铜尾矿泡沫陶瓷的组成对坯体性能的影响研究

余海燕，王梦伟，石译文

（天津城建大学材料科学与工程学院，天津 300384）

随着我国经济的快速发展，市场对铜的需求量日益剧增，2021 年我国的铜产量为1 389 万t，其中每产出1 t 铜，就会产生400 t 的废石和铜尾矿渣[1].铜尾矿渣是天然铜矿石经粉碎、分选、精选等作业后产生的粉状或砂砾状固体废弃物，大量的铜尾矿堆积，不仅占用大量农田和林地，还对生态环境造成严重的危害[2]，为了响应国家可持续发展的号召，将铜尾矿进行回收再利用成为当代社会的研究热点.目前对铜尾矿渣的整体综合利用主要有回填、再选回收、制备建筑材料、作陶瓷和玻璃原料等方面[3].

泡沫陶瓷作为一种多孔材料，因其比表面积高、质量小、导热率低、渗透性高，被广泛应用于环保、能源、化工、生物等领域[4].泡沫陶瓷可采用低质的页岩、工业废渣等制备而成，有利于环境保护和降低能耗，文献[5-7]中的研究发现：以尾矿废渣等为原料，加入其他辅助材料制得的泡沫陶瓷强度、容重和导热系数均满足使用要求.铜尾矿渣经精选后剩余的主要成分为SiO2、Al2O3等，也可用来制备泡沫陶瓷.张国涛等[8]以铜尾矿为主要原料，制备出轻质、高强度的发泡陶瓷墙板，其密度为437.52 kg/m3，抗压强度为9.77 MPa，产品外观孔径为0.5～1.5 mm，满足实际应用要求.马调调[9]利用铜尾矿渣、造孔剂、黏接剂，优化了多孔陶瓷的制备条件，最终所制得的泡沫陶瓷强度为6 MPa. 杨航等[10]通过正交试验，确定了发泡陶瓷的最佳配方为尾矿质量分数55%，废石-8 质量分数25%，钠长石质量分数20%，白云石掺质量分数5%，发泡剂掺量质量分数0.3%，其最终表观密度为605 kg/m3，抗压强度为5.3 MPa，孔隙率为72.7%，吸水率为1.4%，为铜尾矿的高附加值综合利用提供了一个新的解决方案. 目前，多数学者仍集中于对铜尾矿泡沫陶瓷制品性能的研究上，对铜尾矿泡沫陶瓷素坯的成型性能研究较少，本文根据相关文献，主要研究了铜尾矿泡沫陶瓷的组成对坯体性能的影响.

1 实验原料

本实验用到的主要原料为铜尾矿、页岩、长石、水泥、膨润土，经XRF 分析测试主要氧化物含量如表1所示.

表1 铜尾矿主要氧化物质量分数%

实验所用减水剂为萘系减水剂，棕黄色粉末，减水率为23%；所用稳泡剂为聚乙烯醇，黄白色透明颗粒；所用水全部为自来水.

2 实验方法

2.1 铜尾矿泡沫陶瓷制备方法

将制备铜尾矿泡沫陶瓷原材料进行烘干，放入球磨机中球磨15 min，并过200 目筛；根据原料化学元素成分分析，确定基础配合比，水固比为0.37，减水剂掺量质量为质量粉料的0.2%，干燥时的温度为60 ℃，实验过程如图1 所示.

图1 铜尾矿泡沫陶瓷坯体的制备流程

2.2 发泡工艺

泡沫陶瓷因其应用领域不同，其制备方式也不同，本实验采用直接发泡法，将发泡剂和40 ℃温水按照质量1 ∶40 的比例称取后快速搅拌1 min，制得所需泡沫，此方法在控制制品的形状和密度方面较其他方法具有较大的优势.

2.3 抗压强度测试

因抗压强度较低，采用岛津万能试验机对铜尾矿泡沫陶瓷坯体进行抗压强度测试，将坯体平滑的一面向上放置于压力试验机的中间，在连续均匀加压下坯体发生破坏，记录此时的压力值，由以下公式计算其抗压强度

式中：F为试件破坏时的最大荷载，N；A为试件的受压面积，mm2.

