黃金尾礦建材化利用的研究現(xiàn)狀及展望

孫旭東 劉曉敏 龔 裕 吳玉鋒 周廣禮 潘德安

（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124）

隨著人類對(duì)黃金資源的不斷開發(fā)利用，黃金尾礦排放量日益增加，傳統(tǒng)的處理方法主要是堆存法，此方法不僅占用大量土地，而且容易產(chǎn)生粉塵和滲漏，對(duì)大氣、水體和土壤等造成嚴(yán)重污染［1］。為解決金尾礦堆積所帶來的環(huán)境問題，人們一直在尋求各種解決方案，進(jìn)行金尾礦綜合利用研究，包括金尾礦中有價(jià)元素的提取、金尾礦礦山回填、金尾礦復(fù)墾等［2］。近年來，礦山金品位逐漸降低，尾礦的價(jià)值也越來越低，人們開始將金尾礦處理重心放在功能化建材制備上，包括金尾礦制磚、水泥、混凝土、微晶玻璃、陶粒和陶瓷等［3-4］，并且取得了一定的成果。與無害化處理后的黃金尾礦回填或回收相比，以黃金尾礦為主要原料制備建筑材料不僅可以消耗大量工業(yè)固體廢棄物，減輕環(huán)境承載壓力，而且具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和良好的發(fā)展前景，全量化建材利用刻不容緩［5］。

本文將從典型黃金尾礦的主要成分及特點(diǎn)入手，介紹黃金尾礦制備建材的技術(shù)現(xiàn)狀，并結(jié)合我國目前的國情政策，重點(diǎn)對(duì)高值環(huán)保型綠色建材的制備進(jìn)行展望，以期為黃金尾礦的綜合利用提供參考。

1 典型黃金尾礦主要成分及特點(diǎn)

金尾礦是通過提金工藝回收金或其他有用成分后排出的固體廢物。一般情況下，黃金尾礦呈堿性，pH＞10。金尾礦中含有相對(duì)較高的二氧化硅和氧化鋁，同時(shí)含有一定量的氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、少量貴金屬（如金、銀）、重金屬（如銅、鉛、鋅），以及殘余氰化物和浮選劑等。由于原礦性質(zhì)和提金工藝的不同，金尾礦中含有價(jià)金屬元素的礦物性質(zhì)和含量也會(huì)發(fā)生變化，但也有一定的共性，如礦物相通常以石英、長石、云母、黏土和殘余金屬礦物為主，礦物粒度很細(xì)，泥化現(xiàn)象嚴(yán)重等［6］。典型黃金尾礦的主要化學(xué)成分見表1［7］。

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金尾礦主要特點(diǎn)是含有80%以上的硅鋁氧化物等無機(jī)礦物，其組分接近許多建材產(chǎn)品的原料成分，將其混合少量其他輔助添加劑后，就可用作許多非金屬材料的原料，再經(jīng)過一定的技術(shù)處理，便可獲得較理想的建筑材料，變廢為寶，變害為利。因此，黃金尾礦的再生利用符合我國的綠色可持續(xù)發(fā)展模式，具一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益［8］。

2 黃金尾礦制備傳統(tǒng)建材現(xiàn)狀

2.1 制 磚

傳統(tǒng)建筑用磚的原料一直以燒結(jié)黏土為主，占用了大量土地資源，中國早在2005 年就正式實(shí)施了禁用實(shí)心黏土磚的政策，逐步開展以尾礦、尾渣等工業(yè)固廢為原料生產(chǎn)墻地磚等材料的研究，進(jìn)而達(dá)到推進(jìn)建筑節(jié)能的目標(biāo)。根據(jù)不同的工藝，尾礦制磚可以分為燒結(jié)磚、蒸養(yǎng)磚和雙免磚等［9］。

2.1.1 燒結(jié)磚

與傳統(tǒng)燒結(jié)磚用黏土相比，金尾礦粒度更細(xì)，在降低研磨成本的同時(shí)利于特定燒結(jié)磚的制備。此外，金尾礦含有大量鋁硅酸鹽及少許微量組分，可替代大部分傳統(tǒng)制磚原料的同時(shí)，拓寬燒結(jié)磚的燒成溫度范圍。對(duì)金尾礦和其他添加劑等原料組分的比例適當(dāng)加以調(diào)控，便可獲得各種性能的燒結(jié)磚。

