利用銅陵尾礦料制備無機(jī)人造石裝飾材料的研究

吳琛 趙寶軍 曾正祥 王俊 尹正

（廣東海龍建筑科技有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

銅陵市素有“中國古銅都”之稱，屬長江中下游成礦帶，是著名的礦業(yè)城市，也是重要的有色金屬基地，截至2015年底，查明資源儲量的礦產(chǎn)有煤、鐵、銅、金、銀、硫鐵礦和水泥用灰?guī)r等26種，其中銅礦儲量425萬噸，金礦333噸，硫鐵礦54992萬噸。礦產(chǎn)地164處，其中大型17處、中型19處、小型以下128處。銅陵市已建立完整的勘探、采礦、選礦、冶煉加工的有色金屬產(chǎn)業(yè)鏈[1]，礦業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為了國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。

長期的采選冶生產(chǎn)活動造成了礦產(chǎn)固體廢棄物堆積問題突出，全市累計建有尾礦庫約47個，其中在用尾礦庫10個，停用尾礦庫24個，閉庫尾礦庫13個。尾礦庫庫存尾砂存量巨大，帶來的環(huán)境問題及安全問題日益凸顯，主要有尾砂重金屬造成水土污染，占用土地資源，還存在一定的安全隱患，有產(chǎn)生泥石流風(fēng)險，且尾礦庫維護(hù)經(jīng)濟(jì)成本高昂，這制約了銅陵市城市發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)，對大量尾礦料的處理已經(jīng)成為銅陵市迫切需要解決的問題[2]。

目前，國內(nèi)的人造石產(chǎn)品主要是以不飽和聚酯樹脂制成的有機(jī)人造石崗石、有機(jī)人造石英石及以鋁粉作為填充料的實體面材人造石，還有用無機(jī)硅酸鹽作為膠凝材料澆筑成型的無機(jī)水磨石或用荒料壓制法制成的無機(jī)水磨石[3]。上述有機(jī)、無機(jī)人造石都從市場上購買精加工的鈣砂、石英砂或玻璃顆粒作為其主要填充骨料，不但浪費(fèi)礦產(chǎn)資源，且價格昂貴，導(dǎo)致最終產(chǎn)品售價居高不下。用無機(jī)膠粘劑制成的無機(jī)人造石不但價格昂貴，性能也存在問題，如抗折、抗壓強(qiáng)度低，吸水率高及表面返堿嚴(yán)重等。而以尾礦料作為填充骨料、應(yīng)用壓板法工藝制成的無機(jī)人造石，不但消解了尾礦庫對地區(qū)環(huán)境的安全隱患，釋放土地資源，緩解下游企業(yè)關(guān)鍵性生產(chǎn)原料價格高、供應(yīng)緊張等問題，而且產(chǎn)品性能也大幅度超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的指標(biāo)[4]。

本文對以尾礦料作為主要填充料，利用無機(jī)膠凝材料作為粘接劑，并配以白色、黑色、黃色等無機(jī)顏料及外加劑，均勻混合，在高真空、高頻振動條件下生產(chǎn)新型無機(jī)人造石產(chǎn)品展開研究，這對于推進(jìn)節(jié)能減排，發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，資源再利用，開拓循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會有重要意義，為尾礦難處理問題提供可行的解決方案。

1 試驗部分

1.1 原材料

①銅陵尾礦料（以下簡稱為尾礦料），將取自銅陵水木沖尾礦庫的尾礦料先晾曬、篩分，再分級包裝；②水泥，52.5R白色硅酸鹽水泥（江西銀杉水泥有限公司）；③聚羧酸減水劑；④增強(qiáng)劑，外購偏高嶺土超細(xì)粉；⑤增韌劑乳液；⑥拜爾系列色粉顏料。

1.2 試驗方法

以尾礦料顆粒為主要填充骨料，白色硅酸鹽水泥為膠凝材料，偏高嶺土、乳液作為無機(jī)人造石產(chǎn)品的增強(qiáng)增韌劑，用減水劑、無機(jī)顏料等作為外加劑，按和易性要求加入一定量自來水，經(jīng)過行星式攪拌機(jī)攪拌均勻后，再經(jīng)過對輥打散機(jī)將攪拌中存在的球團(tuán)打散破碎，然后進(jìn)入320×320mm橡膠模具中布料，布料完成后將模具通過輸送帶送入壓機(jī)內(nèi)腔，先下壓框、提起壓頭，對壓機(jī)內(nèi)腔進(jìn)行抽真空處理，待真空度達(dá)到-0.095MPa后，再下壓頭至模具框內(nèi)，對布好的坯料進(jìn)行振動壓制成型，壓制完成后破真空，提起壓頭、壓框，將模具從壓機(jī)內(nèi)腔送出，24h后脫模，放入恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，七天后可進(jìn)行定厚、拋光及切割后處理工序。按建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》檢測其相關(guān)性能。