2.4 干燥收缩率测试

铜尾矿多孔烧结制品的收缩率采用体积收缩率，分别测试干燥收缩率和烧成收缩率.由以下公式计算其干燥收缩率

式中：V1为铜尾矿泡沫陶瓷坯体刚制备出的体积，cm3；V2为铜尾矿泡沫陶瓷坯体干燥后的体积，cm3.

3 实验结果

3.1 水泥掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体性能的影响

为探究水泥掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体性能的影响，以水泥掺量等量替代铜尾矿掺量，设计实验配合比如表2 所示，经成型干燥后的铜尾矿泡沫陶瓷坯体外观如图2 所示.

图2 不同水泥掺量的铜尾矿泡沫陶瓷坯体外观

表2 以水泥为变量的铜尾矿泡沫陶瓷坯体配比

由图2 可以得出，随着水泥掺量的增加，泡沫陶瓷素坯的成型性能越来越好. 在水泥质量分数为0时，经过干燥后的坯体完全不成型，水泥掺量5%时坯体可以成型，但由于强度较低，在脱模过程中极易破碎，水泥掺量为10%～20%时，由于水泥发生水化反应使得坯体具有一定的强度，成型效果较好，孔的分布也较均匀. 将成型坯体进行抗压强度和干燥收缩测试，其实验结果如图3 所示.

图3 水泥掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体强度和干燥收缩率的影响

由图3 可知，随着水泥掺量的增加，抗压强度逐渐增加，干燥收缩率逐渐下降.这是由于水泥与坯体内部的水分发生水化反应，加快坯体硬化成型速度，因此强度增长较快，干燥收缩率逐渐降低是因为水泥掺量越多，强度增长的同时限制了坯体的收缩，因此，坯体的干燥收缩率较低.然而水泥掺量过多，会增加泡沫陶瓷的密度，综合考虑，水泥掺量为15%.

3.2 膨润土掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体性能的影响

由3.1 可知，水泥的最佳掺量为15%，以膨润土等量替代铜尾矿并设计实验配合比如表3 所示，经成型干燥后的泡沫陶瓷坯体外观如图4 所示.

图4 不同膨润土掺量的铜尾矿泡沫陶瓷坯体外观

表3 以膨润土为变量的铜尾矿泡沫陶瓷坯体配比

由图4 可知，膨润土掺量为0～10%时，泡沫陶瓷坯体成型效果较好，掺量为15%～20%时，成型效果较差，脱模时发生破裂，强度极低.将成型坯体进行抗压强度和干燥收缩测试，其实验结果如图5 所示.

由图5 可知，铜尾矿泡沫陶瓷素坯的抗压强度随膨润土掺量的增大而降低，干燥收缩率随膨润土掺量的增大而增大. 这是因为膨润土的主要矿物为蒙脱石，而蒙脱石的层状结构导致其具有很强的吸水性，因此当膨润土掺量过多时，其会吸收坯体内部大量水分，导致坯体不易成型，并且膨润土在干燥时脱除层间水引起较大的干燥收缩，掺量过大会导致坯体收缩开裂，坯体的强度自然会较低，综合考虑选择膨润土掺量为5%.

3.3 泡沫掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体性能的影响

由3.1、3.2 可知，水泥和膨润土的合适掺量分别为15%和5%，为探究泡沫掺量对铜尾矿泡沫陶瓷素坯性能的影响，泡沫掺量为料浆体积的百分比，实验配合比如表4 所示，经成型干燥后的铜尾矿泡沫陶瓷坯体外观如图6 所示.

图6 泡沫掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体强度和干燥收缩率的影响

表4 以泡沫为变量的铜尾矿泡沫陶瓷坯体配比

由图6 干燥后的坯体外观可以看出，随着泡沫添加量的增多，铜尾矿泡沫陶瓷素胚的孔由细小变到大小均匀分布再到分布不均匀，会出现大孔径.这是因为泡沫的增加，在搅拌过程中会有大量泡沫聚集后形成更大的泡，或者有的泡沫破裂，因此造成孔径分布不均匀.其抗压强度和干燥收缩率如图7 所示.

