鋰尾礦砂制備蒸壓加氣混凝土砌塊的實(shí)驗(yàn)研究

權(quán)宗剛，陳媛媛，馬茸茸，劉蓉

（西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710061）

0 前言

金屬尾礦是目前我國(guó)工業(yè)產(chǎn)出量大、綜合利用率低的大宗固體廢棄物，尾礦的綜合利用既關(guān)系企業(yè)和行業(yè)生存與發(fā)展，又影響環(huán)境與安全，是社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。在《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提到，2025年煤矸石、粉煤灰、尾礦（共伴生礦）、冶煉渣等大宗固廢的綜合利用能力要顯著提升，利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，新增大宗固廢綜合利用率達(dá)到60%。目前，我國(guó)金屬尾礦的綜合利用率平均還不到10%，因此提高金屬尾礦的固廢資源化利用效率迫在眉睫。

蒸壓加氣混凝土制品作為一種新型墻體材料，具有自重較輕、易于施工以及良好的保溫隔熱性能，在工程中被廣泛應(yīng)用。同時(shí)，蒸壓加氣混凝土砌塊也是尾礦固廢資源化利用的主要途徑之一。目前，國(guó)內(nèi)開展鐵尾礦[1-3]、銅尾礦[4]、粉煤灰[5]等資源化制備蒸壓加氣混凝土砌塊的研究較多，但鋰尾礦固廢資源化制備新型墻體材料的報(bào)道很少。蒸壓加氣混凝土制品中硅質(zhì)原料占其生產(chǎn)原料總量的65%以上，山東某地鋰尾礦中SiO2含量較高，本文以該鋰尾礦取代天然硅質(zhì)原料作為蒸壓加氣混凝土制品的硅質(zhì)原料，研究鋰尾礦球磨技術(shù)、配比優(yōu)化及蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝優(yōu)化技術(shù)，探討以該鋰尾礦取代天然硅質(zhì)原料制備蒸壓蒸壓加氣混凝土砌塊的技術(shù)可行性。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料及儀器設(shè)備

（1）生石灰：市購(gòu)，CaO+MgO含量87.36%，消化速度12 min，消化溫度97℃，符合JC/T 621—2021《硅酸鹽建筑制品用生石灰》中一等品的要求。

（2）水泥：市購(gòu)P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

（3）脫硫石膏：為采用石灰石/石灰-石膏濕法對(duì)含硫煙氣進(jìn)行脫硫凈化處理產(chǎn)生的煙氣脫硫石膏，CaSO4·2H2O含量為92.23%，符合JC/T 2074—2011《煙氣脫硫石膏》中二級(jí)品的要求。

（4）鋁粉：山東三品鋁業(yè)，符合JC/T 407—2008《加氣混凝土用鋁粉膏》中GLS-65標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）鋰尾礦砂：由山東某地鋰尾礦球磨制得，鋰礦尾砂的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，XRD圖譜見(jiàn)圖1，礦物成分含量見(jiàn)表2；鋰礦尾砂細(xì)度為0.15 mm篩篩余25.48%，0.08 mm篩篩余56.15%；鋰礦尾砂放射性內(nèi)照射指數(shù)為0.2，外照射指數(shù)為0.3。

表1 鋰尾礦砂的化學(xué)成分 %

表2 鋰尾礦砂的礦物成分含量 %

按照J(rèn)C/T622—2009《硅酸鹽建筑制品用砂》和JC/T 409—2016《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》對(duì)鋰尾礦砂原料進(jìn)行基本性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋰尾礦砂原料的綜合評(píng)價(jià)

綜合基本性能試驗(yàn)結(jié)果，鋰尾礦砂原料的放射性測(cè)試結(jié)果符合GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中建筑主體材料的技術(shù)要求；SiO2含量符合JC/T 622—2009一等品要求，K2O和Na2O含量超出JC/T 622—2009的要求，細(xì)度超出JC/T409—2016的要求，需要進(jìn)一步對(duì)該鋰尾礦砂進(jìn)行處理。

原料處理設(shè)備采用行星式球磨機(jī)（德科）進(jìn)行磨細(xì)，鋰尾礦砂的礦物組成采用X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試（布魯克D8），力學(xué)性能采用DYE-2000X型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

以鋰尾礦砂為主要原料制備蒸壓加氣混凝土砌塊的工藝流程：首先，將原料放進(jìn)（100±5）℃的烘箱中進(jìn)行干燥，待完全干燥后進(jìn)行預(yù)處理，將鋰尾礦砂置于行星式球磨罐中進(jìn)行球磨，過(guò)200目篩，隨后加一定配比的水，攪拌均勻，然后依次加入石膏、水泥、生石灰和鋁粉，將以上原料攪拌均勻后澆注入模、靜停養(yǎng)護(hù)、切割、蒸壓養(yǎng)護(hù)、出釜拆模，進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

以鋰尾礦砂為主要硅質(zhì)原料，生石灰為鈣質(zhì)材料，鋁粉為發(fā)氣劑，結(jié)合調(diào)節(jié)材料石膏制備蒸壓加氣混凝土砌塊，經(jīng)前期研究的基礎(chǔ)上[6]，設(shè)計(jì)如表4所示的配方。

表4 蒸壓加氣混凝土砌塊的配合比設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 球磨時(shí)間的確定