影響人造石強(qiáng)度的一個主要因素是人造石中各組成材料的顆粒級配，因此利用尾礦料作為填充骨料，需要確定其合理級配，以制備高性能的無機(jī)人造石。尾礦料顆粒的最佳配比用以下方法進(jìn)行測試和表征：選用不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)篩，對尾礦料分別進(jìn)行篩分，篩分后的尾礦料顆粒作為試驗材料，其粒徑規(guī)格是粗顆粒6～10目，中顆粒20～30目，細(xì)1 顆粒100～120 目，細(xì)2 顆粒30～60 目。表1為不同粒級尾礦料顆粒的容重[5]。

表1 不同粒徑尾礦料顆粒振動前后的容重（g/cm3）Tab.1 Bulk density of tailings of different particle sizes with or without vibration (g/cm3)

采用容重法確定尾礦料的合理顆粒級配：以大顆粒為基礎(chǔ)，在大顆粒中摻入不同數(shù)量的中顆粒，分別測試其容重；當(dāng)容重最大時，認(rèn)為此時中顆粒充分填充了大顆粒的間隙，大、中顆粒的比例即為合理配比。再在此比例的顆粒中摻入細(xì)顆粒，用同樣的方法求得新的合理配比。如此重復(fù)，得出的最終比例即為合理的顆粒級配。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同顆粒配比對尾礦料容重的影響

先測試尾礦粗顆粒與中顆粒的配比。設(shè)粗顆粒的質(zhì)量為1，中顆粒質(zhì)量從0～1；中顆粒質(zhì)量為1，粗顆粒質(zhì)量從0～1，測定尾礦料的容重，其結(jié)果如表2和表3所示。

表2 不同顆粒配比下的容重（一）Tab.2 Bulk density under different particle ratios

表3 不同顆粒配比下的容重（二）Tab.3 Bulk density under different particle ratios

由表2和表3可見，當(dāng)粗、中顆粒比為1:0.9時，無論振動前后容重都最大，可以認(rèn)為該比例為尾礦料中粗顆粒與中顆粒的最佳合理配比。

將該試驗組混合料質(zhì)量看作1的整體，細(xì)顆粒質(zhì)量從0.1起始，每次增加0.1，分別測定尾礦料的容重。由于粗、中顆粒間選用不連續(xù)分布顆?？色@得較好的試驗結(jié)果，選用不連續(xù)分布的細(xì)1顆粒進(jìn)行試驗，其結(jié)果如表4所示，作為對比，采用同樣的方法，用細(xì)2顆粒進(jìn)行試驗，其結(jié)果如表5所示。

表4 不同顆粒配比下的容重（三）Tab.4 Bulk density under different particle ratios

表5 不同顆粒配比下的容重（四）Tab.5 Bulk density under different particle ratios

由以上試驗結(jié)果可以看出，不連續(xù)分布的尾礦料顆粒在顆粒級配中能夠獲得較高的容重，當(dāng)配比為1:0.4時容重最大為1.7905g/cm3；連續(xù)分布的尾礦料顆粒在顆粒級配中則不能獲得較高的容重，當(dāng)配比為1:0.3時容重最大為1.6437g/cm3，這與所設(shè)計的容重法確定合理顆粒級配的原理相一致。

2.2 尾礦料粒度級配對人造石性能的影響

采用52.5R白色硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料，在膠骨比為0.37，水膠比為0.22，減水劑用量為水泥重量的0.4%條件下，成型無機(jī)人造石，參照J(rèn)C/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》進(jìn)行性能測試。尾礦骨料粒度級配對無機(jī)人造石性能的影響見表6，其中樣品1為尾礦料不經(jīng)過篩分處理，直接攪拌、壓制成型，樣品2為尾礦料經(jīng)過篩分后采用連續(xù)級配成型，樣品3為尾礦料經(jīng)過篩分后采用不連續(xù)級配成型。

表6 尾礦骨料粒度級配對無機(jī)人造石性能的影響Tab.6 Effects of tailings aggregate size gradation on performance of inorganic artificial stone

