尾礦主要化學成分是SiO2與Al2O3，兩者含量總和達到80%以上，而且燒失量較低。鐵尾礦的顆粒組成分析結果見圖1，粒徑分布主要是在0.15 mm～0.30 mm之間，顆粒較細。鐵尾礦的礦物組成分析結果見圖2。由圖2可知，XRD圖譜中石英的衍射峰數(shù)目多、形狀尖銳狹窄、峰值高，說明鐵尾礦中SiO2大多是以結晶度高、活性低的石英態(tài)存在，除此外還有長石類硅鋁酸鹽類礦物與白云石。

表1 鐵尾礦的化學成分

圖1 鐵尾礦的顆粒分布

圖2 鐵尾礦的XRD圖

1.2 實驗方法

原材料處理：原狀鐵尾礦與試驗條件活化處理的鐵尾礦使用前均在105℃～110℃溫度條件下烘干至恒重，再利用水泥試驗小磨磨細至0.080 mm方孔篩篩為1%～3%。

活性硅鋁濃度測定：采用堿液檢出試驗[8～9]分析不同方式處理的鐵尾礦中硅鋁活性活化效果，樣品與溶液比例約為0.5 g/mL，溶液的濃度約為2 mol/L，檢出濾液中硅和鋁的濃度采用BM2011型硅鋁元素X射線熒光分析儀進行標樣定量分析。

強度與強度指數(shù)測定：強度參照《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗方法》（GB/T 12957-2005），采用40 mm×40 mm×160 mm試件，將試件在標準條件下養(yǎng)護至相應齡期，分別測定其抗壓強度與抗折強度，并計算強度比。

XRD分析：將測定抗壓強度后的試樣進一步破碎，挑選試樣中心部位的小塊樣品磨至10μm以下，真空干燥1 h，采用日本理學公司生產(chǎn)的D/MAX-2400型X射線衍射儀進行測定分析。

SEM分析：從測定抗壓強度后試件的中心部位破碎取出粒狀小塊，真空干燥1 h，采用日本電子株式會社生產(chǎn)的SM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 不同溫度煅燒的鐵尾礦膠凝性

火山灰質材料的潛在活性與其中活性硅、鋁在堿性環(huán)境下的溶出程度和溶出速率有直接關系，是后續(xù)水化反應能否順利進行的主要影響因素，通過堿溶浸出硅鋁濃度試驗能夠在一定程度下反映硅鋁原料在制備膠凝材料中的活性大小[8、10]。表2和表3是鐵尾礦粉、鐵尾礦粉添加5%NaOH在不同溫度下煅燒一定時間后樣品的硅鋁堿溶浸出濃度。由表2、表3可見，原鐵尾礦中硅鋁堿浸出濃度很低，經(jīng)過不同溫度煅燒處理，硅鋁堿浸出濃度也基本沒有變化。添加NaOH進行煅燒后硅鋁堿浸出濃度明顯增大，而且煅燒溫度越高、時間越長，增大越明顯，而且溫度在達到600℃前，硅鋁堿浸出濃度隨著溫度升高明顯增大，超過600℃繼續(xù)升高溫度硅鋁堿浸出濃度增加不顯著。對比煅燒溫度與時間對硅鋁堿浸出濃度影響大小可知，在600℃溫度、添加NaOH條件下，將鐵尾礦煅燒60min能夠明顯激發(fā)其硅鋁活性。這是由于添加NaOH的鐵尾礦經(jīng)高溫煅燒后礦物組成發(fā)生了變化（見圖3）。由圖3可見，700℃加熱處理鐵尾礦的XRD圖譜中結晶衍射峰數(shù)目減少，而且衍射峰形狀的尖銳程度變小，峰值也有所降低，說明鐵尾礦加堿性激發(fā)劑經(jīng)高溫處理后的硅鋁成分由非活性的晶態(tài)向活性的非晶態(tài)轉變。

表2 不同溫度煅燒鐵尾礦中硅鋁的浸出液濃度（μg/mL）

表3 不同溫度煅燒鐵尾礦中鋁的浸出液濃度（μg/mL）

圖3 添加氫氧化鈉的鐵尾礦在不同溫度加熱處理的XRD圖

2.2 不同堿組分激發(fā)的鐵尾礦膠凝性

為確定不同堿組分對鐵尾礦的活化效果的影響，分別將NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、Ca（OH）2四種物質摻入鐵尾礦，并在600℃溫度下煅燒60 min，以處理后的鐵尾礦為原材料制備膠砂強度試件。由表4可知，在高溫煅燒條件下，不同激發(fā)劑對鐵尾礦膠凝活性的激發(fā)效果不同，試驗條件下硅酸鈉的激發(fā)效果最佳，其膠砂試件28 d抗壓強度和抗折強度分別為26.5 MPa和5.8 MPa、抗壓強度比和抗折強度比61.5%和86.6%；煅燒處理鐵尾礦膠砂試件的脆性較基準試件得到改善，28 d抗折強度與抗壓強度比均超過20%，較基準試件提高了8%以上，Na2SiO3激發(fā)鐵尾礦試件提高幅度最大。

表4 不同堿組分激發(fā)的鐵尾礦膠砂強度

2.3 不同模數(shù)水玻璃激發(fā)的鐵尾礦膠凝性

以NaOH調節(jié)Na2SiO3得到不同模數(shù)的水玻璃作堿激發(fā)劑、600℃溫度下鐵尾礦煅燒60 min，以處理后的鐵尾礦為主要原材料制備膠砂試件，抗壓強度測定結果見圖4。由圖4可知：水玻璃模數(shù)從0.6增大至1.4時，抗壓強度先增大后減小，模數(shù)為1.0時抗壓強度最大，達到42 MPa。這可能是由于模數(shù)為1.0的水玻璃激發(fā)劑所提供的堿性環(huán)境更有利于鐵尾礦中的二氧化硅等礦物向無定型態(tài)轉化，這一點從圖5不同模數(shù)水玻璃激發(fā)的鐵尾礦XRD圖譜可以證明。曲線A的彌散程度較曲線B、C均大，說明其中含有更多的無定型物質。

圖4 不同模數(shù)水玻璃激發(fā)鐵尾礦抗壓強度

圖5 不同模數(shù)水玻璃激發(fā)鐵尾礦XRD圖譜

3 結論

（1）單獨對鐵尾礦進行煅燒不能使其活性提高，若要實現(xiàn)鐵尾礦的高效利用必須采取其它技術對其進行活化處理。

（2）在鐵尾礦中添加堿性物質進行煅燒可以通過增加活性硅鋁物質的含量提高鐵尾礦的膠凝活性，且溫度對其活化效果有較明顯的影響，隨著溫度的升高，活化效果增強，溫度約在600℃條件下活化效果最好。

（3）堿激發(fā)劑種類及其摻量均會影響鐵尾礦活性激發(fā)效果，試驗條件下硅酸鈉更最適宜作鐵尾礦的活性激發(fā)劑，且當其模數(shù)為1.0時，激發(fā)效果最佳，激發(fā)鐵尾礦的膠砂強度達到42 MPa。

（4）通過化學激發(fā)方式處理的鐵尾礦能夠部分替代傳統(tǒng)膠凝材料用于建筑、交通、水利等工程建設，也可用作土壤改良劑及微量元素肥料，復墾植被，改善礦山和尾礦場的環(huán)境，從而實現(xiàn)鐵尾礦的無害化、資源化利用，減少鐵尾礦堆存帶來的水體、土壤、大氣等生態(tài)環(huán)境污染。