曹 倪,仲繼清,張圓圓,魏涵銘,呂思宇
(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 大連 116622)
石墨作為一種無機非金屬材料在我國應(yīng)用十分廣泛,它是航天、國防和機械等領(lǐng)域不可或缺的材料。從現(xiàn)階段石墨行業(yè)來看,大多數(shù)石墨采用懸浮工藝加工生產(chǎn),每生產(chǎn)1 t石墨理論上產(chǎn)生超過100 t的廢水和尾礦,石墨尾礦排放按年均250萬t計,目前我國石墨尾礦的堆積量超過1億t。石墨尾礦的堆積占用大量土地,不僅給環(huán)境帶來極大的破壞,同時也給人類的生活帶來巨大困擾。因此,對石墨尾礦進行合理的開發(fā)利用意義重大,不僅可以減少土地資源的過度占用,還可減少對環(huán)境的污染,符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。
1.1.1 經(jīng)濟成本方面
石墨尾礦砂粒度較細,且石墨尾礦儲量大、成本低,可代替砂石骨料。用石墨尾礦代替同等效果的其他材料制備的建筑材料,具備優(yōu)良的強度和耐久性等性能,在滿足材料使用要求的同時節(jié)約了自然資源,緩解了資源過度開發(fā)所帶來的影響,具有一定的經(jīng)濟效益。
1.1.2 環(huán)境保護方面
利用石墨尾礦制備墻體材料不僅節(jié)約制作材料的成本,還可減少石墨尾礦堆積對土地面積的占用以及對環(huán)境造成的污染,符合國家鼓勵使用工業(yè)廢渣生產(chǎn)墻體材料的相關(guān)政策及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求,為國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護帶來福音。
1.1.3 性能方面
石墨尾礦的成分主要是硅酸鹽和石墨,有較高的活性,將石墨尾礦摻入混凝土中,可使不導(dǎo)電的混凝土具備導(dǎo)電特性和壓敏特性,可組成智能監(jiān)測系統(tǒng),應(yīng)用于智能混凝土領(lǐng)域。同時石墨尾礦顆粒的吸水率較高,摻入混凝土后在混凝土硬化過程中,改變混凝土的孔隙,增大混凝土的密實度,使收縮性降低,進而增強混凝土的抗?jié)B性和耐久性。
石墨尾礦是一種含硅材料,二氧化硅含量與粉煤灰接近,可用它代替產(chǎn)量有限、生產(chǎn)成本高的粉煤灰作為硅質(zhì)原料來制備蒸壓加氣混凝土。這種混凝土質(zhì)量輕,保溫性能、隔音性能、抗?jié)B性能都優(yōu)于黏土磚,耐火性能更是鋼筋混凝土的6~8倍。
1.2.1 制作工藝方面
在利用石墨尾礦砂生產(chǎn)燒結(jié)多孔磚的試驗中可以發(fā)現(xiàn),尾礦砂為瘠性料,如果在制備燒結(jié)磚的配方中含量過多會降低材料的可塑性,增大成型的難度,且在實際生產(chǎn)中進行燒成溫度控制具有一定的難度。
1.2.2 技術(shù)方面
雖然我國對石墨尾礦的開發(fā)和利用程度較好,但現(xiàn)階段在應(yīng)用技術(shù)方面的研究還不夠成熟,較為突破性的技術(shù)有待提升。
目前我國針對石墨尾礦在應(yīng)用型墻體材料方面的研究較多,在不影響環(huán)境和無毒無害的前提下,通過先進的技術(shù)和合理方式對石墨尾礦進行綜合利用,在一定程度上緩解了環(huán)境所能承受的壓力。
孫偉軒[1]系統(tǒng)地研究了添加石墨尾礦混凝土的耐久性能,包括滲透性能、收縮性能、干濕循環(huán)條件下的抗氯離子侵蝕性能,研究表明:石墨尾礦的摻入對抑制混凝土長期收縮,增強混凝土的抗?jié)B性能,提高混凝土淺層抗氯離子侵蝕性能均具有一定的作用。
楊中喜等[2]從石墨尾礦和普通硅酸鹽水泥熟料的化學(xué)成分入手對石墨尾礦進行多方面的分析,用特定的無機和有機化合物配制成試驗所需的四種不同固化劑,并通過控制變量的方法,將四種固化劑以不同含量摻入石墨尾礦制備成試塊,記錄該試塊各齡期的抗壓強度和抗折強度。試驗結(jié)果表明:固化劑摻入量為8%時,石墨尾礦試塊的力學(xué)性能最佳。同時,利用該固化技術(shù)對石墨尾礦固化磚進行生產(chǎn),從經(jīng)濟、能源以及環(huán)境保護方面來看是可行的。
張大雙[3]對摻加石墨尾礦混凝土的強度和導(dǎo)電性進行研究。研究表明:混凝土中添加石墨尾礦后,電學(xué)強度顯著改善,且具有良好的壓敏特性,可應(yīng)用于導(dǎo)電混凝土的相關(guān)領(lǐng)域。
