利用金尾矿生产加气混凝土的性能优化试验研究

陈鳌聪

(通标标准技术服务(上海)有限公司厦门分公司，厦门 361102)

金尾矿是含金矿石经选矿选出有价成分后的副产品，大量金尾矿的堆存不仅造成资源的浪费，还会对环境造成污染，存在安全隐患[1]。蒸压加气混凝土是一种轻质多功能环保型建筑材料，具有质轻、保温、隔热、隔音、抗震防火、施工简便等优点。而尾矿具有作为蒸压加气混凝土的原材料之一的潜在特征，还未被广泛利用[2]。近年来有学者提出了加强矿山源头治理，建设“无尾矿山”的理念，并对此进行了深入的研究，如李杰[3]以湖北宜昌某磷尾矿为原料，制备出符合国家A4.0标准的加气混凝土砌块。杜辉等人[4]以沂南地区的某尾矿为原料，制备出干密度与强度均满足 GB11968—2020标准的加气混凝土砌块。

该研究利用金尾矿替代传统的河砂资源作为硅质材料，通过对金尾矿进行浮选脱硫、粉磨激发其活性，使其满足生产加气混凝土对原料的要求；以水泥、石灰作为混合钙质材料，制备尾矿加气混凝土砌块，其研究结果为黄金尾矿变废为宝，实现其再资源化的综合利用找到了一条非常有效的途径[5]。

1 试验材料

1.1 硅质材料

试验采用的硅质材料为山东某黄金矿山尾矿。该尾矿主要矿物为石英、长石、绢云母和霞石等，性质比较稳定。化学成分以 SiO2为主，尾矿中有害元素硫(S)含量较高，会降低加气混凝土制品的碱度环境，降低制品的强度和耐久性，因此需对其进行脱硫，使硫含量<1%，才能满足加气混凝土对原材料的要求。金尾矿多元素分析结果见表1。

表1 金尾矿的主要化学成分 /%

1.2 钙质及其他材料

1)石灰为中速消解石灰，活性CaO占65%左右，细度为200目筛筛余小于15%。

2)水泥为北京琉璃河水泥厂生产的PO 42.5普通硅酸盐水泥。

3)发泡剂为分析纯铝粉，调节剂为天然石膏。

2 基本配合比及生产工艺

计量一定量的原材料脱硫尾矿、石灰、水泥、石膏等，将其混匀，加入热水打浆混合均匀；加入铝粉搅拌发泡后浇注入100 mm×100 mm×100 mm三联模具中，再放入干燥箱中于65 ℃下静停养护2 h；脱模后送入蒸压釜中养护，蒸压后的成品放置于干燥箱中于105 ℃烘干至恒重，然后进行性能测试。具体工艺流程如图1所示。

3 结果与讨论

3.1 金尾矿浮选脱硫试验

试验采用丁基黄药为捕收剂，采用“三次粗选”浮选工艺除去尾矿中的硫，脱硫后尾矿含硫仅0.72%，满足加气混凝土对原材料含硫的要求。并采用脱硫后尾矿开展加气混凝土的性能优化试验，后续对脱硫后金尾矿简称“脱硫金尾矿”。

3.2 脱硫金尾矿细度对加气混凝土性能的影响

尾矿细度对于料浆浇注稳定性有着举足轻重的作用。试验固定脱硫金尾矿、石膏、水泥、石灰、铝粉掺量分别为干物料总量的55%、3%、12%、30%、0.05%，水料比0.57。控制不同的脱硫尾矿磨矿时间分别为10 min、15 min、20 min、25 min、30 min，考察不同的脱硫金尾矿磨矿时间(即细度)对尾矿加气混凝土性能的影响。试验结果见图2。

由图2可知，加气混凝土制品的抗压强度和比强度随着脱硫金尾矿粉磨时间的增加，呈先增大后减小的趋势变化；当粉磨时间为15 min时，制品的抗压强度和比强度增长缓慢；当粉磨时间为20 min时，制品的抗压强度和比强度达到最大值5.06 MPa、9.25 MPa3·m/kg，继续延长粉磨时间制品强度反而下降。因此合适的粉磨时间为15～20 min，考虑能耗原因，确定最佳的粉磨时间为15 min，此时脱硫金尾矿的比表面积为0.76 m2/cm3。

3.3 脱硫金尾矿掺量对加气混凝土性能的影响

试验固定石膏、铝粉的掺量分别为干物料总量的3%、0.05%，水泥和石灰的掺量比为1∶2，水料比为0.57。不同掺量的脱硫金尾矿对加气混凝土制品力学性能的影响结果见表2。

表2 脱硫金尾矿掺量对加气混凝土性能影响的试验结果

由表2可知，随着脱硫金尾矿掺量增加，制品的强度呈先增加后减少的趋势；当掺量到达55%时，制品抗压强度和比强度都达到最大值5.92 MPa、9.65 MPa3·m/kg，继续增加脱硫金尾矿掺量，制品强度下降；因此确定合理的脱硫金尾矿掺量为55%。

