鉛鋅尾礦免蒸免燒磚的制備及性能

周龍，周素蓮，馬華菊

（桂林理工大學(xué) 南寧分校，廣西 南寧 530001）

我國鉛鋅礦產(chǎn)資源雖然儲(chǔ)量豐富，但具有貧礦多，富礦少，伴生礦復(fù)雜，開采難度大等困境[1]，且開采過程中有大量無商業(yè)冶煉價(jià)值的鉛鋅尾礦產(chǎn)生，大量尾礦的堆積，在占用大量土地資源的同時(shí)，雨水會(huì)將堆積的鉛鋅尾礦中各種強(qiáng)致病重金屬浸出，溶解于雨水中的重金屬隨地表徑流流入湖泊等水體，或滲入地下，嚴(yán)重污染地表土壤及地表和地下水[2]，甚至引起礦區(qū)周邊居民重金屬中毒，且這種土壤重金屬導(dǎo)致的污染具有累積性、不可逆性和難治理性等特點(diǎn)[3]。尋求尾礦的安全、大宗、資源化的處理方式是擺在所有鉛鋅礦開采企業(yè)面前亟待解決的難題[4]，在諸多研究中，以鉛鋅尾礦為建筑原材料制備免燒磚為近些年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

免燒磚因其制備過程無需燒結(jié)，且以粉煤灰、煤渣、煤矸石、尾礦渣、化工渣或天然砂等廢棄廉價(jià)易得的工業(yè)廢料為原料，各組分按較優(yōu)配比混合，加水泥調(diào)和后壓制成型，不僅能解決大宗固廢堆積污染環(huán)境的問題，節(jié)約了土地資源，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的資源化，創(chuàng)造了大量商業(yè)價(jià)值[5]。本文以并以鉛鋅尾礦、石膏、石粉、水泥按照一定的配比制備免燒磚，并考察了不同配比所得的樣品的抗壓強(qiáng)度和吸水率，同時(shí)通過XRD 技術(shù)探究了樣品的微觀組成。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及原料

大型儀器設(shè)備：電子分析天平（Secura225D-1CN 型）；微機(jī)伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（YAW-3000）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9920A）；X 射線衍射儀（XRD-7000S/L 型）：制磚機(jī)（ZY1100 型）。

實(shí)驗(yàn)原料：鉛鋅尾礦（廣西崇左大新鉛鋅礦尾礦庫）、石膏（泰山石膏(廣西) 有限公司）、水泥（廣西海螺水泥廠）、石粉（廣西某采石場(chǎng)的中細(xì)石粉）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 免燒磚制備

將實(shí)驗(yàn)所需的鉛鋅尾礦、石膏、石粉、水泥按照一定的配比混勻，加一定質(zhì)量的水進(jìn)行攪拌，待攪拌均勻后，制磚機(jī)（模具尺寸為40 mm×110 mm×240 mm）中壓實(shí)制磚，振動(dòng)5 min 后脫模養(yǎng)護(hù)。28 d 后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度、吸水率，并用XRD 進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。具體制備流程見圖1。

圖1 免燒磚制備工藝流程Fig.1 Non-fired brick preparation process

1.2.2 性能測(cè)試

強(qiáng)度測(cè)試：制備的免燒磚樣品經(jīng)表面水洗去污、風(fēng)干后，置于微機(jī)伺服萬能試驗(yàn)機(jī)壓力機(jī)下壓板的中心位置，設(shè)定操作程序，啟動(dòng)壓力機(jī)開始抗壓測(cè)試，當(dāng)試樣碎裂時(shí)，記錄壓力值。

吸水率測(cè)試：依據(jù)《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2003)測(cè)試免燒磚樣品的吸水率。

XRD 分析：取適量樣品，于X 射線衍射儀上進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 尾礦成分及粒度分析

為確定尾礦是否滿足制備免燒磚的要求，選用取自廣西崇左大新鉛鋅礦尾礦庫的鉛鋅尾礦，對(duì)其進(jìn)行XRD 和粒徑分析，圖2 為XRD 分析圖譜，表1 為對(duì)尾礦分別進(jìn)行0.075 mm、0.150 mm、0.300 mm、0.600 mm 過篩分析，各粒級(jí)含量分布。

