不同细度锂辉石尾矿粉对水泥胶砂的性能影响及再利用试验研究

周宇轩 祝小靓 傅琼华 金志成

(1河海大学，江苏 南京 210029；2江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029)

尾矿是矿石精炼筛选之后排放的废弃矿渣。随着尾矿量的增大，尾矿坝失事的事件越来越多，这不仅占用大量土地资源，也对农田、水源等生态环境造成巨大的污染。尾矿的回收利用和综合治理迫在眉睫。

在可持续发展已经深人人心的今天，对于工业废渣的利用受到越来越多人的关注。矿渣、钢渣和粉煤灰是工业废渣的重要组成部分，将这些废渣作为水泥混合材料或者混凝土掺合料使用，对于治理工业废渣以及环境保护都有重要的意义。目前已有很多关于尾矿废弃物的应用研究，主要有三个方面：1.尾矿渣加工成建筑材料；2.回收提取有价元素；3.矿厂采空区的填充和尾矿库复垦[1-2]。

本试验对江西西部资源锂业有限公司的锂辉石尾矿砂经研磨加工成粉，研究不同细度及不同水泥替代率对水泥胶砂的工作性能和力学性能的影响来确定锂辉石尾矿粉的合理替代率[3]。

1 试 验

1.1 原材料

普通硅酸盐水泥P.O42.5海螺水泥

2）ISO标准砂

3）锂辉石尾矿粉

1.2 试验方案

本试验将不同细度的锂辉石尾矿粉，分别按不同比例掺配后替代部分水泥进行胶砂的制备及性能研究试验。

水泥胶砂制备按照GB/T17671相关规定进行。根据不同细度、不同掺量分7组试验，每组做两次，比较7d及28d的抗压强度，不掺尾砂的作为基准对比胶砂，同样需做两次。

表1 水泥胶砂配合比

按照GB/T2419和GB/T17671规定的方法进行试验，分别测定水泥胶砂的流动度和抗压强度。得到试验数据，分析不同细度和不同掺量对水泥胶砂的性能影响。

2 锂辉石尾矿粉的性能分析

2.1 基本性能

粗粉的细度69.4%(筛余45μm)，含水量0.2%，烧失量1.47%，比表面积103m2/kg；

细粉的细度3.4%(筛余45μm)，含水量0.4%，烧失量1.41%，比表面积361m2/kg；

2.2 化学成分

锂辉石尾矿化学主要成分见表2。

表2 锂辉石尾矿化学主要成分

2.3 性能分析

细粉的性能基本满足JG/T 315—2011《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》的规范要求，粗粉细度不满足要求，当掺量在30%时掺粗粉和细粉的28d活性指数均不达标。

3 结果与讨论

3.1 试验结果

试验结果见表3。

表3 试验结果

3.2 不同细度不同替代率下水泥胶砂的流动度

由图1可知，随着锂辉石尾矿粉的替代率的增加，水泥胶砂的流动度明显降低；细的尾矿粉制成的水泥胶砂流动性比粗粉的要好。从流动度比可以看出，细粉在三种替代率下都能达到90%，满足规范要求；粗粉替代率增加到20%时，流动度大幅降低，胶砂的形状展开不均匀，和易性不好。

由于尾矿粉是由尾砂经研磨加工制成的，粗尾矿粉细度模数偏大，含有较多疏松多孔的玻璃体和石粉，这些不规则的玻璃体和石粉表面粗糙，孔隙多，导致需水量增大，由于每组试验的用水量一样，导致粗尾矿粉制备的胶砂流动度大幅下降[4]。随着替代率的增加，意味着一部分的胶凝材料变成了细颗粒和石粉，且石粉又具有一定的减水作用，由于用水量不变，这是水泥胶砂的流动度随着尾矿粉替代率的增加而降低的作用机理。因此，从水泥胶砂的流动度来看，尾矿粉的替代率不应超过20%。

图1 不同替代率胶砂流动度

3.3 不同细度不同替代率下水泥胶砂的7d抗折抗压强度

图2 不同替代率7d抗折强度

图3 不同替代率7d抗压强度

由图2、3可知，随着锂辉石尾矿粉的替代率的增加，水泥胶砂的7d抗折抗压强度逐渐下降，掺细粉的水泥胶砂强度总体上高于掺粗粉的。当掺量增加到20%时，强度的下降幅度变大，且掺粗粉的水泥胶砂强度下降幅度更大。