黃世峰等[4]對石墨尾礦砂和黏土按照一定的質(zhì)量比混合后做成的試樣進行了大量試驗。通過對比分析不同配比試樣的物理性能數(shù)據(jù)、燒結(jié)狀態(tài)、抗壓和抗折強度、吸水率以及體積密度隨配比的變化規(guī)律,最終得出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的摻加石墨尾礦承重?zé)Y(jié)磚。
張衛(wèi)衛(wèi)等[5]以石墨尾礦為主要原材料,適量的煤泥和黏土為輔助材料制備燒結(jié)磚,采用電子顯微鏡以及X射線能譜儀對制作的試件進行化學(xué)性分析,得出燒結(jié)磚產(chǎn)生泛霜現(xiàn)象的原因。同時得出添加適量的BaCO3和無定型二氧化硅以及通過對燒結(jié)磚原料粒度進行控制,可有效解決燒結(jié)磚的泛霜現(xiàn)象的結(jié)論,確定了完全抑制泛霜現(xiàn)象的燒結(jié)磚原料配比,本研究中制作的燒結(jié)磚制品在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上解決了原有的泛霜現(xiàn)象。
郭偉娟[6]從泛霜現(xiàn)象和色澤調(diào)控兩個方面入手,對采用石墨尾礦制備成的燒結(jié)磚進行了深入研究。研究表明:將原料磨細的同時加入適量的硅渣和碳酸鋇可以抑制泛霜現(xiàn)象產(chǎn)生,同時在制作石墨尾礦裝飾燒結(jié)磚時,添加不同含量的鈦白、鐵紅以及二氧化錳等物質(zhì)可以制備出不同顏色的燒結(jié)磚,在性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的同時豐富其裝飾效果。
解家偉等[7]將石墨尾礦砂作為主要原料,采用摻入不同量黏土的石墨尾礦砂生產(chǎn)燒結(jié)多孔磚。通過單一變量法,分析燒成溫度和成型壓力對試樣的燒成收縮、抗壓強度以及抗折強度的影響,找到了影響試樣焙燒的因素并對此加以解決。研究表明:利用石墨尾礦砂和適量的黏土來制作空心高強磚較傳統(tǒng)制作工藝下的黏土磚性能優(yōu)越,可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)黏土制磚。
王少海[8]對湖北某石墨礦床的尾礦進行礦物組成上的分析發(fā)現(xiàn)其滿足混凝土集料的基本要求。王少海還以石墨尾礦作為主要原料,同時輔以起泡劑、普通水泥等材料來制備泡沫混凝土,通過試驗測試出該混凝土砌塊的各項技術(shù)指標(biāo)。試驗結(jié)果表明:采用此種石墨尾礦制備的泡沫混凝土在性能方面完全滿足標(biāo)準(zhǔn)中特定泡沫混凝土的相關(guān)要求。
張冠軍等[9]將石墨尾礦和鋁礬土進行單物料粉磨特性對比,得出在易磨性方面石墨尾礦明顯優(yōu)于鋁礬土的結(jié)論。在制備生料時,將石墨尾礦進行配比方案設(shè)計,使其完全取代鋁質(zhì)原料,在保持各材料配比不變的前提下混合均勻,高溫煅燒后出爐急速冷卻得到水泥熟料,對其礦物組成、化學(xué)成分以及物理性能等方面進行分析,結(jié)果表明:采用石墨尾礦代替鋁制原料作配料,在保證技術(shù)可行和經(jīng)濟效益可觀的前提下,可在一定程度上提高水泥熟料的抗壓、抗折強度。
吳建鋒等[10]根據(jù)對石墨尾礦等原料的化學(xué)組成的分析結(jié)果,通過控制樣品配方比制備所需試樣,通過一系列工藝制作陶瓷清水磚,并對其進行結(jié)構(gòu)、性能方面的測試,分析比較各種材料配比對孔隙率、體積密度以及吸水率等方面的影響,進而對制作工藝和配方比例不斷優(yōu)化,得出了使陶瓷清水磚性能達到最佳的最優(yōu)配方。
從目前研究成果來看,我國石墨尾礦制備墻體材料的開發(fā)利用方面有一定的成果,但是利用的效率不高、利用技術(shù)水平偏低,尚不能滿足石墨尾礦急需處理的現(xiàn)狀。同時石墨尾礦的研究現(xiàn)狀絕大多數(shù)都是偏向應(yīng)用型的墻體材料,而在環(huán)保型墻體材料方面的研究比較少。生土材料是天然的環(huán)保型材料,但其力學(xué)性能較差,在經(jīng)濟成本不高且不影響村鎮(zhèn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的條件下,將石墨尾礦中有害物質(zhì)進行去害處理,對石墨尾礦進行資源化利用,利用其對生土材料進行改性是筆者接下來要研究的問題,不僅使傳統(tǒng)生土建筑得到傳承,也符合國家鼓勵采用工業(yè)廢料制作墻體的相關(guān)政策要求,對于傳統(tǒng)建筑文化的傳承和石墨化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。
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