圖2 鉛鋅尾礦的XRD 圖譜Fig.2 XRD of lead-zinc tailings

表1 粒級(jí)分布Table 1 Particle size distribution

由圖2 可知，尾礦的主要礦物成分為石英為主，占比約為75%，屬高硅尾礦，其次為白云石、方解石，以及其他的無定型相，其主要成分與沙石相近，可代替沙石作為免燒磚骨料成分。

原料粒度作為質(zhì)量免燒磚抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的基礎(chǔ)，選取合理的顆粒級(jí)配直接關(guān)系到免燒磚質(zhì)量的好壞，相關(guān)文獻(xiàn)表明，骨料顆粒越細(xì)，可塑性越強(qiáng)，成型性能越優(yōu)[6]。由表1 可知，含量超過50%的鋅礦尾礦試樣粒度集中在-0.075 mm，這表明以鋅礦尾礦作為免燒磚骨料成分符合磚坯直接成型的要求。結(jié)合鋅礦尾礦的主要成分及粒度分布可確定，在制備免燒磚過程中，鋅礦尾礦可作為細(xì)骨料成分使用。

2.2 石膏成分分析

在制備免燒磚的過程中，通常使用水泥作為膠凝材料，但水泥養(yǎng)護(hù)要求高，容易形成蜂窩麻面，且水泥價(jià)格較為昂貴，而石膏也能起到膠凝材料作用，且價(jià)格較水泥便宜[7]，石膏的XRD 見圖3。

圖3 石膏的XRD 圖譜Fig.3 XRD of plaster

經(jīng)XRD 圖譜分析可知，該石膏純度較高，石膏（CaSO4·2H2O）含量達(dá)到97.32%，其主要雜質(zhì)為螢石，占比為1.72%。

2.3 尾礦含量對(duì)試樣性能的影響

固定水泥用量為10%，石膏用量為15%，尾礦和石粉用量共計(jì)75%，加水量14%，調(diào)節(jié)尾礦的占比，考察不同占比的尾礦含量對(duì)免燒磚的抗壓強(qiáng)度和吸水率影響，結(jié)果見圖4。

由圖4 可知，尾礦作為細(xì)骨料，隨著其占比的增加，免燒磚抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，尾礦含量在20%～30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度在20 MPa 以上，吸水率隨著尾礦占比的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于免燒磚制備過程中，石粉是作為粗骨料，起支架作用，一定的粗骨料能在混合壓制時(shí), 對(duì)產(chǎn)品提供足夠的支撐，以提高產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度。而尾礦作為細(xì)骨料，起填充密實(shí)作用，其能填充于粗骨料的間隙中，進(jìn)一步增強(qiáng)免燒磚抗壓強(qiáng)度，一定范圍內(nèi)防止因壓力過大造成的粗骨料間的間隙塌陷[8]。

圖4 尾礦含量對(duì)抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響Fig.4 Effect of tailings content on compressive strength and water absorption

在尾礦占比小于25%時(shí)，增加尾礦含量，能有效增加免燒磚密實(shí)度，從而增加免燒磚的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)尾礦占比大于25%時(shí)，水泥和石膏不能提供足夠的粘合作用，使得尾礦不能很好的和其他物料充分粘合[8]，同時(shí)過多的尾礦擠占了作為粗骨料石粉的位置，使得免燒磚的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了下降。綜合對(duì)比, 尾礦其占比在25%，石粉占比50%時(shí)配比較優(yōu)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.2 MPa，吸水率為17.82%，符合《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》MU25級(jí)別要求。

2.4 石膏含量對(duì)試樣性能的影響

固定尾礦用量為25%，石粉用量為50%，水泥和石膏用量共計(jì)25%，加水量14%，調(diào)節(jié)石膏的占比，考察不同占比的石膏含量對(duì)免燒磚的抗壓強(qiáng)度和吸水率影響，結(jié)果見圖5。

圖5 石膏含量對(duì)試樣性能的影響Fig.5 Effect of gypsum content on compressive strength and water absorption

由圖5 可知，隨著石膏占比的增加，免燒磚抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，但石膏含量在10%～20%之間時(shí)，免燒磚的抗壓強(qiáng)度都在20 MPa 以上，說明用石膏代替水泥作為膠凝劑是可行的，能較好的粘合免燒磚各組分，而當(dāng)石膏含量超過15%時(shí)，免燒磚抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這表明石膏并不能完全替代水泥，本論文研究過程也進(jìn)行了石膏占25%的研究，但免燒磚成型特差，也驗(yàn)證了以上研究推論。