粒度控制方面，張金龍等［10］用金尾礦代替長石通過低溫快速燒制燒結(jié)瓷磚。尾礦中的石英和長石等約占總重量的70%，經(jīng)過除雜處理后，可作為優(yōu)質(zhì)陶長石的替代原料。研究結(jié)果表明，當(dāng)金尾礦摻量控制在50%、尾礦粒度為100～200 目時(shí)，燒制得到的陶瓷墻地磚符合質(zhì)量要求。楊永剛等［11］以黃金尾礦為主要原料，通過干壓硬塑成型制成生坯，然后燒結(jié)制成普通燒結(jié)磚。結(jié)果表明，小于0.075 mm 的金尾礦顆粒約占總量的79.57%，尾礦的最大摻量高達(dá)100%，試驗(yàn)最佳成型壓力為15 MPa，最佳成型水分為8%～9%，燒結(jié)溫度為1 050 ℃，保溫時(shí)間為60 min，可以獲得抗壓強(qiáng)度達(dá)到MU10 的燒結(jié)磚，不會(huì)出現(xiàn)石灰爆裂和泛霜。微量元素調(diào)節(jié)方面，彭建軍等［12］利用貴州高鈣高鎂低硅的卡林型金礦尾礦制備燒結(jié)磚。結(jié)果表明，該金尾礦中的高鈣/鎂和低硅特性利于拓寬燒結(jié)磚燒結(jié)溫度范圍，有效避免燒結(jié)磚爆裂和泛霜問題。此外，燒結(jié)磚原料組分調(diào)節(jié)方面，梁國海等［13］以黃金尾礦為原料，與紅陶土、黃土和鐵尾礦混合制成生坯，經(jīng)過工藝處理后制備燒結(jié)磚。結(jié)果表明，金尾礦:紅陶土:黃土的比例為5:4:1時(shí)，添加5%鐵尾礦的混合料具有較好的制坯性能。將混合材料的含水量控制在20%后，陳化24 h，手工練泥后，在2 MPa的成型壓力下制成坯料。在陰涼處自然干燥5 d后，可以滿足燒結(jié)工藝要求。在1 020 ℃燒結(jié)2 h，緩慢冷卻后，可生產(chǎn)出外觀色澤和質(zhì)量良好、達(dá)到MU15 強(qiáng)度等級(jí)的優(yōu)良燒結(jié)磚。李國昌等［14］以金尾礦為主要原料，煤矸石為造孔劑，采用模壓成型和擠壓成型的方法，在1 250 ℃燒結(jié)80 min 后，制備出性能良好的多孔透水磚。結(jié)果表明，通過調(diào)整原料組分，可以制備不同性能的透水磚，滿足不同用途的需要。對(duì)于壓制成型工藝，擠壓成型過程中適宜的原料配比為尾礦82%，煤矸石10%，膨潤土8%，高分子聚合物0.1%；對(duì)于擠出成型工藝，適宜的原料配比為尾礦75%，煤矸石10%，膨潤土15%，高分子聚合物0.1%。

上述研究表明，黃金尾礦燒結(jié)磚符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，是一種替代粘土磚的綠色建筑材料。它可以替代大部分原材料，制備出吸水率低、強(qiáng)度高、耐酸堿、耐急冷急熱、抗凍性優(yōu)異等特點(diǎn)的燒結(jié)磚。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，燒結(jié)磚需要的能耗、熱耗高，窯爐設(shè)備的定期維護(hù)，導(dǎo)致成本高，產(chǎn)品效益低，限制了燒結(jié)磚的發(fā)展?？偟膩碚f，金尾礦制備燒結(jié)磚不僅可以減少礦山開采，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高礦產(chǎn)資源的高值化利用，同時(shí)制備出的燒結(jié)磚能給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 蒸養(yǎng)磚

蒸養(yǎng)磚適用于各類民用建筑、公用建筑和工業(yè)廠房的內(nèi)、外墻，以及房屋的基礎(chǔ)。其最大的特點(diǎn)是利用蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝，無需燒結(jié)，可以作為一種燒結(jié)磚的替代產(chǎn)品。黃金尾礦制備蒸養(yǎng)磚是實(shí)現(xiàn)尾礦綜合治理利用、消除環(huán)境污染、節(jié)約土地資源的一條重要途經(jīng)。

劉心中等［15］利用黃金尾礦、生石灰，采用蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的砌筑磚。試驗(yàn)結(jié)果表明，黃金尾礦中的石英相在高溫高壓堿性溶液中有很大的溶解度和溶解速率，從而形成水化產(chǎn)物。大量的水化產(chǎn)物將石英顆粒連接在一起，使磚整體具有一定的強(qiáng)度。該工藝可用于生產(chǎn)強(qiáng)度達(dá)到MU20 及以上的磚。朱敏聰?shù)龋?6］將自然粒級(jí)的金尾礦與石灰和石膏按一定比例混合，采用高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝對(duì)蒸壓磚墻材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，得到的蒸壓磚密度為1 900～2 000 kg/m3，抗壓強(qiáng)度符合國家標(biāo)準(zhǔn)MU15 級(jí)磚的要求。袁善磊等［17］利用工業(yè)廢金礦尾礦和粉煤灰為原料，配合其他添加劑加水混合壓制生坯，經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝后，制備金礦尾礦粉蒸壓磚，中試產(chǎn)品通過吉林省建材商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢驗(yàn)，滿足MU15.0磚的要求，這為我國冶金行業(yè)黃金尾礦的綜合利用提供了新技術(shù)。

蒸壓磚是在高溫高壓條件下制成的，水化反應(yīng)比較充分，磚體的強(qiáng)度和性能比較穩(wěn)定，屬于低能耗、環(huán)保型新型建材，同時(shí)具備節(jié)能、節(jié)土的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)也較為明顯，蒸壓磚對(duì)高溫蒸壓工藝的參數(shù)條件要求更嚴(yán)苛，產(chǎn)品的成型條件更高。總的來說，金尾礦蒸壓磚也是實(shí)現(xiàn)金尾礦建材化利用的一條重要途徑。

2.1.3 雙免磚

相比蒸養(yǎng)磚復(fù)雜的工藝技術(shù)而言，雙免磚生產(chǎn)工藝和設(shè)備較為簡單，原料經(jīng)過攪拌后只需自然養(yǎng)護(hù)，工藝簡單易行，流水作業(yè)，一次壓制成型，免燒免蒸，節(jié)約大量能源。因此，用黃金尾礦制備雙免磚投資少，經(jīng)濟(jì)效益顯著，發(fā)展前景廣闊。

錢玲［18］以黃金尾礦為主要原料，按照金尾礦:石屑:膠結(jié)料為15∶3∶2 的配方，采用半干法高壓成型方法，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)制備金尾礦雙免磚。結(jié)果表明，該雙免磚強(qiáng)度可達(dá)C15，耐久性良好。Malatse M 等［19］采用不同比例的金尾礦、水泥和水進(jìn)行混合，磚坯分別采用曬干、360 ℃烘干和24 h 水環(huán)境養(yǎng)護(hù)3 種不同方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，結(jié)果表明，尾礦磚最佳養(yǎng)護(hù)體系為水環(huán)境下，最高抗壓強(qiáng)度達(dá)到530 kN/m2。崔瑞等［20］根據(jù)河南靈寶礦金尾礦的基本特征，分別對(duì)利用尾礦制備燒結(jié)磚和免蒸免燒結(jié)磚進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索了性能的影響因素，并闡述了制磚機(jī)理。結(jié)果表明，在制備免蒸免燒磚的過程中，對(duì)磚試樣抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋核啾龋境尚蛪毫Γ境尚退帧?/p>