细尾矿粉比表面积大，活性高，具有较多的表面光滑致密的颗粒玻璃体，能够通过堆积和填充作用提高胶砂试件的抗压强度。粗尾矿粉含不规则的玻璃体和石粉，表面粗糙，孔隙多，导致胶砂强度较低[5]。

由于尾矿粉的组成成分比较稳定，表面又相当致密，不易水化，在水泥水化7d后的尾矿粉颗粒表面上几乎没有变化，略有胶凝状的水化产物出现[6]。可见掺尾矿粉的水泥胶砂早期强度都偏低，随着龄期的增长逐渐接近标准水泥胶砂的强度。

3.4 不同细度不同替代率下水泥胶砂的28d抗压强度

图4 不同替代率28d抗折强度

图5 不同替代率28d抗压强度

由图4、图5可知，水泥胶砂的28d抗折抗压强度也是随着锂辉石尾矿粉的替代率的增加而逐渐下降，但是掺粗粉的水泥胶砂强度总体上高于掺细粉的，这与7d的强度有明显区别，28d抗折抗压强度相较于7d提高不少。

掺矿渣粉的水泥水化主要是熟料矿物的水化及矿渣粉与Ca(OH)2和CaSO4、的反应。水泥熟料水化后析出的Ca(OH)2作为矿渣粉的碱性激发剂与矿渣粉中的活性成分相互作用，生成纤维状的水化硅酸钙和钙矾石等水化产物，随着龄期的增长，逐步转变成纤维状晶体，数量不断增加并相互交叉，形成连锁结构，使后期强度得到较快的提高[7-8]。

随着替代率的增加，胶砂的抗折抗压强度均有下降，尤其是早期的强度，但同时折压比明显增大，7d折压比比28d折压比大，这有助于提高水泥胶砂的抗裂性能，尤其是早期的抗裂性能[9]。

4 结 语

本试验通过分析锂辉石尾矿粉的基本性能、化学成分研究把锂辉石尾矿砂微粉用作混凝土掺合料的可能性。通过研究不同细度及不同替代率对水泥胶砂的工作性能和力学性能的影响来确定锂辉石尾矿粉的合理替代率。得出以下结论：

1)随着锂辉石尾矿粉的替代率的增加，水泥胶砂的流动度明显降低。从流动度比可以看出，细粉在三种替代率下都能达到90%，满足规范要求；粗粉替代率增加到20%时，流动度大幅降低，胶砂的形状展开不均匀，和易性不好。

2)水泥胶砂7d、28d的抗折抗压强度随替代率的增加逐渐下降，掺细粉的7d胶砂强度总体上高于掺粗粉的，但是掺粗粉的28d胶砂强度总体上高于掺细粉的；当掺量增加到20%时，强度的下降幅度变大，且掺粗粉的水泥胶砂强度下降幅度更大。28d抗折抗压强度相较于7d提高不少；折压比明显增大，7d折压比比28d折压比大，这有助于提高水泥胶砂的抗裂性能，尤其是早期的抗裂性能。

3)从掺细粉的7d胶砂强度总体上高于掺粗粉的，掺粗粉的28d胶砂强度总体上高于掺细粉的结果可以看出，细粉有助于提高水泥胶砂的早期强度，细粉比表面积大，活性高，早期就能与水和水泥充分发生水化反应；而掺粗粉的水泥胶砂早期强度低，28d后强度有明显提升，与粉煤灰的性能很相似。粗粉发生水化反应比水泥慢，被粗粉取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，胶砂早期强度降低。随着时间的推移，粗粉中活性部分SiO2和AI2O3与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成大量水化硅酸凝胶[10-11]，促进了后期强度的增长。

4)综合分析后得出，粗粉替代率应该小于20%，细粉替代率在此研究范围内根据实际应用所需强度等级来定。此时胶砂的工作性能良好，力学性能比较理想。

[1]常前发.我国矿山尾矿综合利用和减排的新进展[J].金属矿山 ,2010(3):1-5+61.

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