姜 楠

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

尾礦是選礦分選作業(yè)的產(chǎn)物之一。據(jù)《中國(guó)礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報(bào)告（2015）》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)尾礦堆存總量約146億t，其中鐵尾礦堆存量最多，占全部尾礦量近1/3，且每年排出量約3億t。大量堆放的尾礦，會(huì)引起環(huán)境污染、生態(tài)破壞、安全隱患[1～5]。儲(chǔ)存于尾礦壩中的礦山尾礦或就近排入河道、山谷、低地，磨至0.15 mm～0.07 mm以下的尾礦常滲流溢出，刮風(fēng)揚(yáng)塵，嚴(yán)重污染水、土和空氣，未復(fù)墾的尾礦庫(kù)表面的沙塵可被吹到庫(kù)區(qū)周圍，有時(shí)甚至形成礦塵暴，導(dǎo)致土地退化、植被破壞甚至直接威脅到人畜的生存，嚴(yán)重惡化周邊地區(qū)的生活和生產(chǎn)條件。如果尾礦中含有的有害物質(zhì)通過(guò)沉積地表和其它途徑進(jìn)入含水層，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)害性的水體污染，苗菲菲[6]利用物化檢測(cè)分析與生物監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段研究北方某冶選尾礦庫(kù)滲漏水對(duì)尾礦庫(kù)周邊的水體污染情況，初步判斷尾礦庫(kù)滲漏水對(duì)水體的毒理學(xué)效應(yīng)。鐵尾礦不加以利用不僅占用土地，造成浪費(fèi)，而且也給人類生活環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染和危害，破壞生態(tài)平衡。因此，急需研究鐵尾礦如何合理有效利用，以便解決資源利用、環(huán)境污染和安全隱患問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鐵尾礦的資源化利用進(jìn)行大量研究。從鐵尾礦中回收有價(jià)金屬；利用鐵尾礦替代砂巖制作建筑材料；磁化鐵尾礦做土壤改良劑；尾礦庫(kù)回填與復(fù)墾等。目前，我國(guó)尾礦利用增速明顯高于排放增速，但利用量仍趕不上新增量，綜合利用率僅為18.9%，而國(guó)外尾礦的利用率高達(dá)60%以上，差距較大。

對(duì)湖北省11處鐵礦山的調(diào)查顯示：僅黃石市及周邊地區(qū)共有尾礦堆31座，總量約7000萬(wàn)t。本文針對(duì)黃石地區(qū)鐵尾礦硅鋁含量高、鈣鐵含量低的性能特點(diǎn)[7]，通過(guò)堿激發(fā)、熱活化等方式對(duì)鐵尾礦進(jìn)行處理，探討以鐵尾礦為主要原料制備非傳統(tǒng)性膠凝材料的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 鐵尾礦的基本特性分析

鐵尾礦取自湖北大冶某鐵礦廠，其化學(xué)組成見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)：該鐵尾礦主要化學(xué)成分是SiO2與Al2O3，兩者含量總和達(dá)到80%以上，而且燒失量較低。鐵尾礦的顆粒組成分析結(jié)果見(jiàn)圖1，粒徑分布主要是在0.15 mm～0.30 mm之間，顆粒較細(xì)。鐵尾礦的礦物組成分析結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，XRD圖譜中石英的衍射峰數(shù)目多、形狀尖銳狹窄、峰值高，說(shuō)明鐵尾礦中SiO2大多是以結(jié)晶度高、活性低的石英態(tài)存在，除此外還有長(zhǎng)石類硅鋁酸鹽類礦物與白云石。

表1 鐵尾礦的化學(xué)成分

圖1 鐵尾礦的顆粒分布

圖2 鐵尾礦的XRD圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

原材料處理：原狀鐵尾礦與試驗(yàn)條件活化處理的鐵尾礦使用前均在105℃～110℃溫度條件下烘干至恒重，再利用水泥試驗(yàn)小磨磨細(xì)至0.080 mm方孔篩篩為1%～3%。

活性硅鋁濃度測(cè)定：采用堿液檢出試驗(yàn)[8～9]分析不同方式處理的鐵尾礦中硅鋁活性活化效果，樣品與溶液比例約為0.5 g/mL，溶液的濃度約為2 mol/L，檢出濾液中硅和鋁的濃度采用BM2011型硅鋁元素X射線熒光分析儀進(jìn)行標(biāo)樣定量分析。

強(qiáng)度與強(qiáng)度指數(shù)測(cè)定：強(qiáng)度參照《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗(yàn)方法》（GB/T 12957-2005），采用40 mm×40 mm×160 mm試件，將試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，分別測(cè)定其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，并計(jì)算強(qiáng)度比。

XRD分析：將測(cè)定抗壓強(qiáng)度后的試樣進(jìn)一步破碎，挑選試樣中心部位的小塊樣品磨至10μm以下，真空干燥1 h，采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/MAX-2400型X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定分析。

SEM分析：從測(cè)定抗壓強(qiáng)度后試件的中心部位破碎取出粒狀小塊，真空干燥1 h，采用日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的SM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度煅燒的鐵尾礦膠凝性