以上研究表明，利用金尾礦制備雙免磚最值得關(guān)注的問題是，由于所使用的尾礦材料缺乏塑性，需要添加更多的水泥等膠凝材料提高其塑性，這也增加了部分尾礦磚的成本，因此，應(yīng)開發(fā)具有高塑性或高粘結(jié)性能的廉價(jià)添加劑來代替水泥。綜上所述，利用黃金尾礦作為制磚材料在環(huán)境保護(hù)和降低廢物管理成本方面具有很大潛力。

2.2 制備水泥

黃金尾礦在水泥制品方面的應(yīng)用較多，例如利用金尾礦生產(chǎn)水泥熟料、發(fā)泡水泥等。黃金尾礦粒度細(xì)且較均勻，具有較高的表面能和反應(yīng)活性，加入到水泥中能起到微集料效應(yīng)，能夠加快水泥水化，提高密實(shí)度和強(qiáng)度，可用作水泥混合材，適量添加可以降低水泥生產(chǎn)成本，改善水泥性能［7］，而且目前相應(yīng)的研究也較為成熟，面對(duì)著巨大市場需求，金尾礦水泥制品的發(fā)展也有著非常好的前景。

2.2.1 水泥熟料

水泥熟料是以石灰石和黏土、鐵質(zhì)原料為主要原料，按適當(dāng)比例配制成生料，燒至部分或全部熔融，并經(jīng)冷卻而獲得的半成品。絕大多數(shù)金礦尾礦中不僅含有鈣、硅、鋁等水泥熟料必有的元素，還含有大量的微量元素氧化物，利于水泥原料煅燒。此外，其潛在活性可起到增加水泥強(qiáng)度、減緩凝結(jié)時(shí)間，以及改善水泥的穩(wěn)定性的作用，具有制備水泥熟料的潛力。

張國強(qiáng)等［21］以黃金尾礦和石灰石為原料，煅燒制備富含高貝利特相的混凝土摻合料，并研究了以該摻合料制備C80 高性能混凝土與普通C80 混凝土耐久性能的差別。結(jié)果表明，該摻合料替代30%的P·II 52.5R 級(jí)水泥，生產(chǎn)得到的混凝土產(chǎn)品具有更高強(qiáng)度，不倒縮，而且具有較強(qiáng)的抗凍融破壞能力和耐硫酸鹽腐蝕性能。

雖然目前尾礦制備水泥的工藝已經(jīng)較為成熟，但是由于氰化提金工藝的普遍應(yīng)用，導(dǎo)致金尾礦作為一種比較特殊的尾礦，其殘留的氰化物在制備水泥制品時(shí)需要重點(diǎn)考慮。桑義敏等［22］在水泥窯中進(jìn)行了含氰金尾礦渣回收共處置的研究，探討了將含氰金尾礦渣代替水泥原料的可行性。結(jié)果表明，金尾礦的組成與水泥廠水泥原料的組成相似，從材料組成上看，用金尾礦替代部分水泥原料是可行的。同時(shí)，該方法有一定的氰化物解毒效果，高溫處理能有效去除金尾礦中的氰化物，處理后尾礦中的殘留氰化物濃度符合《展覽用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 350—2007）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上研究表明，黃金尾礦資源化替代部分水泥原料是可行的，利用黃金尾礦等原料燒成膠凝性能優(yōu)良的水泥膠凝材料，為黃金尾礦的綜合利用創(chuàng)造了條件。這不僅為礦山企業(yè)節(jié)省尾礦排放、土地占用和環(huán)境保護(hù)等方面的費(fèi)用，同時(shí)還為水泥制備相關(guān)企業(yè)提供了一種價(jià)廉物美的原材料。

2.2.2 發(fā)泡水泥

發(fā)泡水泥是一種性能優(yōu)異的泡沫狀保溫建筑材料，是將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，與水泥漿混合均勻后成型養(yǎng)護(hù)而成。由于發(fā)泡水泥的均勻多孔結(jié)構(gòu)使得其與普通水泥制品相比，具有更好的輕質(zhì)、隔熱、隔音、防水性能。有研究發(fā)現(xiàn)，將金尾礦作為摻料加入到發(fā)泡水泥中可優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高發(fā)泡水泥的性能。

郭家林等［23］以金尾礦和水泥為主要原料，雙氧水作為發(fā)泡劑，輔以其他添加劑，制備發(fā)泡水泥，利用正交實(shí)驗(yàn)法確定最優(yōu)配比。結(jié)果表明，最優(yōu)的配方為雙氧水量4.5%，母料量0.44%，水料比0.45，金尾礦添加量15%，制備的發(fā)泡水泥性能優(yōu)異，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.52 MPa，容重小于300 kg/m3，按照國家建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土》（JG/T 266—2011）對(duì)金尾礦發(fā)泡水泥制品進(jìn)行測試，為較佳等級(jí)A03 級(jí)。褚會(huì)超等［24］以二氧化硅基金尾礦為摻料添加到發(fā)泡水泥中，制備得到性能更加優(yōu)異的輕質(zhì)發(fā)泡水泥。結(jié)果表明，用適量的金尾礦代替粉煤灰可以減小發(fā)泡水泥的孔徑，提高孔的渾圓度和孔壁的密實(shí)度，達(dá)到提高水泥抗壓強(qiáng)度的效果。與空白樣品相比較，摻入10%比表面積為233 m2/kg的尾礦可將28 d抗壓強(qiáng)度提高84%；摻入10%比表面積為1 161 m2/kg的尾礦可將28 d 抗壓強(qiáng)度提高133%。許輝［25］將干燥后的黃金尾礦直接用于制備干混砌筑砂漿和發(fā)泡水泥。結(jié)果表明，以20%的摻量取代水泥粉混合制備干混砌筑砂漿，可以制備出滿足抗壓強(qiáng)度要求的M5、M10、M20 砌筑砂漿。同時(shí)，用金尾礦部分替代硅酸鹽水泥，可以制備干密度為A05 級(jí)，滿足強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能要求的發(fā)泡水泥。

