砂石礦山固廢制備燒結(jié)磚試驗(yàn)研究

祝志雄，解曉寧，應(yīng)曉猛，俞毅，劉陽(yáng)

（1.浙江省建筑材料科學(xué)研究所有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

砂石骨料是工程建設(shè)中用量最大的基礎(chǔ)原材料，按來(lái)源可分為天然砂石骨料和機(jī)制砂石骨料。由于天然砂石骨料短時(shí)期內(nèi)不可再生，經(jīng)過(guò)幾十年的過(guò)度、無(wú)序開(kāi)采，我國(guó)多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)了天然砂石骨料資源嚴(yán)重短缺的狀況，并導(dǎo)致河流湖泊生態(tài)環(huán)境破壞、堤岸橋梁倒塌、破壞航道等諸多問(wèn)題和隱患。各地政府不得不加大對(duì)天然砂石骨料開(kāi)采的監(jiān)管力度，并出臺(tái)各種鼓勵(lì)和支持機(jī)制砂石骨料發(fā)展的政策。在此背景下，機(jī)制砂石骨料行業(yè)迎來(lái)多年高速發(fā)展，逐漸成為砂石骨料行業(yè)的主流，較好地滿足了工程建設(shè)對(duì)砂石骨料的基本需求。

砂石礦山是機(jī)制砂石骨料的主要來(lái)源地，它由表面層覆土、風(fēng)化層巖石和采石層巖石構(gòu)成，其中采石層巖石是礦山開(kāi)發(fā)的主體，由此開(kāi)采的巖石經(jīng)破碎分級(jí)得到各種規(guī)格的砂石骨料；表面層覆土和風(fēng)化層巖石則成為待處理的礦山固廢，即本文所述的砂石礦山固廢。表面層覆土和風(fēng)化層巖石的數(shù)量一般各占巖石層的10%以上，廢棄量巨大，以往的處理處置方法主要是堆置和礦區(qū)回填。堆置是指將固體廢棄物直接堆放到預(yù)先劃定并準(zhǔn)備好的場(chǎng)地，堆置不僅會(huì)大量占用場(chǎng)地，且存在地質(zhì)隱患；回填是指將礦山固廢回填到礦石采空區(qū)，但總體回填數(shù)量有限。近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和綠色發(fā)展理念的確立，對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與綜合治理的要求不斷提高，礦山開(kāi)發(fā)新產(chǎn)生的固廢以及以往堆置而又存有地質(zhì)隱患的固廢，都需要找到適當(dāng)?shù)奶幚硖幹梅椒ɑ蛸Y源化利用途徑，以滿足綠色礦山建設(shè)的要求。

許多砂石礦山固廢的主要化學(xué)成分為氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等，與燒結(jié)磚行業(yè)制磚用塑性原料的主要化學(xué)成分相似，將其用于制備燒結(jié)磚無(wú)疑是一種值得嘗試的資源化利用方法。本文選擇以氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等為主要化學(xué)成分的砂石礦山固廢作為單一塑性原料，經(jīng)干燥粉碎、混合料制備、陳化、擠出成型、干燥和燒成試驗(yàn)制成燒結(jié)磚，通過(guò)燒結(jié)磚樣品的性能測(cè)試，分析其用作制磚原料的可行性，為砂石礦山固廢在燒結(jié)磚行業(yè)的資源化利用進(jìn)行初步探索。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

砂石礦山固廢采集自3家不同的礦山，分別簡(jiǎn)稱為H礦山、N礦山和Z礦山。H礦山和N礦山為新開(kāi)發(fā)的花崗巖礦山，從這2家礦山采集的表面層覆土分別標(biāo)記為HF、NF，強(qiáng)風(fēng)化層巖石分別標(biāo)記為HQ、NQ。Z礦山為已開(kāi)發(fā)多年的凝灰?guī)r礦山，其礦山固廢在附近堆場(chǎng)堆置多年，是表面層覆土和風(fēng)化層巖石的混樣，取樣標(biāo)記為ZH。

1.2 燒結(jié)磚制備

燒結(jié)磚的試驗(yàn)室制備過(guò)程分為原料干燥粉碎、混合料制備陳化、擠出成型、坯體干燥和坯體燒成5個(gè)步驟?？紤]到試驗(yàn)室高溫爐基本處于隔氧狀態(tài)，試驗(yàn)采用外燃制磚方式，直接由塑性原料加水制成混合料。具體如下：

