利用金矿尾矿制备硅酸盐水泥的组成与性能研究

李金硕 张乙飞 陈喜财 韩 雪 周 燃 雷建国 宫晨琛

(1.中国冶金地质总局第一地质勘查院，廊坊 065201；2.济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，济南 250022)

1 前言

硅酸盐水泥是以石灰石、粘土、页岩和铁质原料等为主要原料烧制的熟料、辅助性胶凝材料和石膏混合而成，是国民经济建设的重要基础原材料[1]。随着国务院办公厅的《关于坚决制止耕地“非农化”行为的通知》和《关于防止耕地“非粮化”稳定粮食生产的意见》的下发，“坚决防止耕地“非粮化”倾向”严重影响了粘土、页岩作为水泥原料的使用，从而造成水泥生产中硅铝质原料严重短缺[2,3]。

随着我国黄金提金技术的高速发展，黄金矿山的数量、规模及产量日趋增长，但矿石入选品位不断降低，造成尾矿量猛增。大量尾矿堆积对生态环境造成严重污染。尾矿在风化过程中逸出有害气体、极细尾矿砂粒受风吹作用甚至形成沙暴、汛期尾矿随雨水流入农田、河流等严重危害空气和地下水等[4]。同时，尾矿具有粒度细、资源储量大等优点，可作为硅铝质原料代替粘土、页岩生产水泥熟料[5,6]。

2 原材料及实验方案设计

2.1 原材料

本文所用的金矿尾矿来自河北张家口紫金矿业，呈粉末状。金矿尾矿、石灰石、铁尾矿和铝尾矿的化学组成见表1。

表1 原材料的化学组成/wt.%

2.2 配合比设计

本文以金矿尾矿、石灰石、铁尾矿和铝尾矿为主要原料，设计生料配合比，见表2。

按照表2的配合比称料，加20%水混合均匀，制成生料坯体，置于烘干箱内烘干，然后在1 450℃的高温炉中煅烧，冷却磨细后得到熟料。为了检测熟料的水化性能，将煅烧的熟料与 5%石膏混合并磨细，即制得水泥。

表2 生料配合比/wt.%

3 结果与讨论

3.1 游离氧化钙

游离氧化钙是指熟料中没有以化合状态存在而是以游离状态存在的氧化钙。当游离状态的CaO含量过高时会引起水泥的安定性不良。图1为熟料的游离氧化钙含量示意图。游离氧化钙的含量在0.82～1.56%，尤其F样品的游离氧化钙最低，仅为0.82%，因此，本文所煅烧熟料的游离氧化钙含量均低于3%，满足《硅酸盐水泥熟料》(GB/T 21372—2008)安定性要求，不存在体积安定性不良的隐患。

图1 熟料的游离氧化钙含量

3.2 矿物组成XRD分析

图2是熟料矿物组成的XRD图谱。从图中可以看出，经1 450℃煅烧的熟料的主要存在矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙，尤其E样品的硅酸盐矿物特征峰的峰高明显高于其它样品，说明其硅酸盐矿物含量更高，结晶度更完美。从表2配合比设计可以看出E样品生料中氧化铝和氧化铁含量明显高于其它样品，能生成更多的熔剂矿物铝酸三钙和铁铝酸四钙，从而有利于硅酸三钙的生成。这与图2中从E到G铝酸三钙和铁铝酸四钙的特征峰的变化趋势是相呼应的。

3.3 标准稠度需水量

图3为本文所制备的水泥的标准稠度需水量的检测结果。从图中可以看出标准稠度需水量相差不大介于26.3～30.7%，其中E样品的标准稠度需水量明显高于其它样品，分别比F和G高16.7%和11.7%。

图2 熟料矿物组成XRD图谱

3.4 凝结时间

图4为本文所制备的水泥的凝结时间的测定结果，其中初凝时间用柱状图表达，终凝时间用折线图表达。从图中可以看出初凝时间介于109～186min，终凝时间介于347～538min，符合GB 175-2007标准中32.5普通硅酸盐水泥的初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min的要求。

图3 水泥的标准稠度需水量

图4 水泥的凝结时间

3.5 力学性能

图5和图6分别是本文所制备的水泥的抗压强度和抗折强度的检测结果。随着龄期的增长至28天抗压强度和抗折强度均呈上升趋势，说明水泥在持续水化。水化3天时，E、F、G的抗压强度均高于11MPa，F、G的抗折强度均高于2.5MPa。水化28天时， F、G的抗压强度均高于32.5MPa，F、G的抗折强度均高于5.5MPa。F、G的强度符合GB 175-2007中32.5普通硅酸盐水泥的强度要求。

图5 水泥抗压强度

图6 水泥抗折强度

4 结 论

(1)在经历1 450℃保温30分钟的煅烧后，主要烧成矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙，与硅酸盐水泥熟料矿物相一致，同时游离氧化钙的含量在0.82～1.56%，不存在体积安定性不良的隐患。

(2)所制备的熟料与5%石膏混合后标准稠度需水量介于26.3～30.7%。初凝时间介于109～186min，终凝时间介于347～538min。水化3天时， F、G的抗压强度均高于11MPa，抗折强度均高于2.5MPa。水化28天时， F、G的抗压强度均高于32.5MPa，抗折强度均高于5.5MPa，符合GB 175-2007中32.5普通硅酸盐水泥的强度要求。