發(fā)泡水泥作為一種新型節(jié)能環(huán)保材料，以其輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫節(jié)能、成本低、易于施工等優(yōu)點(diǎn)備受行業(yè)關(guān)注。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域，具有巨大的市場需求和廣闊的推廣應(yīng)用前景。如果能在保證產(chǎn)品性能的條件下盡可能多得摻入金尾礦，可為金尾礦的綜合利用提供新的方向。

2.3 制備地聚合物

地聚合物是一種堿激活的膠凝材料，由于其特殊的無機(jī)縮聚三維氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)良的性能，可以作為水泥的替代品，其研究逐漸受到了世界各國的廣泛關(guān)注。地聚合物生產(chǎn)典型工藝流程如圖1 所示，與傳統(tǒng)的水泥相比，地聚合物不僅可以完全利用黃金尾礦等工業(yè)固體廢棄物作為生產(chǎn)原材料，而且在常溫下就能直接反應(yīng)生產(chǎn)，減少大量的CO2產(chǎn)生，在諸多性能上表現(xiàn)出優(yōu)越性，但是利用金尾礦制備地聚合物的難點(diǎn)在于要合理利用堿激發(fā)劑以最大限度發(fā)揮尾礦的作用。

Jenni Kiventer?等［26］研究了黃金尾礦的地聚合作用，利用氫氧化鈉溶液對(duì)某金礦的硫化物尾礦進(jìn)行活化處理，采用磨碎高爐礦渣粉用作復(fù)合粘結(jié)劑，可作為礦山回填料或建筑行業(yè)的原材料。結(jié)果表明，純金尾礦試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在1.3～3.5 MPa 之間?；旌狭现械V渣粉含量為5%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，透水性降低。通過優(yōu)化氫氧化鈉濃度和礦渣粉含量，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高能達(dá)到25 MPa。Erich Caballero等［27］利用金礦廢棄物堿活化制備地聚合物。這些金礦廢棄物的礦物學(xué)和物化特征表明，它們具有作為地聚合物前驅(qū)體的巨大潛力，可以開發(fā)堿活化環(huán)保型粘結(jié)劑。試驗(yàn)表明，礦渣堿活化制備的地聚合物抗壓強(qiáng)度高于普通硅酸鹽水泥，在70 ℃下固化12 h，其抗壓強(qiáng)度值升高。Walter Pardavé 等［28］以哥倫比亞桑坦德省金礦尾礦為原料，配合純高嶺土和礬土制成前驅(qū)體材料，在600 ℃預(yù)熱處理后放置一小時(shí)，以質(zhì)量比為7∶3的氫氧化鈉和硅酸鈉混合物為活化劑，與前驅(qū)體材料混合后，通過機(jī)械攪拌，在90 ℃下初始固化24 h，在實(shí)驗(yàn)室條件下合成膠凝性地聚合物。研究結(jié)果顯示，該膠凝性地聚合物的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到P·I 型硅酸鹽水泥的強(qiáng)度水平。在工程應(yīng)用中，使用這種地聚合物替代硅酸鹽水泥，不僅可以減少硅酸鹽水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染，而且可以減少金礦開采對(duì)環(huán)境的污染。

綜上，利用金尾礦生產(chǎn)地聚合物可以將這些金礦廢棄物轉(zhuǎn)化為具有高機(jī)械強(qiáng)度、高化學(xué)惰性和高耐久性的材料，為礦業(yè)副產(chǎn)品帶來了高附加值。此外，利用金尾礦廢渣制備的地聚合物具有生產(chǎn)成本低、抗壓強(qiáng)度高、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)。這不僅為地聚合物的生產(chǎn)提供了一條新思路，還能通過礦物資源化處置來解決環(huán)境問題。

2.4 制備混凝土

2.4.1 砂漿混凝土

砂漿混凝土是建筑領(lǐng)域最為常見的建筑材料，由膠凝材料、骨料和水按一定比例配制而成。近年來建筑市場的巨大需求推動(dòng)了砂石市場的快速發(fā)展，然而持續(xù)過度地開采導(dǎo)致天然砂石資源逐漸減少，成本走高，利潤低。同時(shí)，為了維護(hù)自然景觀，保護(hù)生態(tài)平衡，我國已經(jīng)大規(guī)模禁止采礦。大部分金尾礦已達(dá)到建筑用骨料的粒度標(biāo)準(zhǔn)，稍加處理即可制備機(jī)制砂，所以利用尾礦制備機(jī)制砂逐漸占據(jù)市場，并成為砂漿混凝土原料的最佳來源之一。許多混凝土和砂漿企業(yè)已開始在生產(chǎn)中用機(jī)制砂替代天然砂，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

