某铅锌尾矿粒度与其作水泥混合材性能的灰色关联

耿碧瑶 倪 文 王佳佳 仇夏杰

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点试验室，北京100083)

随着新型城镇化建设的全面展开，我国对水泥和混凝土的需求量仍将延续改革开放以来的较快增长。国家统计局数据显示，2012年我国水泥产量已达到21.84亿t，每生产1 t硅酸盐水泥约需消耗1.5 t石灰石，并向大气中排放1 t二氧化碳，水泥工业对环境造成的负面影响十分巨大［1］。

尾矿作为二次资源再利用已经受到世界各国的广泛关注［2-3］。截至2011年底，我国的各类尾矿累积堆存量约为120亿t，每年新产出尾矿约15亿t，新产出尾矿的综合利用率仅为17%左右，尾矿的大量堆存带来了环境、资源、土地、安全等诸多问题［4-6］。目前，我国尾矿综合利用研究主要集中在有价组分再选、部分替代建筑用沙生产行道砖及采空区回填等几方面［7-8］，这些综合利用方向普遍存在尾矿利用量小、附加值低等问题［9-11］。

在不影响水泥工作性能的前提下，若能用尾矿作为水泥混合材，不仅可以降低水泥生产成本和水泥工业对环境的负面影响，而且还可以解决尾矿堆存带来的一系列问题，实现尾矿的高附加值利用。目前，关于尾矿作为水泥混合材方面的研究大都停留在掺加量对水泥活性的影响方面，而关于尾矿粒度分布对水泥强度和流动度的影响研究却鲜见报道［12-13］。本研究将以福建尤溪某铅锌尾矿为原料，根据灰色关联分析原理，探讨该尾矿粒度分布与胶砂流动性及胶砂试块抗压强度的相关性。

1 试验原料及其加工、分析

1.1 试验原料

试验原料有福建尤溪某铅锌尾矿(主要化学成分分析结果见表1)、PI42.5基准硅酸盐水泥、标准砂、福建新创化建科技有限公司开发的粉状尾矿活性专用激发剂、北京慕湖外加剂有限公司生产的粉状PC型聚羧酸减水剂。

表1 铅锌尾矿主要化学成分分析结果Table 1 Main chemical components of lead-zinc tailings %

1.2 原料的加工与分析

尾矿的粉磨采用SM500×500型球磨机，每次装入5 kg尾矿和100 g尾矿活性激发剂，磨矿时间分别为15、30、45、60 min，用 SEISHIN LMS －30 型激光粒度仪测定各磨矿产品的粒度分布(分散介质为无水乙醇)，结果见图1。

图1 不同磨矿时间的铅锌尾矿粒度分布Fig.1 Particle's size distribution of lead-zinc tailings under different length of grinding time

2 胶砂的流动度与抗压强度试验

2.1 胶砂的流动度试验

按照《GB/T 12957—2005 用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》制作8种胶砂，第1～4种分别掺加占胶凝材料质量分数为30%的磨矿时间为15、30、45和60 min的铅锌尾矿(不掺加减水剂)，分别记为 W1、W2、W3、W4，胶砂制备的水胶比均为 0.5;第5 ～8 种按顺序对应在 W1、W2、W3、W4中分别加入与胶凝材料质量比为0.3%的减水剂，分别记为WJ1、WJ2、WJ3、WJ4，胶砂制备的水胶比为 0.4。并按照《GB/T 2419—2005 水泥胶砂流动度测定方法》测定8种胶砂的流动度，结果见图2。

图2 不同胶砂试样的流动度Fig.2 Mortar fluidity of lead-zinc tailings under different length of grinding time

从图2可以看出，无论是添加减水剂组还是不添加减水剂组，水泥胶砂的流动度均随掺入的尾矿细度的提高而逐渐增加。

2.2 胶砂试块强度试验

用上述8种胶砂分别制备40 mm×40 mm×160 mm的试块8组，每组3模，每模3块，在20±1℃、湿度大于95%的养护箱中养护1 d后脱模，然后在水温20±1℃的养护池中继续养护，并按照《GB/T 17671—1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定其3、7和28 d的强度，结果见图3。

从图3可以看出，对于同一种组分的试块而言，随着养护龄期的延长，试件的抗压强度均提高;无论是添加减水剂组还是不添加减水剂组，胶砂试块的抗压强度均随掺入的尾矿细度的提高而逐渐提高。

3 灰色关联分析及结果

3.1 灰色关联分析原理

灰色关联分析主要研究的是基于行为因子序列的微观或宏观几何接近，以分析和确定因子间的影响程度或因子对主行为的贡献程度［14］，是一种定量与定性相结合的分析方法。该分析方法立足于根据事物或因素的序列曲线的相似程度来判断它们之间的关联程度。如果两个因素对应的曲线形状彼此相似，则关联度大;反之，关联度小［15］。

