铁尾矿在水泥基材料中应用的研究进展

郭增，常智慧，王伟，刘天水

（1. 商洛学院化学工程与现代材料学院，陕西 商洛726000；2. 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室（商洛学院），陕西商洛726000）

铁尾矿是铁矿石经破碎、磨矿、分选等选矿工艺后排放的固体废物[1]，与天然砂成分相似[2]，其坚固性、密度和压碎指标等都符合建筑用砂要求。据统计，我国现有尾矿库10000 余座，尾矿堆存近50 亿t[3]。

尾矿的大量堆存会占用大量的土地资源并污染环境，进而严重威胁下游人民的生命和财产安全。因此需要开展尾矿综合利用，提高铁尾矿利用效率，进而实现铁尾矿的资源化利用。而铁尾矿经热活化、化学活化和机械力活化，具有一定的活化性能，可在水泥基材料中应用，是铁尾矿资源化利用的重要途径之一。文中综述了铁尾矿在水泥基材料中的应用进展，并进行了总结与展望。

1 铁尾矿在水泥中的应用

1.1 铁尾矿作原料煅烧熟料

水泥熟料主要由C3S，C2S，C3A 及C4AF 等组成[5]，其中C3S 能促使产生含有较多OH+的Ca（OH）2在钢筋表层形成钝化膜，防止其不被Cl-及空气侵蚀，保证了钢筋和混凝土的紧密性，进而提高了力学性能[6]。但C3S 的形成需要较高温度和一定时间，因此研究合适配比的尾矿掺量和外加剂种类以降低水泥生产能耗是目前的重要课题。王金忠等[7]以铁尾矿制备水泥发现，铁尾矿中的微量元素能促进碳酸盐和盐酸盐分解，对C2S 吸收f-CaO 生成C3S 的反应有促进作用，使得熟料的结晶温度降低，进而使得生料的易烧性得到改善，降低了熟料的能耗；罗力等[8]用石灰石、石英砂和铁尾矿制备水泥熟料，研究发现铁尾矿硅铝质成分会降低水泥烧结中碱性成分的生成，极大地降低了煅烧温度和能耗，减少成本；徐庆荣[9]等用铁尾矿制备硅酸盐水泥熟料，通过试验确定了最佳工艺为：铁尾矿、钢渣和石灰粉按17∶13∶70 的比例在1400 ℃煅烧25 min，减少了熟料生产的能耗，从而降低了生产成本；郑永超[10]等用铁尾矿制备BSAC，通过实验确定最佳工艺为：煅烧石灰石、矾土、氧化铝、铁尾矿、二水石膏按48∶17∶15∶10∶10 的比例，在1350 ℃煅烧20 min 后加入8%的天然石膏和石灰石制成水泥，再按1∶3 的胶砂比、0.6 的水胶比制备胶砂试块，试块的28 d 抗压强度达52.5 MPa；这些水泥熟料的制备，在大量资源化利用铁尾矿的同时，使得熟料的生产条件向低温煅烧、环境影响较低等环境友好方向发展，也是铁尾矿资源综合利用及循环经济所鼓励发展的方向。

1.2 铁尾矿作水泥掺合料

铁尾矿通常具有较高的硅含量[11]，SiO2，Al2O3和Fe2O3的含量高达85%，Na2O，K2O，CaO，MgO 等含量较少，烧失量较低，且SO3成分含量极低不易产生污染。由于其具有的可激发性及化学成分的特殊性等，可先采用机械力活化、热活化和化学活化的方法激发其潜在活性，之后再与碱性物质反应用作水泥混合材料[12]。蒙朝美等[13]用机械力对某矿区的高硅铁尾矿进行活化，发现机械力可以铁尾矿晶体结构而使得颗粒结晶度降低，同时使得颗粒比表面积增加，粉磨3.5 h 后制得的胶砂试块的28 d 强度比为81.7%，具有火山灰活性，证实了粉磨后的尾矿可作为辅助胶凝材料用于制备混凝土；刘骏超等[14]将不同细度的铁尾矿引入减水剂-水泥体系中，研究发现：尾矿颗粒越细，比表面积增大，能够吸附更多游离水，减水剂的掺入使尾矿更分散，使净浆流动度有效提高；王喜刚等[15]掺入铁尾矿制备水泥改良土，研究发现：铁尾矿可提高水泥改良土的强度且最佳掺入量为4%；刘晶磊等[16]用铁尾矿和水泥制备出高强度路面基层材料，发现水泥掺量比例与材料的抗压强度有明显的正相关关系，高压实度的情况下材料各组分之间更加密实，受力分布更加均匀，能够提高水泥材料的空间骨架强度，并建立了相关表征参数之间的经验公式，为后续相关的研究提供了参考。