張旭等［29］利用金礦尾礦制備新型砂漿。結(jié)果表明，當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí)，可制備出強(qiáng)度等級(jí)為M15 的砂漿。其性能與相同配合比下的天然砂漿并無明顯差別。尾礦對(duì)強(qiáng)度和收縮性影響不大，既節(jié)約了天然砂資源，又消耗了大量的廢料。Kubra Kunt等［30］研究了帕加馬金尾礦作為一種添加劑在硅酸鹽水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用，以硅酸鹽水泥和干金尾砂為原料，制備了水泥砂漿。研究表明，金尾礦適合做砂漿骨料，摻量為5%時(shí)，產(chǎn)品的抗壓和抗折強(qiáng)度能達(dá)到比較好的效果。N.Parthasarathi 等［31］對(duì)用金尾礦代替河砂生產(chǎn)混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明，通過適當(dāng)比例的碎石或人工砂進(jìn)行改良，金尾礦可以達(dá)到要求的細(xì)集料級(jí)配限制。將處理后的金尾礦替代河砂，當(dāng)替代量為30%時(shí)，所得混凝土強(qiáng)度比普通河砂混凝土強(qiáng)度高，不僅節(jié)約了天然河砂的使用，而且消納了大量固體廢棄物。Preethi A［32］將金礦尾礦作為混凝土生產(chǎn)中河砂的部分替代品。分別用5%、10%、15%、20%、25%的金尾礦代替河砂，配制混凝土細(xì)骨料，并與常規(guī)混凝土進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，添加一定量的金尾礦可以替代細(xì)骨料，金礦尾礦可以作為一種較細(xì)的能降低混凝土孔隙度的材料，對(duì)混凝土的力學(xué)性還有一定的增強(qiáng)作用。采用金尾礦代替細(xì)集料達(dá)到20%時(shí)，取得了較為滿意的效果。

以上研究表明，為了滿足砂漿和混凝土中細(xì)骨料對(duì)顆粒級(jí)配的要求，可以利用各種廢棄物資源配合尾礦砂，通過機(jī)制砂設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚砗笾瞥扇斯ど笆?。根?jù)顆粒級(jí)配理論將機(jī)制砂或天然砂組成混合砂，可用于制備不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土制品，其工作性能、力學(xué)性能和耐久性滿足現(xiàn)代施工技術(shù)的要求。這不僅解決了金尾礦堆積造成地環(huán)境污染問題，而且實(shí)現(xiàn)了尾礦資源的再利用目標(biāo)，機(jī)制砂代替天然砂將成為今后發(fā)展趨勢。

2.4.2 加氣混凝土砌塊

與發(fā)泡水泥相比，二者的本質(zhì)區(qū)別是發(fā)泡方式不同。加氣混凝土砌塊也是一種膠結(jié)材料，尾礦中添加適量的水、造氣劑等添加劑，經(jīng)養(yǎng)護(hù)制成，其具有輕質(zhì)、多孔、隔熱、防火性能好、可釘性、可鋸性、可刨性和一定的抗震性能，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑，逐漸取代實(shí)心粘土磚成為一種具有生命力的新型墻體材料。

丁亞斌等［33］研究了利用黃金尾礦生產(chǎn)加氣混凝土砌塊的可行性。制備過程采用高溫高壓飽和水蒸氣介質(zhì)條件下進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，該工藝技術(shù)成熟、裝備先進(jìn)、安全可靠、資源產(chǎn)出率高，有利于保護(hù)環(huán)境，變廢為寶，資源優(yōu)化。陳偉等［34］以山東招遠(yuǎn)金礦金尾礦為主要原料，研究了石膏含量和鈣/硅比對(duì)加氣混凝土制品強(qiáng)度和容重的影響，并用XRD 和SEM 對(duì)加氣混凝土制品進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，石膏可以調(diào)節(jié)加氣混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高坯體的前期強(qiáng)度，但對(duì)制品的絕對(duì)干強(qiáng)度沒有顯著影響，適宜的摻量為總質(zhì)量的3%；托貝莫來石結(jié)晶的程度和數(shù)量決定了加氣混凝土制品的強(qiáng)度，其結(jié)晶的程度和數(shù)量又受原料鈣硅比的影響，試驗(yàn)確定的適宜鈣/硅比為0.7。陳鰲聰?shù)龋?5］以河北某金礦浮選尾礦為硅質(zhì)原料，對(duì)黃金尾礦制備加氣混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并詳細(xì)研究了蒸壓制度對(duì)產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明，在升溫時(shí)間為2 h，保溫時(shí)間為8 h，恒溫壓力為1.48 MPa，恒溫195 ℃，冷卻時(shí)間為3 h 的條件下，制備的金尾礦加氣混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到5.81 MPa，干密度590 kg/m3，滿足GB 11968—2006 中A5.0、B06 級(jí)蒸壓加氣混凝土砌塊優(yōu)等品的要求。

綜上，在黃金礦產(chǎn)資源開采中，金礦石品位低，經(jīng)選礦生產(chǎn)工藝產(chǎn)生大量尾礦。集輕質(zhì)、保溫、防火、吸聲、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)的加氣混凝土砌塊成為了十分重要的建筑材料，被廣泛應(yīng)用。將如此次大量的金尾礦替代細(xì)砂生產(chǎn)加氣混凝土，也是黃金尾礦開發(fā)利用的重要方式之一。

2.5 制備傳統(tǒng)陶瓷

陶瓷是以天然粘土以及各種天然礦物為主要原料經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料的各種制品，其生產(chǎn)工藝如圖2所示。黃金尾礦陶瓷與普通陶瓷相比，成分相似，燒結(jié)溫度更低，可以利用其制備陶瓷墻地磚等建筑用陶瓷及工藝品陶瓷等傳統(tǒng)陶瓷制品。金尾礦部分替代坯體原料可以節(jié)約天然礦物資源，降低能耗，在解決尾渣堆存問題和減輕環(huán)境壓力的同時(shí)，陶瓷的性能也有了顯著的提高，相應(yīng)的研究應(yīng)用逐漸占據(jù)市場。