火山灰質(zhì)材料的潛在活性與其中活性硅、鋁在堿性環(huán)境下的溶出程度和溶出速率有直接關(guān)系，是后續(xù)水化反應(yīng)能否順利進(jìn)行的主要影響因素，通過(guò)堿溶浸出硅鋁濃度試驗(yàn)?zāi)軌蛟谝欢ǔ潭认路从彻桎X原料在制備膠凝材料中的活性大小[8、10]。表2和表3是鐵尾礦粉、鐵尾礦粉添加5%NaOH在不同溫度下煅燒一定時(shí)間后樣品的硅鋁堿溶浸出濃度。由表2、表3可見(jiàn)，原鐵尾礦中硅鋁堿浸出濃度很低，經(jīng)過(guò)不同溫度煅燒處理，硅鋁堿浸出濃度也基本沒(méi)有變化。添加NaOH進(jìn)行煅燒后硅鋁堿浸出濃度明顯增大，而且煅燒溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，增大越明顯，而且溫度在達(dá)到600℃前，硅鋁堿浸出濃度隨著溫度升高明顯增大，超過(guò)600℃繼續(xù)升高溫度硅鋁堿浸出濃度增加不顯著。對(duì)比煅燒溫度與時(shí)間對(duì)硅鋁堿浸出濃度影響大小可知，在600℃溫度、添加NaOH條件下，將鐵尾礦煅燒60min能夠明顯激發(fā)其硅鋁活性。這是由于添加NaOH的鐵尾礦經(jīng)高溫煅燒后礦物組成發(fā)生了變化（見(jiàn)圖3）。由圖3可見(jiàn)，700℃加熱處理鐵尾礦的XRD圖譜中結(jié)晶衍射峰數(shù)目減少，而且衍射峰形狀的尖銳程度變小，峰值也有所降低，說(shuō)明鐵尾礦加堿性激發(fā)劑經(jīng)高溫處理后的硅鋁成分由非活性的晶態(tài)向活性的非晶態(tài)轉(zhuǎn)變。

表2 不同溫度煅燒鐵尾礦中硅鋁的浸出液濃度（μg/mL）

表3 不同溫度煅燒鐵尾礦中鋁的浸出液濃度（μg/mL）

圖3 添加氫氧化鈉的鐵尾礦在不同溫度加熱處理的XRD圖

2.2 不同堿組分激發(fā)的鐵尾礦膠凝性

為確定不同堿組分對(duì)鐵尾礦的活化效果的影響，分別將NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、Ca（OH）2四種物質(zhì)摻入鐵尾礦，并在600℃溫度下煅燒60 min，以處理后的鐵尾礦為原材料制備膠砂強(qiáng)度試件。由表4可知，在高溫煅燒條件下，不同激發(fā)劑對(duì)鐵尾礦膠凝活性的激發(fā)效果不同，試驗(yàn)條件下硅酸鈉的激發(fā)效果最佳，其膠砂試件28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為26.5 MPa和5.8 MPa、抗壓強(qiáng)度比和抗折強(qiáng)度比61.5%和86.6%；煅燒處理鐵尾礦膠砂試件的脆性較基準(zhǔn)試件得到改善，28 d抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比均超過(guò)20%，較基準(zhǔn)試件提高了8%以上，Na2SiO3激發(fā)鐵尾礦試件提高幅度最大。

表4 不同堿組分激發(fā)的鐵尾礦膠砂強(qiáng)度

2.3 不同模數(shù)水玻璃激發(fā)的鐵尾礦膠凝性

以NaOH調(diào)節(jié)Na2SiO3得到不同模數(shù)的水玻璃作堿激發(fā)劑、600℃溫度下鐵尾礦煅燒60 min，以處理后的鐵尾礦為主要原材料制備膠砂試件，抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知：水玻璃模數(shù)從0.6增大至1.4時(shí)，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，模數(shù)為1.0時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到42 MPa。這可能是由于模數(shù)為1.0的水玻璃激發(fā)劑所提供的堿性環(huán)境更有利于鐵尾礦中的二氧化硅等礦物向無(wú)定型態(tài)轉(zhuǎn)化，這一點(diǎn)從圖5不同模數(shù)水玻璃激發(fā)的鐵尾礦XRD圖譜可以證明。曲線A的彌散程度較曲線B、C均大，說(shuō)明其中含有更多的無(wú)定型物質(zhì)。

圖4 不同模數(shù)水玻璃激發(fā)鐵尾礦抗壓強(qiáng)度

圖5 不同模數(shù)水玻璃激發(fā)鐵尾礦XRD圖譜

3 結(jié)論

（1）單獨(dú)對(duì)鐵尾礦進(jìn)行煅燒不能使其活性提高，若要實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的高效利用必須采取其它技術(shù)對(duì)其進(jìn)行活化處理。

（2）在鐵尾礦中添加堿性物質(zhì)進(jìn)行煅燒可以通過(guò)增加活性硅鋁物質(zhì)的含量提高鐵尾礦的膠凝活性，且溫度對(duì)其活化效果有較明顯的影響，隨著溫度的升高，活化效果增強(qiáng)，溫度約在600℃條件下活化效果最好。

（3）堿激發(fā)劑種類及其摻量均會(huì)影響鐵尾礦活性激發(fā)效果，試驗(yàn)條件下硅酸鈉更最適宜作鐵尾礦的活性激發(fā)劑，且當(dāng)其模數(shù)為1.0時(shí)，激發(fā)效果最佳，激發(fā)鐵尾礦的膠砂強(qiáng)度達(dá)到42 MPa。

（4）通過(guò)化學(xué)激發(fā)方式處理的鐵尾礦能夠部分替代傳統(tǒng)膠凝材料用于建筑、交通、水利等工程建設(shè)，也可用作土壤改良劑及微量元素肥料，復(fù)墾植被，改善礦山和尾礦場(chǎng)的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的無(wú)害化、資源化利用，減少鐵尾礦堆存帶來(lái)的水體、土壤、大氣等生態(tài)環(huán)境污染。