制備蒸壓加氣混凝土砌塊對(duì)原料細(xì)度的要求很高，一般情況下要求原料200目篩余≤15%。根據(jù)原料的基本性能可知，鋰尾礦砂的細(xì)度不滿足蒸壓加氣混凝土砌塊的制備要求，因此對(duì)鋰尾礦砂需要進(jìn)行球磨處理。對(duì)鋰尾礦砂的球磨處理一方面是為了使配料攪拌時(shí)漿料具有一定的流動(dòng)性和稠度，提高澆注過(guò)程中料漿的穩(wěn)定性；另一方面，也有利于漿料保持均勻的稠化速度，有利于坯體硬化和強(qiáng)度發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行[1]。在球磨過(guò)程中，原料球磨后不宜太細(xì)，太細(xì)的原料在反應(yīng)后生成的水化硅酸鈣晶粒過(guò)小，不利于莫來(lái)石和其它水化生成物結(jié)構(gòu)的發(fā)展，從而導(dǎo)致制品強(qiáng)度的降低。

本試驗(yàn)取4份完全干燥后的鋰尾礦砂進(jìn)行球磨，每份100 g，球磨時(shí)間分別為15、20、25、30 min，過(guò)200目篩后進(jìn)行稱量計(jì)算篩余，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，對(duì)于本研究鋰尾礦砂來(lái)說(shuō)，球磨25min可以達(dá)到JC/T409—2016的細(xì)度要求。因此確定最佳球磨時(shí)間為25 min。

表5 球磨時(shí)間對(duì)鋰尾礦砂細(xì)度的影響

2.2 配方的確定

按表4配比制備蒸壓加氣混凝土砌塊，按表6蒸壓制度進(jìn)行蒸壓，蒸壓完成后切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊（見(jiàn)圖2），按照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表7）按GB/T11968—2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表6 蒸壓加氣混凝土制品蒸壓養(yǎng)護(hù)制度

表7 蒸壓加氣混凝土制品小型模擬試驗(yàn)樣品的性能

由表7可見(jiàn)，配比1的樣品強(qiáng)度不符合GB/T11968—2020要求。從圖2可以看出：（1）配比1較配比2制得的樣品，氣孔尺寸和分布都不均勻，大孔較多。這是因?yàn)椋号浔?中生石灰的含量略高，生石灰作為該反應(yīng)體系中鈣質(zhì)材料的主要提供者，消化后形成了以氫氧化鈣為主的溶液，且該過(guò)程為放熱反應(yīng)，適當(dāng)生石灰的添加，有利于坯體中膠凝材料的凝結(jié)反應(yīng)[1]，但是含量過(guò)多時(shí)，反應(yīng)過(guò)剩的氫氧化鈣與鋁發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，使得料漿發(fā)氣和疏松，從而導(dǎo)致坯體強(qiáng)度的降低[3，7]。（2）配比2較配比1中水泥用量增多，水泥在反應(yīng)過(guò)程中能促進(jìn)凝結(jié)和坯體的強(qiáng)化[1-3]，還能提供氧化鈣在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下與鋰尾礦砂中的SiO2和Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成水化鋁酸鹽和水化硅酸鹽等，從而有利于強(qiáng)度的提高。（3）配比3進(jìn)一步對(duì)石膏含量進(jìn)行了調(diào)整，在蒸壓加氣混凝土砌塊的制備過(guò)程中，石膏在其中主要起到了調(diào)整水泥和石灰反應(yīng)速度的作用，從而改善石灰消化速度和水泥凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度。因此，相較于前2個(gè)配方，配方3制備的蒸壓加氣混凝土砌塊的干密度較高，為597 kg/m3，抗壓強(qiáng)度也有所提高，為3.62 MPa，符合GB/T11968—2020中B06強(qiáng)度等級(jí)的要求。

2.3 靜停養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)制品強(qiáng)度的影響

根據(jù)配方3進(jìn)行配料，靜停時(shí)間分別設(shè)置為1、2、3、4h，靜停時(shí)間對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊強(qiáng)度的影響如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，隨著靜停時(shí)間的延長(zhǎng)，砌塊的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，靜停時(shí)間為3 h時(shí)，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值3.62MPa，本研究靜停時(shí)間以3h為宜。

2.4 靜停養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)制品強(qiáng)度的影響

靜停養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)坯體內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了直接的影響，根據(jù)配比3進(jìn)行配料，設(shè)置靜停養(yǎng)護(hù)溫度分別為30、40、50、60、70℃，靜停養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，隨靜停養(yǎng)護(hù)溫度的升高，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，靜停養(yǎng)護(hù)溫度為60℃時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。靜停養(yǎng)護(hù)溫度并不是越高越好，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度過(guò)高時(shí)，坯體硬化過(guò)快，導(dǎo)致發(fā)氣過(guò)程未進(jìn)行完全，不利于坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成，從而降低抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）以鋰尾礦砂為主要原料制備蒸壓加氣混凝土砌塊的最優(yōu)配方為：鋰尾礦砂65%、生石灰13%、水泥17%、石膏5%、外摻鋁粉0.06%，水固比為0.55，最佳球磨時(shí)間25 min，靜停養(yǎng)護(hù)溫度60℃，靜停養(yǎng)護(hù)時(shí)間3 h。

（2）利用鋰尾礦砂制備蒸壓加氣混凝土在技術(shù)上是可行的，采用優(yōu)化配方制備的蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度為3.62 MPa，干密度為597 kg/m3，符合GB/T 11968—2020中B06強(qiáng)度等級(jí)要求。

（3）適量的石膏能有效調(diào)整水泥和石灰的反應(yīng)速度，從而調(diào)整凝結(jié)時(shí)間，提高坯體的早期強(qiáng)度。