免燒磚吸水率隨著石膏占比的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)石膏含量超過17.5%時(shí)，其吸水率達(dá)到18.41%，不滿足《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》(JC/T 422—2007)中試樣的吸水率不能大于18% 的規(guī)定，這是由于過多的石膏會(huì)降低免燒磚各物料間的粘結(jié)性，增加免燒磚內(nèi)部裂縫的形成機(jī)率，進(jìn)而減低免燒磚的抗壓強(qiáng)度[9]。

綜合考慮，當(dāng)石膏占比15%，水泥占比10%時(shí)，達(dá)到中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》中MU25 強(qiáng)度等級(jí)的要求。

2.5 用水量對(duì)試樣性能的影響

水在在免蒸免燒磚成型過程中起膠結(jié)劑的作用，其含量直接關(guān)系到各組分間的凝結(jié)作用[10]，合適的用水量能大大提高各組分間的密實(shí)度，進(jìn)而增強(qiáng)免燒磚的抗壓強(qiáng)度，降低吸水率[11]。固定尾礦用量為25%，石粉用量為50%，水泥用量10%，石膏用量15%，考察不同用水量對(duì)免燒磚性能的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 用水量對(duì)試樣性能的影響Fig.6 Effect of water consumption on sample performance

由圖6 可知，較佳用水量在12%～16%，符合《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》MU25 級(jí)別抗壓強(qiáng)度要求，當(dāng)用水量為14%時(shí)性能較優(yōu)。吸水率隨著用水量的增加而增加，且增加速率越來越快。這是由于用水量過少時(shí)，石膏和水泥不能充分水化制漿，提供足夠的膠凝作用將各組分膠凝，使得在壓制成型、脫模時(shí)，免燒磚易發(fā)生破裂，進(jìn)而減低抗壓強(qiáng)度[12]；水量過多時(shí)，震蕩過程中會(huì)，部分水泥會(huì)和石膏會(huì)隨著多余水分一起溢出流失，降低免燒磚的密實(shí)度, 且磚養(yǎng)護(hù)干燥后，免燒磚中存在的過多水分蒸發(fā)了后會(huì)留有一定的空隙空洞[13]，這些都對(duì)免燒磚抗壓不利，且過多的添加水會(huì)造成磚塊表面出現(xiàn)明顯的河沙，影響免燒磚的成色，降低其商用價(jià)值。

綜合考慮，當(dāng)用水量為14%時(shí)，制備的免燒磚性能較優(yōu)，其抗壓強(qiáng)度和吸水率都達(dá)到《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》MU25 級(jí)別要求。

2.6 XRD 分析

選取尾礦用量為25%，石粉用量為50%，水泥用量10%，石膏用量15%，用水量14%，制備的免燒磚，磨細(xì)之后進(jìn)行XRD 分析，其圖譜見圖7。

圖7 免燒磚的XRD 圖譜Fig.7 XRD of non-fired brick

經(jīng)分析比對(duì)免燒磚主要成分和原料成分，結(jié)果表明，免燒磚的成分與各原料的組成基本一致，僅有少數(shù)相的消失，通過計(jì)算表明，尾礦、石膏、石粉的主要成分含量變化較小，這表明在制備過程中，除水泥水化過程外，其他各組分間未發(fā)生各骨料間并未發(fā)生過多的化學(xué)反應(yīng)，沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)。所以本免燒磚制備過程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大影響。

3 結(jié) 論

（1）制備免燒磚時(shí)，尾礦依據(jù)其成分和粒度作為細(xì)骨料，石粉作為粗骨料，當(dāng)尾礦含量在20%～30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度在20 MPa 以上。

（2）石膏可以代替部分水泥作為膠凝劑，且石膏含量在10%～20%之間時(shí)，免燒磚的抗壓強(qiáng)度都在20 MPa 以上。

（3）尾礦∶石膏∶水泥∶石粉的參數(shù)比為2.5∶1.5∶1∶5 用水量為14%時(shí)，制備出的免燒磚其抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.2 MPa，吸水率為17.82%，符合《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》MU25 級(jí)別要求。