（1）原料準(zhǔn)備：將上述5種原料分別干燥，經(jīng)顎破、細(xì)碎制成粉料備用。

（2）混合料制備陳化：原料粉加入U(xiǎn)JZ-15型砂漿攪拌機(jī)，邊攪拌邊緩緩加入水，待粉料在攪拌機(jī)中全部形成球形顆粒后停止加水，再攪拌3 min得制磚混合料；隨后出料裝入塑料袋并封口，常溫陳化7 d。

（3）擠出成型：?jiǎn)?dòng)試驗(yàn)室專(zhuān)用小型擠出成型機(jī)，將經(jīng)陳化的混合料加入擠出機(jī)進(jìn)料口，混合料經(jīng)擠出成型成為斷面尺寸約44 mm×27 mm的泥條，手工切割成長(zhǎng)約50 mm的坯體試件，并作標(biāo)記。

（4）坯體干燥：坯體試件經(jīng)室內(nèi)自然陰干1 d，再放入干燥箱中在105℃下烘干。

（5）坯體燒成：將干燥坯體間隔均勻擺放在高溫爐內(nèi)，按如下燒成制度燒結(jié)成樣品試件：從室溫開(kāi)始以60℃/h升溫速度升溫到600℃，再以50℃/h升溫速度升溫到燒成溫度，溫度達(dá)到燒成溫度后保溫2 h，之后以50℃/h降溫速度降溫至500℃，隨后關(guān)機(jī)自然冷卻至室溫取出。

在國(guó)際貿(mào)易交易中，交易企業(yè)和交易單位是國(guó)際貿(mào)易交易的主體，減少國(guó)際貿(mào)易風(fēng)險(xiǎn)，要對(duì)雙方交易國(guó)家做好充分調(diào)研，減少可預(yù)見(jiàn)性的風(fēng)險(xiǎn)損失，提高風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)見(jiàn)性，完善國(guó)際貿(mào)易體系。

1.3 燒結(jié)磚樣品的性能檢測(cè)

測(cè)試方法參照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》。測(cè)試抗壓強(qiáng)度時(shí)，以試件窄擠出面為受壓面；吸水率為常溫浸泡24 h吸水率；燒成后總收縮率指燒成后試件尺寸相對(duì)于擠出模口尺寸的收縮率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分

5組樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 砂石礦山固廢的化學(xué)成分 %

由表1可見(jiàn)，HF、HQ、NQ和ZH四組樣品的主要化學(xué)成分波動(dòng)范圍較?。篠iO2含量介于56.10%～65.41%、Al2O3含量介于16.57%～19.09%、Fe2O3含量介于1.79%～4.06%、K2O+Na2O含量介于4.26%～5.88%；并且前二者與后二者的主要化學(xué)成分分別相近。NF的主要化學(xué)成分則與它們有較大差別，主要為SiO2含量、Fe2O3含量和K2O+Na2O含量。

一般情況下對(duì)制磚原料的化學(xué)成分要求[1]見(jiàn)表2。

表2 制磚原料的化學(xué)成分要求 %

對(duì)照表1和表2，HQ、NQ和ZH的化學(xué)成分均在制磚原料化學(xué)成分的允許和適宜范圍內(nèi)，充分滿足要求；HF的化學(xué)成分除Fe2O3略偏低、燒失量偏高，其它均在制磚原料化學(xué)成分的允許和適宜范圍內(nèi)，基本滿足要求；NF的SiO2含量超出允許下限較多、燒失量略偏高，其它均在制磚原料化學(xué)成分的允許范圍內(nèi)，未能滿足要求。

2.2 擠出成型性能

混合料在擠出壓力作用下的塑性高低以及擠出后物料間粘接力或內(nèi)聚力的強(qiáng)弱是影響混合料擠出成型性能的主要因素；擠出成型性能好的混合料，其成型情況應(yīng)滿足：成型順利、泥條表面及棱邊均光滑、濕坯強(qiáng)度較高[2]。