黃菲等［36］以湖北省的矽卡巖金尾礦為原料，根據(jù)成陶要求設(shè)計(jì)的坯料與水混合制成坯體。在氧化氣氛中，980～1 000 ℃條件下燒結(jié)15 h得到陶瓷坯體材料。結(jié)果表明，生坯燒結(jié)后形成穩(wěn)定的鈣長石等新礦物相，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，吸水率為7.46，硬度為5.5～6，滿足工藝陶瓷坯體的性能要求。然而，燒結(jié)坯體中仍然存在裂紋和孔洞。需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝過程以提高坯體性能。劉振華等［37］利用山東某黃金廠排出的氰化尾礦，添加萊陽土等黏土材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備綠色建筑陶瓷。結(jié)果表明，氰化尾渣的化學(xué)成分與陶瓷坯相近，而且粒度細(xì)，流動(dòng)性好，坯體干燥收縮率小，干燥敏感系數(shù)小，干坯體強(qiáng)度高。在1 120 ℃的條件下燒制15 min，得到的建筑陶瓷吸水率低至1.00%，抗折強(qiáng)度高至56.7 MPa。在高溫?zé)蛇^程中，氰化物分解脫除，重金屬被燒結(jié)固化，有效實(shí)現(xiàn)了含氰金尾礦渣的無害化建材利用。金尾礦陶瓷相較于傳統(tǒng)的燒結(jié)陶瓷，需要的燒結(jié)溫度更低，有利于節(jié)能降耗，同時(shí)，高溫?zé)Y(jié)情況下，可以去除掉黃金尾礦中有害的殘留藥劑和氰化物等，是一種非常有效的處理危險(xiǎn)廢渣的途徑。

此外，工藝陶瓷屬于燒結(jié)陶瓷一種，金尾礦陶瓷屬于廢棄物再生制品，將其用于工藝陶瓷和陶瓷釉料的制備是一種較好的應(yīng)用方式。由于黃金尾礦中含有豐富的微量金屬元素，這些金屬元素在不同的礦物成分及燒成條件下能產(chǎn)生豐富的窯變現(xiàn)象，非常適合生產(chǎn)工藝陶瓷釉料。蘇俊基［38］利用金尾礦為原料制備了裝飾藝術(shù)釉。結(jié)果表明，以金尾礦為基礎(chǔ)釉料可以開發(fā)出陶瓷行業(yè)常用的具有特殊裝飾效果的藝術(shù)釉，坯體中金尾礦的最大摻量可達(dá)到56%，釉料中金尾礦的最大添加量可達(dá)27%。陳瑞文等［39］以金尾礦為主要原料開發(fā)了系列窯變色釉。通過對(duì)生產(chǎn)工藝的研究，使其適合大規(guī)模生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，黃金尾礦在坯料中的加入量可達(dá)到20%～30%，釉料中更可達(dá)到50%～85%。

綜上，黃金尾礦生產(chǎn)的陶瓷坯體和釉料不僅可以實(shí)現(xiàn)固體廢棄物綜合利用，減少環(huán)境污染，還可以降低窯爐變色釉料陶瓷的生產(chǎn)成本，為黃金尾礦的綜合利用開辟了一條新途徑，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

3 黃金尾礦制備高附加值綠色建材

目前，黃金尾礦作為制磚、水泥、混凝土等傳統(tǒng)大宗建材的原料已經(jīng)達(dá)到一定的規(guī)模。不過，受運(yùn)輸成本和銷售半徑的限制，較成熟的傳統(tǒng)建材仍存在附加值低、應(yīng)用水平不高和形式單一等問題。雖然一些研究人員和企業(yè)利用黃金尾礦生產(chǎn)建筑材料，但數(shù)量少、規(guī)模小，仍未達(dá)到減排和回收利用的目的。為推動(dòng)黃金行業(yè)技術(shù)工藝改革，向黃金尾礦真正的減量化、無害化、資源化方向發(fā)展，進(jìn)行高檔次、高附加值綠色建材的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用將會(huì)是黃金尾礦未來發(fā)展的方向。

3.1 制備微晶玻璃

微晶玻璃作為一種新型無機(jī)非金屬材料，與普通玻璃和陶瓷有所不同，其具有玻璃和陶瓷的雙重特性。微晶玻璃比陶瓷的亮度更高，比玻璃韌性強(qiáng)。金尾礦的組分主要包括SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3，以及少量MgO、Na2O、K2O 和TiO2等氧化物，其中Fe2O3、TiO2等氧化物可以作為有效的晶核劑，促進(jìn)玻璃形核和后期析晶，提高微晶玻璃的致密度和強(qiáng)度，Na2O、K2O 和部分微量元素可以作為助熔劑，降低燒成溫度，促進(jìn)玻璃形成［40］。因此，以黃金尾礦為主要原料，通過合理配料可以制備性能良好的微晶玻璃。微晶玻璃常用的制備方法為高溫熔融法和燒結(jié)法，其流程如圖3 所示。金尾礦微晶玻璃的研究在國外起步較早，近些年在我國開始興起。目前，微晶玻璃的生產(chǎn)主要是利用礦渣及其他玻璃原料混合熔化后燒制成晶化微晶玻璃，經(jīng)過磨拋工藝處理后，制作成具有不同紋路的微晶玻璃裝飾材料。