由表6可知，各樣品的性能指標(biāo)均超過JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的要求（規(guī)范要求水泥人造石的抗折強(qiáng)度≥10MPa，吸水率≤4%，光澤度≥60光澤單位），表明利用尾礦料作為填充骨料，以壓板法工藝制備無機(jī)人造石是可行的。

此外，由表6和圖1可知，在相同條件下，尾礦料經(jīng)篩分級配后成型的無機(jī)人造石產(chǎn)品，其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、吸水率及光澤度等性能相較于尾礦料未經(jīng)處理的產(chǎn)品均有顯著提高，其中，采用不連續(xù)分布的合理顆粒級配成型樣品的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到19.5MPa和120.6MPa，各提高了33.6%和47.8%。

圖1 尾礦骨料粒度級配對無機(jī)人造石力學(xué)性能的影響Fig.1 Effects of tailings aggregate size gradation on mechanical properties of inorganic artificial stone

2.3 尾礦料無機(jī)人造石與同類裝飾材料的比較

在建筑裝飾領(lǐng)域，有建筑陶瓷、天然石材和傳統(tǒng)有機(jī)人造石等裝飾材料。綜觀上述材料，建筑陶瓷應(yīng)用時間較長，各方面性能較好，但其為燒結(jié)型無機(jī)裝飾材料，生產(chǎn)能耗大；天然石材具有天然的裝飾效果和質(zhì)感，但其資源有限，大面積鋪裝時存在色差和不同程度的放射性超標(biāo)等問題；傳統(tǒng)樹脂型人造石為反應(yīng)固化型裝飾材料，其色彩搭配多樣，裝飾性較強(qiáng)，但樹脂易老化變形變色，不耐火，易發(fā)霉，且會釋放揮發(fā)性物質(zhì)。因此，研究集建筑陶瓷的耐久性、傳統(tǒng)人造石的裝飾性和天然石材的品質(zhì)于一體的人造石材代表了石材行業(yè)的發(fā)展方向[3]。

表7為自制銅陵尾礦料無機(jī)人造石與同類裝飾材料的綜合性能對比。由表7可知，自制尾礦料無機(jī)人造石的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度等力學(xué)性能均顯著優(yōu)于天然石材，表明自制尾礦料無機(jī)人造石相較于天然石材具有更豐富的應(yīng)用場景。自制尾礦料無機(jī)人造石在產(chǎn)品密度和吸水率等性能方面也優(yōu)于天然石材，表明自制尾礦料無機(jī)人造石結(jié)構(gòu)致密，具有更優(yōu)異的抗?jié)B透性能，能較好緩解天然石材使用過程中普遍存在的返堿現(xiàn)象。而相較于傳統(tǒng)樹脂型人造石，自制尾礦料無機(jī)人造石在力學(xué)性能和抗?jié)B透性方面略有不足，但其線性熱膨脹系數(shù)、莫氏硬度、尺寸穩(wěn)定性和防火性等方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)樹脂型人造石，表明自制尾礦料無機(jī)人造石具有更優(yōu)異的耐火、耐高溫、耐老化等性能，能取代傳統(tǒng)樹脂型人造石應(yīng)用于防火要求較高的公共場所以及不適用傳統(tǒng)樹脂型人造石的室外地面、墻面等，極大地拓寬人造石材的應(yīng)用領(lǐng)域。

表7 尾礦料無機(jī)人造石與同類裝飾材料的性能對比Tab.7 Performance comparison between tailings inorganic artificial stone and other decorative materials

綜上可知，自制銅陵尾礦料無機(jī)人造石具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐久性良好，可廣泛應(yīng)用于公共建筑和家庭裝修等領(lǐng)域，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

1）利用銅陵尾礦料作為填充骨料，以壓板法工藝制備的無機(jī)人造石，其各項性能指標(biāo)均超過JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的標(biāo)準(zhǔn)。

2）銅陵尾礦料顆粒級配以不連續(xù)的顆粒分布為佳。采用合理顆粒級配，銅陵尾礦料顆粒容重由單一顆粒的1.1574～1.5316g/cm3提高到1.7905g/cm3，增幅為14.5%～35.4%。

3）在成型條件相同的情況下，利用合理級配的銅陵尾礦料為骨料的人造石試件力學(xué)性能更好，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到19.5MPa和120.6MPa，相較于尾礦料未經(jīng)處理的成型產(chǎn)品，各提高了33.6%和47.8%。

4）相較于市場上同類建筑裝飾材料，銅陵尾礦料無機(jī)人造石不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，還有著良好的耐久性以及應(yīng)用場合多樣性，市場前景廣闊，為尾礦處理提供了指導(dǎo)。