5種砂石礦山固廢粉中，HF、HQ、NF和ZH粉料加水制成的混合料，經(jīng)陳化后均具有較好的擠出成型性能。但由NQ粉料加水制成的混合料，經(jīng)陳化后難以擠出成型，主要表現(xiàn)為擠出泥條棱邊多毛刺、易裂易斷、濕坯強(qiáng)度低等；改由質(zhì)量比80%NF粉料和20%NQ粉料組成的混合粉料加水制成的混合料，經(jīng)陳化后也具有較好的擠出成型性能，該組標(biāo)記為NFQ。因此，實(shí)際制作了HF、HQ、NF、NFQ和ZH共5組擠出樣品。

2.3 燒結(jié)性能

2.3.1 燒成溫度對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的影響

5組樣品在不同燒成溫度下的抗壓強(qiáng)度變化見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，在700～950℃燒成溫度范圍內(nèi)，NF、NFQ和ZH組樣品的抗壓強(qiáng)度基本隨著燒成溫度的升高而提高，但增幅相差較大。NF和NFQ組樣品的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而提高的趨勢(shì)較為平緩，950℃相對(duì)700℃時(shí)抗壓強(qiáng)度的增幅分別為58.82%和64.10%；ZH組樣品的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而提高的幅度在850℃后明顯增大，950℃相對(duì)700℃時(shí)抗壓強(qiáng)度的增幅達(dá)到706%，可見(jiàn)其抗壓強(qiáng)度對(duì)燒成溫度的敏感性較高。NFQ組與NF組相比，各燒成溫度下的強(qiáng)度均較低。HF和HQ組樣品的抗壓強(qiáng)度先隨著燒成溫度的升高而逐漸提高，至某一溫度達(dá)到峰值，進(jìn)一步提高燒成溫度則抗壓強(qiáng)度又略有下降。HF組樣品在900℃時(shí)達(dá)到強(qiáng)度峰值，但僅比850℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度提高4.24%，進(jìn)一步升高燒成溫度到950℃時(shí)抗壓強(qiáng)度又有所下降，降幅為5.69%；HQ組樣品在850℃時(shí)達(dá)到抗壓強(qiáng)度峰值，溫度升高到900℃時(shí)抗壓強(qiáng)度基本保持不變，進(jìn)一步升高燒成溫度到950℃時(shí)抗壓強(qiáng)度又有所下降，降幅為7.10%。對(duì)照5種原料的化學(xué)成分，原料的燒結(jié)強(qiáng)度與化學(xué)成分的相關(guān)性并不強(qiáng)。HF和HQ組樣品的化學(xué)成分非常相似，兩者的強(qiáng)度-溫度曲線相似性較高，即便抗壓強(qiáng)度相差較大；NQ和ZH組樣品的化學(xué)成分也非常相似，但兩者的強(qiáng)度-溫度曲線差別巨大。這可能是前二者的礦物組成相近，而后二者的礦物組成差別較大所致。

2.3.2 燒成溫度對(duì)燒結(jié)磚吸水率的影響

5組樣品在不同燒成溫度下的吸水率變化見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，在700～950℃燒成溫度范圍內(nèi)，HF和HQ組樣品的吸水率-燒成溫度曲線相似，均隨著燒成溫度的升高呈先略降后略升再略降的較小波動(dòng)，前者吸水率最大為17.7%、最小為16.1%，后者吸水率最大為16.5%、最小為14.5%。ZH組樣品的吸水率在燒成溫度≤850℃時(shí)波動(dòng)很小，僅從21.2%降至20.6%，溫度進(jìn)一步升高后吸水率快速降低，900℃時(shí)降至15.9%，950℃時(shí)降至11.8%。NF和NFQ組樣品的吸水率-燒成溫度曲線也相似，均隨著燒成溫度升高呈先略降后略升再略降的較小波動(dòng)，700℃時(shí)吸水率最大，分別為25.5%和24.0%；其它溫度下差別較小，NF組吸水率最大為23.2%、最小為21.0%，NFQ組吸水率最大為22.2%、最小為20.8%。