3.4 石膏掺量对加气混凝土性能的影响

试验固定初始脱硫金尾矿、水泥、石灰的掺量分别为干物料总量的59%、13.8%、27.2%，并随着石膏的加入等比例减少，变化范围为0～6%，铝粉掺量为干物料总量的0.05%，水料比0.57，石膏掺量对尾矿加气混凝土性能影响的试验结果见表3。

表3 石膏掺量对尾矿加气混凝土性能影响的试验结果

由表3可知，随着石膏掺量的增加，制品强度也随之增加，当掺量到达3%时，制品抗压强度和比强度都达到最大值4.99 MPa、8.25 MPa3·m/kg，继续增加石膏掺量，制品强度反而有减小趋势。这是因为石膏掺量过多，会导致静停养护阶段料浆的硬化速度减慢，坯体内部形成的气孔结构不均匀，在蒸压养护时，因坯体内外温差或压力差的变化，容易产生裂纹，不利于制品强度的发展。因此，确定合适的石膏掺量为3%。

3.5 水泥和石灰的掺量比对加气混凝土性能的影响

水泥和石灰是利用尾矿制备加气混凝土过程中的钙质材料，对前期坯体的硬化成型起到决定性作用。试验固定脱硫金尾矿、石膏、铝粉掺量分别为干物料总量的55%、3%、0.05%；水料比为0.57，水泥和石灰的总量为干物料总量的42%，水泥和石灰的掺量比对尾矿加气混凝土性能影响的试验结果见图3。

由图3可知，随着水泥和石灰的掺量比增加，抗压强度和比强度均呈先增加后减少趋势，在比值为0.56时，抗压强度达到最大值。因此确定合适的水泥和石灰比值为0.56，此时水泥的掺量为15%，石灰掺量为27%。

3.6 水料比对尾矿加气混凝土性能的影响

试验固定脱硫金尾矿、石膏、水泥、石灰、铝粉掺量分别为干物料总量的55%、3%、15%、27%、0.05%，水料比对尾矿制备加气混凝土性能的影响结果见图4。

由图4可知，水料比过小或过大都会导致制品强度降低。当水料比为0.56时，尾矿加气混凝土制品的强度最高；水料比超过0.56时，制品强度快速下降。

3.7 综合条件试验

通过以上实验研究，确定脱硫金尾矿制备加气混凝土最优配合比为：脱硫金尾矿55%、水泥15%、石灰27%、石膏3%，水料比0.56。鉴于上述的试验结果建立在单因素试验的基础上，为了验证脱硫金尾矿加气混凝土最优配合比的合理性，按上述最优配合比进行试验，其蒸压制度根据前期研究结果采用升温时间为2 h，恒温时间为8 h(此时恒温温度为185 ℃，恒温压力为1.35 MPa)，降温时间为3 h，并将在此蒸压制度条件下生产的制品制成100 mm×100 mm×100 mm试块进行性能测试，结果见表4。

表4 最优配合比生产的尾矿加气混凝土制品性能测试结果

从表4可以看出，采用脱硫金尾矿所制备的尾矿蒸压加气混凝土砌块符合国家标准GB/T 11968—2020《蒸压加气混凝土砌块》对A5.0 B06级的技术要求，说明采用脱硫金尾矿制备蒸压加气混凝土是可行的。

3.8 样品XRD谱图分析

为了进一步验证脱硫金尾矿蒸压加气混凝土制品的良好性能，对采用最优配比条件制备的样品进行XRD谱图分析，见图5。

由图5可以看出，该尾矿蒸压加气混凝土制品的水化产物主要为托贝莫来石、C-S-H凝胶、水石榴子石，还有反应剩余的石英SiO2以及硬石膏CaSO4。大量的托贝莫来石以及C-S-H凝胶可保证加气混凝土产品获得良好的力学性能，这与样品测试结果基本一致。

4 结 论

a.利用脱硫后的金尾矿制备加气混凝土，在单因素试验的基础上获得最优配合比为脱硫金尾矿55%、水泥15%、石灰27%、石膏3%、水料比0.57；所制备的加气混凝土性能符合国家标准GB/T 11968—2020规定的A5.0 B06级的技术要求，说明采用脱硫后金尾矿制备加气混凝土制品是可行的。

b.利用脱硫后金尾矿制备的蒸压加气混凝土制品的水化产物主要为托贝莫来石、C-S-H凝胶、水石榴子石，足够量的托贝莫来石及C-S-H凝胶是加气混凝土产品获得良好力学性能的关键。

c.研究利用脱硫后金尾矿制备出合格的A5.0 B06级蒸压加气混凝土砌块，拓宽了加气混凝土的原材料范围，同时对金尾矿综合利用、变废为宝提供了一条新思路。