熔融法制備方面，陳維鉛等［41］以金礦尾礦和方解石為主要原料，采用熔融法制備主晶相為輝石和透輝石固溶體，次晶相為鐵鉀硅酸鹽CaO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃。結(jié)果表明，最佳的晶化條件為950 ℃保溫3 h。微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)、彎曲強(qiáng)度和密度分別可達(dá)到68.7×10-7/℃、122 MPa 和2.836 g/cm3。其熱膨脹系數(shù)較小，彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)高于建筑裝飾微晶玻璃標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于建筑裝飾和機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域。張圣斌［42］以金渣和赤泥為原料，加入一定量的添加劑，通過高溫熔融法制備微晶玻璃。結(jié)果表明，該產(chǎn)品的致密性良好，晶粒分布均勻，抗壓強(qiáng)度達(dá)到167 MPa，兩種固體廢棄物的添加量最高可達(dá)85%，為兩種固體廢棄物的資源化處理開辟了一條新途徑。胡文廣等［43］以鋼渣和金尾礦為主要原料，通過高溫熔融制備微晶玻璃。研究表明，兩種固體廢棄物的處理比例可達(dá)90%。當(dāng)鋼渣摻量為70%，金尾礦摻量為20%時(shí)，微晶玻璃的抗壓強(qiáng)度可達(dá)171.7 MPa，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可應(yīng)用于建筑裝飾等領(lǐng)域。Liang K 等［44］用金尾礦熔融制備堇青石基微晶玻璃。結(jié)果表明，該微晶玻璃具有良好的力學(xué)性能，硬度可達(dá)到6 550±98 MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)到97±7 MPa，密度為2.46±0.09 g/cm3，優(yōu)于工業(yè)堇青石。彭飛等［45］研究了以黃金尾礦為原料制備微晶玻璃及其形核析晶動(dòng)力學(xué)，其晶化后的SEM照片如圖4所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃金尾礦中的Fe2O3、TiO2等氧化物有助于晶核的形成，晶?？焖偕L，相遇后停止生長，這樣可以得到納米級(jí)晶粒的微晶玻璃，有助于提高微晶玻璃的彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能。

與熔融法不同，燒結(jié)法溫度低、熔化時(shí)間短，更易晶化，且不需要添加形核劑，節(jié)能降耗。邢軍等［46］在金礦尾礦中加入適量的鎂、鋁材料和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整氧化物，燒結(jié)得到以堇青石、尖晶石及頑火輝石固溶體為主要晶相的微晶玻璃。其特點(diǎn)是引入離子半徑小、場強(qiáng)大的陽離子氧化物，使離子聚集緊密，形成的配位多面體牢固，有助于提高材料的強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。劉心中等［47］以金尾礦為主要原料，輔以鈣鎂原料，制備CaO-Al2O3-SiO2體系微晶玻璃。并且在此基礎(chǔ)上，通過添加各種著色劑和其他添加劑，制得各種顏色的微晶玻璃花崗巖。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)裝飾材料相比，該制品的理化性能高于天然花崗巖，成本較低，市場需求廣闊。劉瑄等［48］以焦家金礦尾礦為基本原料，通過控制最高燒結(jié)溫度和結(jié)晶保溫時(shí)間來控制結(jié)晶量，從而制備出以硅灰石為主晶相的微晶玻璃。研究發(fā)現(xiàn)，金尾礦的最大利用率可達(dá)60%，綜合利用率近90%，原料成本降低30%，綜合成本降低20%，產(chǎn)品指標(biāo)符合國家建材行業(yè)“建筑裝飾微晶玻璃”的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在制備過程中加入著色劑，制備得到的微晶玻璃可呈現(xiàn)黃色、綠色和灰色等不同花色，能夠用于裝飾行業(yè)微晶玻璃板的工業(yè)化生產(chǎn)。曹耀華等［49］以靈湖金尾礦為主要原料，按一定比例與氫氧化鋁、碳酸鈉、氧化鈣和氧化鋅混合，通過熔融、水淬和熱處理制取以β硅灰石為主晶相的微晶玻璃產(chǎn)品。結(jié)果表明，最佳的熱處理制度是燒結(jié)溫度892 ℃，結(jié)晶溫度976 ℃，所得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加致密，抗彎強(qiáng)度更高。

利用金尾礦制備微晶玻璃，在其制備過程中同時(shí)可以消納大量粉煤灰、廢玻璃等其他工業(yè)固廢，不僅解決了大量固廢帶來的環(huán)境問題，還能提高產(chǎn)品附加值。但是，由于金尾礦成分復(fù)雜，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)形核及晶化機(jī)理的研究，形成配套的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。綜合利弊，微晶玻璃將會(huì)成為金尾礦處理的一種重要形式，其板材產(chǎn)品會(huì)在建筑領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。

3.2 制備陶粒

陶粒是一種在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)發(fā)泡生產(chǎn)的輕骨料。它具有球狀的外形，表面光滑而堅(jiān)硬，內(nèi)部呈蜂窩狀，有密度小、熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，其典型生產(chǎn)工藝如圖5所示。作為一種陶質(zhì)顆粒，其制備原料與金尾礦成分相近。因此，利用金礦尾礦為主要原料，配合其他輔料稍作調(diào)整，混合攪拌成球，經(jīng)焙燒后制備燒結(jié)陶粒，可應(yīng)用于建材、綠化材料等，為金礦尾礦的高附加值利用開辟了新途徑。