2.3.3 燒成溫度對(duì)燒結(jié)磚收縮率的影響

5組樣品在不同燒成溫度下的總收縮率變化見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，在700～950℃燒成溫度范圍內(nèi)，HF和HQ組樣品的燒成后總收縮率相差不大，且不同燒成溫度之間的差別較小，收縮率隨燒成溫度升高而增大的趨勢(shì)很平緩。NF和NFQ組樣品的燒成后總收縮率-燒成溫度曲線基本相似，均隨著燒成溫度的提高而明顯增大；不同燒成溫度NFQ組樣品的總收縮率均明顯小于NF組樣品，可見(jiàn)NQ對(duì)NF的燒成收縮具有一定的抑制效果。ZH組樣品的燒成后總收縮率隨著燒成溫度的升高而增大的趨勢(shì)，在850℃以前較為平緩，之后則急劇增大，與其強(qiáng)度-燒成溫度的的變化情況相似。HF和ZH組樣品的總收縮率在700～750℃之間出現(xiàn)了明顯的降低現(xiàn)象，其原因可能是它們含有的部分礦物（如石英）在該溫度下產(chǎn)生了高溫膨脹。

綜合分析上述燒成溫度對(duì)樣品強(qiáng)度、吸水率和收縮率的影響可見(jiàn)，HF組試樣的燒成溫度以850℃左右為宜，850℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度為11.8 MPa、吸水率為16.9%、總收縮率為2.39%；HQ組試樣的燒成溫度以850℃左右為宜，850℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度為18.3 MPa、吸水率為15.6%、總收縮率為2.52%；NF組試樣的燒成溫度以800℃左右為宜，800℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度為6.9 MPa、吸水率為22.2%、總收縮率為5.90%；NFQ組試樣的燒成溫度以850℃左右為宜，850℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度為5.0MPa、吸水率為21.5%、總收縮率為4.31%；ZH組試樣的燒成溫度以略大于900℃為宜，900℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度為19.4 MPa、吸水率為15.9%、總收縮率為3.72%。對(duì)照GB 5101—2017《燒結(jié)普通磚》標(biāo)準(zhǔn)要求，HQ和ZH組試樣可符合其中MU15強(qiáng)度等級(jí)的要求，HF組試樣可符合其中MU10強(qiáng)度等級(jí)的要求，而NF和NFQ組試樣抗壓強(qiáng)度和吸水率均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

當(dāng)僅用一種砂石礦山固廢作為制磚塑性原料便能生產(chǎn)出合格的燒結(jié)磚產(chǎn)品時(shí)，這種固廢無(wú)疑是合格的制磚塑性原料，具備在制磚行業(yè)進(jìn)行資源化利用的技術(shù)可行性，如上述的HF、HQ和ZH。類(lèi)似NF或NQ的砂石礦山固廢，則在化學(xué)成分、擠出成型性能和燒結(jié)性能3項(xiàng)中至少有1項(xiàng)不能滿足制磚要求，當(dāng)它們用作制磚塑性原料時(shí)，就需要和其他制磚塑性原料組合才能生產(chǎn)出合格的燒結(jié)磚產(chǎn)品。在這種情況下，要看砂石礦山固廢在產(chǎn)品中的最大允許摻量，最大允許摻量太小時(shí)，如小于25%，就不太適合在制磚行業(yè)進(jìn)行資源化利用，而宜尋求其他資源化利用途徑。

3 結(jié)論

（1）HQ和ZH兩組砂石礦山固廢的化學(xué)成分適宜、擠出成型性能和燒結(jié)性能較好。燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度達(dá)到GB 5101—2017規(guī)定的MU15強(qiáng)度等級(jí)要求；HF組試樣的化學(xué)成分中雖Fe2O3含量和燒失量略高，但擠出成型性能較好、燒結(jié)性能、燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度達(dá)到GB 5101—2017規(guī)定的MU10強(qiáng)度等級(jí)要求，三者均可用作制磚塑性原料。

（2）NF和NQ組則在化學(xué)成分、擠出成型性能和燒結(jié)性能3項(xiàng)中至少有1項(xiàng)以上不能滿足制磚要求，二者均不能單獨(dú)用作制磚塑性原料，最多只能在不影響產(chǎn)品性能的情況下作為次要或輔助塑性原料部分摻用。

（3）一種砂石礦山固廢能否在制磚行業(yè)進(jìn)行資源化利用，除了適宜的化學(xué)組成外，主要取決于它們是否具有較好的擠出成型性能和燒結(jié)性能。試驗(yàn)的5組樣品中有3組滿足要求，這至少說(shuō)明部分砂石礦山固廢在制磚行業(yè)的資源化利用是可行的。