灰色关联分析的优点在于，这种方法可以从众多因素中提炼出影响系统的主要因素，并且按照因素的发展趋势进行分析;该方法对样本的要求不高，具有广泛的适用性。

3.2 铅锌尾矿粒度分布对胶砂流动度的影响

试验以胶砂的流动度为母序列，磨细尾矿的不同粒级产率为子序列(粒级与代号的关系见表2)，并进行均一化处理(见表3)，然后进行关联度和关联极性处理，结果见表4。

表2 粒级与代号的对应关系Table 2 Granulometric size class and their code name

表3 流动度母序列与尾矿粒度分布子序列的均一化处理结果Table 3 Homogenization results of the parent series for the mortar fluidity and sub-series for the particle size distribution of lead-zinc tailings

表4 胶砂流动度与尾矿粒度分布的关联度及极性Table 4 Incidence coefficients and polarities between the mortar fluidity and particle size distribution of lead-zinc tailings

从表4可以看出，W及WJ组胶砂的流动度均与各自尾矿中的Y1至Y4粒级的关联极性为正，与Y5、Y6粒级的关联极性为负，其中与Y4粒级的关联度最大，分别为0.978和0.944。即这2组胶砂的流动度均与尾矿中的－8.39 μm粒级正相关，其中与8.39～4.24 μm 的关联度最大，与 4.24 ～2.15、2.15～1.09及1.09～0 μm粒级的关联度依次减小，与+8.39 μm粒级负相关。也就是说，尾矿中的－8.39 μm粒级对胶砂的流动度有增加作用，以8.39～4.24 μm为最，+8.39 μm粒级对胶砂的流动度有降低作用。

3.3 铅锌尾矿粒度分布对胶砂试块强度的影响

试验以胶砂试块3、7和28 d的抗压强度为母序列，磨细尾矿的不同粒级的产率为子序列(粒级与代号的关系见表2)，并进行均一化处理(见表5、表6)，然后进行关联度和关联极性处理，结果见表7。

表5 W组胶砂试块抗压强度母序列与尾矿粒度分布子序列的均一化处理结果Table 5 Homogenization results of the parent series for the group W's compressive strength and sub-series for the particle size distribution of lead-zinc tailings

表6 WJ组胶砂试块抗压强度母序列与尾矿粒度分布子序列的均一化处理结果Table 6 Homogenization results of the parent series for the group WJ's compressive strength and sub-series for the particle size distribution of lead-zinc tailings

表7 胶砂试块抗压强度与尾矿粒度分布的关联度及极性Table 7 Incidence coefficients and polarities between the compressive strength and the particle size distribution of lead-zinc tailings

从表7可以看出，W及WJ组不同养护龄期胶砂试块的抗压强度均与各自尾矿中的Y1至Y4粒级的关联极性为正，与Y5、Y6粒级的关联极性为负，其中与Y4粒级的关联度最大，且均大于0.87。即这2组不同养护龄期胶砂试块的抗压强度均与尾矿中的－8.39 μm粒级正相关，其中与8.39～4.24 μm的关联度最大，与 4.24～2.15、2.15～1.09及 1.09～0 μm粒级的关联度依次减小，与+8.39 μm粒级负相关。也就是说，尾矿中的－8.39 μm粒级对不同养护龄期胶砂试块的抗压强度有增加作用，以8.39～4.24 μm为最，+8.39 μm粒级对不同养护龄期胶砂试块的抗压强度有降低作用。

4 结论

(1)提高铅锌尾矿细度利于提高其作为水泥混合材的水泥胶砂的流动度和胶砂试块的抗压强度。

(2)在磨细尾矿掺量为30%时，胶砂流动度与尾矿中－8.39 μm粒级正相关，其中8.39～4.24 μm粒级与胶砂流动度的关联度最大，+8.39 μm粒级与胶砂的流动度负相关。

(3)在磨细尾矿掺量为30%时，不同养护龄期胶砂试块的抗压强度与尾矿中－8.39 μm粒级正相关，其中8.39～4.24 μm粒级与胶砂试块的抗压强度的关联度最大，+8.39 μm粒级与胶砂试块的抗压强度负相关。

(4)要提高该铅锌尾矿作为水泥混合材的性能，在尾矿掺量为30%时，应尽量增加－8.39 μm粒级所占的比例，尤其是增加8.39～4.24 μm粒级所占的比例，并尽量降低+8.39 μm粒级所占的比例。

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