段美學(xué)等［50］以黃金尾礦為主要原料，粉煤灰為輔助原料，通過焙燒工藝進(jìn)行陶粒制備的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，在1 150 ℃下焙燒制備的陶粒性能最佳，堆積密度可達(dá)到736 kg/m3，筒壓強(qiáng)度達(dá)到4.3 MPa，吸水率7.9%，符合建筑陶粒要求。閆傳霖［51］利用黃金尾礦、粉煤灰和煤粉為原料制備燒脹陶粒，通過兩次正交試驗(yàn)，確定了最佳配方和最優(yōu)燒結(jié)制度，最后獲得的燒脹陶粒的SEM 照片，見圖6。從圖中可以看出，陶粒內(nèi)部呈微型的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，宏觀上是一種板柱狀的長石晶體，其陶粒堆積密度為856 kg/m3，筒壓強(qiáng)度達(dá)到5.95 MPa，吸水率為5.2%，表觀密度為1 632 kg/m3，軟化系數(shù)為0.88，滿足我國對(duì)輕集料性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。張其勇等［52］以火山灰和金尾礦為原料制備了輕質(zhì)陶粒，并利用正交試驗(yàn)方法探究了最優(yōu)燒成制度。結(jié)果表明，在預(yù)燒結(jié)溫度為500 ℃、預(yù)熱時(shí)間為30 min、焙燒溫度為1 075 ℃、焙燒時(shí)間為15 min 的條件下，燒制的陶粒筒壓強(qiáng)度可達(dá)到21.3 MPa，容重843 kg/m3，吸水率9.3%，滿足GB/T 17431.1—2010 對(duì)人工輕集料的要求。趙威等［53］以商洛堆積量較大的金尾礦為主要原料，制備了內(nèi)部微孔分布均勻的輕質(zhì)高強(qiáng)陶粒。通過單因素變量分析，研究了水摻量、金尾礦摻量、發(fā)泡劑摻量和燒結(jié)溫度對(duì)陶粒筒壓強(qiáng)度、堆積密度和吸水率的影響。結(jié)果表明，生料球的最佳水摻量為30%，發(fā)泡劑0.3%，最佳焙燒溫度為1 150 ℃。在該工藝制度下，制取的金尾礦陶粒筒壓強(qiáng)度為10.2 MPa，堆積密度為762 g/cm3，吸水率為2.6%，微孔分布均勻，有利于提高陶粒的保溫性能。

目前，針對(duì)金尾礦制備陶粒的研究并不多，所以金尾礦陶粒的研究還能夠進(jìn)一步加強(qiáng)，市場前景廣闊。在保證陶粒性能要求的情況下，應(yīng)盡可能提高金尾礦的摻量，替代黏土、頁巖等傳統(tǒng)陶粒原料，實(shí)現(xiàn)消納危險(xiǎn)固體廢棄物、變廢為寶的目標(biāo)，達(dá)到金尾礦減量化、無害化和資源化的目標(biāo)。

3.3 制備泡沫陶瓷

泡沫陶瓷是一種具有耐高溫特性的多孔材料，具輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐火、耐腐蝕等優(yōu)異性能，可應(yīng)用于建材、航空、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。我國目前利用黃金尾礦為原料制備泡沫陶瓷起步較晚，研究較少，但是近些年來已經(jīng)有研究學(xué)者和部分企業(yè)開始逐漸重視固廢泡沫陶瓷的研究開發(fā)。尾礦泡沫陶瓷以其優(yōu)異的性能、低成本、高收益，未來將會(huì)占據(jù)保溫建材的市場，其制備工藝如圖7所示。

趙英良等［54］以金尾礦為原料，添加其他輔助原料和發(fā)泡劑，在實(shí)驗(yàn)室條件下試制泡沫陶瓷，驗(yàn)證了金尾礦制備泡沫陶瓷的可行性，為進(jìn)一步提高金尾礦利用率奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。結(jié)果表明，在1 050 ℃～1 150 ℃下可以制備建筑外墻保溫泡沫陶瓷產(chǎn)品，但配方和工藝條件仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。周明凱等［55］以高硫金尾礦為主要原料，加入煤矸石、輕燒氧化鎂、氧化鋁等輔料，制備了性能優(yōu)異的泡沫陶瓷（見圖8），并深入研究了發(fā)泡的影響因素。結(jié)果表明，氧化鋁對(duì)發(fā)泡溫度和燒成范圍有顯著影響，同時(shí)硫化鐵有助于減少發(fā)泡劑的用量。在尾礦摻量為65%～75%，基體氧化鋁20%的條件下，可制備出性能優(yōu)異的泡沫陶瓷材料。

以上的研究表明，由于金尾礦的組成與傳統(tǒng)泡沫陶瓷原料相似，可以通過添加其他輔料和發(fā)泡劑來制備泡沫陶瓷。但是金尾礦成分復(fù)雜，而且泡沫陶瓷的生產(chǎn)要求較高，所以需要進(jìn)一步研究如何使發(fā)泡更加均勻，提高成品率，這樣一來不僅通過高溫去除掉金尾礦中的毒害物質(zhì)，而且作為一種新型綠色建筑材料，其可以廣泛應(yīng)用于節(jié)能保溫材料等領(lǐng)域。

4 結(jié)論與展望

目前，我國大部分黃金企業(yè)的金尾礦綜合利用程度偏低，與國外相比存在十分顯著的差距。因此，我們不僅要從金礦資源綜合利用的源頭入手，提高和完善現(xiàn)有的以有價(jià)元素回收為主的多元綜合回收利用技術(shù)，而且還要不斷開發(fā)適合我國國情、政策支持、技術(shù)經(jīng)濟(jì)上可行、適應(yīng)市場需求的尾礦資源化技術(shù)，并大規(guī)模推廣工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。同時(shí)，黃金企業(yè)要逐漸轉(zhuǎn)變尾礦處理的觀念，從過去單純處理金尾礦中的毒害物質(zhì)、提取有價(jià)元素的過程逐步轉(zhuǎn)向固廢資源綜合利用的方向，特別要加強(qiáng)黃金尾礦建材的高值化應(yīng)用研究。不僅要繼續(xù)進(jìn)行金尾礦制備磚、水泥制品等傳統(tǒng)建材的工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，而且更為關(guān)鍵的是加強(qiáng)以微晶玻璃、泡沫陶瓷、輕質(zhì)陶粒等高附加值、性能優(yōu)異、節(jié)能環(huán)保的綠色建材的研發(fā)。這樣不僅真正做到節(jié)約自然資源，減少廢棄物的數(shù)量，變廢為寶，降低產(chǎn)品的成本，達(dá)到高值化利用的目標(biāo)，更重要的是利于環(huán)境污染的治理，實(shí)現(xiàn)金尾礦資源的綜合利用。