2 铁尾矿在混凝土中的应用

铁尾矿属硅质材料且经过选矿加工后其粒度范围较小，与混凝土掺合，各粒级的颗粒物之间存在互相填充的作用，且可减少填充水使混凝土微结构更加均匀密实[17]，在节约水泥的同时，提高了抗渗性且避免了泌水离析现象。

张伟[18]研究了铁尾矿-粉煤灰-矿渣复合掺合料对混凝土的影响，发现铁尾矿的微集料效应可有效提高混凝土工作性能；彭链[19]研究铁尾矿活性激发及胶凝材料制备技术发现：提高铁尾矿活性最有效的手段是碱熔，最佳组合是NaOH 和铁尾矿按1.1 的质量比在350 ℃煅烧60 min，此条件下激发的铁尾矿制备的胶凝材料平均强度达到8.13 MPa；狄燕清等[20]用铁尾矿掺和高炉渣、脱硫石膏等制备混凝土试样，研究发现较低细度的铁尾矿能改善试样的骨料级配从而降低混凝土塌落度；张秀之[21]等用铁尾矿和机制砂制备混凝土，发现铁尾矿能与颗粒较粗的机制砂形成连续级配效应，促使各物料级别接触点与受力点增多，进而在混凝土内部形成能够承压受力的稳定结构，有助于提升混凝土的工作性能。

3 铁尾矿在墙体材料中的应用

以尾矿作为墙体材料的原料能够提高墙体材料的综合性能，并能有效降低传统墙体材料带来的资源浪费和环境污染。汪飞等[22]用水泥、铁尾矿、PS 颗粒和膨胀材料制备轻质隔热墙材，研究表明：铁尾矿经激发后活性大大改善，产品28 d 抗压强度3.0 MPa，容重为1000 kg/m3，导热系数0.231 W（/m·K）；喻振贤等[23]用水泥、铁尾矿等制备轻质保温墙材发现：碱激发剂对铁尾矿活性激发效果显著，水泥、铁尾矿、膨胀珍珠岩和激发剂按1∶2.5∶0.63∶0.25 的质量比、0.8 的水灰比时，轻质保温墙材的28 d 抗压强度＞5 MPa、容重＜900 kg/m3、导热系数＜0.231 W/（m·K），完全满足轻质保温墙材的性能要求；周勋南等[24]研究发现铁尾矿细度优势能使尾矿免烧砖制备过程中级配良好、凝聚力提升；云正等[25]用气化炉渣与铁尾矿、粘土采用挤出成型法制备烧结，墙体材料发现：添加20%的气化炉渣在950 ℃烧结，制成密度＜1.45 g/cm3、导热系数＜0.23 W/（m·K）、抗压强度＞30 MPa 的墙体材料。

4 结语和展望

铁尾矿经活化作为掺合料用于混凝土、水泥和墙体材料是提高其利用效率的一种有效手段，可极大地缓解水泥基建材生产带来的环境污染问题和能耗问题，并提高其抗压强度、容重、导热等物理性能，带来了良好的环境效益和社会效益。但在水泥基材料中的大掺量应用有待进一步研究，除了对水泥基掺合材料的力学性能研究以外，仍然有更多未涉及的领域需要深入论证探讨，并扩展研究材料范围。