图7 泡沫掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体强度和干燥收缩率的影响

由图7 可知，坯体强度随泡沫添加量的增加而降低，掺量为200%到300%时强度下降最快，从0.33 MPa下降到0.16 MPa，下降了52%，掺量为300%到500%时，强度下降趋于平缓，掺量为600%以上泡沫时强度非常低.其干燥收缩率随泡沫添加量的增加而增加，泡沫在搅拌的过程中容易破损或者团聚成更多的泡，不利于坯体成型，因此，选择泡沫添加量为料浆体积的400%.

3.4 页岩掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体性能的影响

以水泥掺量为15%，泡沫掺量为料浆体积的400%，以页岩掺量等量替代铜尾矿设计实验配合比如表5所示，经成型干燥后的铜尾矿泡沫陶瓷坯体外观如图8 所示.

图8 页岩掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体强度和干燥收缩率的影响

表5 以泡沫为变量的铜尾矿泡沫陶瓷坯体配比

由图8 可以看出，随着页岩掺量的增加，孔径由细小变大再变细小.这是由于页岩的吸水性和收缩性高于铜尾矿，当浆料中加入页岩时，容易因为其吸水性能引起气泡的破裂，造成孔径变大，而后期随着水泥水化生成水化产物，又填充了孔隙，孔径变小；掺量为20%时坯体的外观最佳.其抗压强度和干燥收缩率如图9 所示.

图9 页岩掺量对铜尾矿泡沫陶瓷坯体强度和干燥收缩率的影响

由图9 可知，坯体强度随页岩掺量的增加先降低后增加，掺量为5%和20%时，强度相差不大；其干燥收缩率随掺量的增加而增加.这是由于页岩的可塑性优于铜尾矿，因此加入适量的页岩，可以增加坯体的强度，综合考虑选择页岩掺量为20%.

3.5 铜尾矿泡沫陶瓷坯体配比优化

为优化铜尾矿泡沫陶瓷坯体的制备，现将页岩和膨润土共同掺入到铜尾矿泡沫陶瓷坯体的制备中，为探究两者合适的掺量，设计实验配合比如表6所示，经成型干燥后的铜尾矿泡沫陶瓷坯体外观如图10 所示.

图10 优化配比后铜尾矿泡沫陶瓷坯体外观

表6 铜尾矿泡沫陶瓷坯体配比优化

由图10 可知，经优化配比后，铜尾矿泡沫陶瓷坯体的外观成型较好，孔径分布均匀，尤其第一组成型效果最佳，对其进行强度和干燥收缩率测试，结果如图11 所示.

图11 优化配比后铜尾矿泡沫陶瓷坯体的强度和干燥收缩率

由图11 可知，将页岩和膨润土共同加入到铜尾矿泡沫陶瓷坯体制备中时，有利于改善强度，对干燥收缩率的影响较小，由于膨润土具有膨胀性，页岩中的氧化铁可以为坯体着色，综合考虑，选用膨润土掺量为5%、页岩掺量为15%的配比进行铜尾矿泡沫陶瓷坯体制备.

4 结 论

通过实验，可得出以下结论：

（1）水泥在制备铜尾矿泡沫陶瓷坯体中，掺量越大，坯体的强度越高，干燥收缩率越低，合适水泥掺量为15%；膨润土掺量越大时，坯体抗压强度越低，干燥收缩率越大，合适膨润土掺量为5%；以页岩替代膨润土掺入到坯体制备中时，坯体强度随页岩掺量的增加出现先降低又增加的趋势，干燥收缩率随其掺量的增加而增大，合适页岩掺量为20%；坯体强度随泡沫掺量的增加而降低，干燥收缩率随泡沫掺量的增大而增大，合适的泡沫掺量为400%.

（2）将页岩、膨润土分别以15%、5%的掺量同时加入坯体制备中时，得到的坯体外观效果最佳，抗压强度为0.29 MPa，干燥收缩率为6.91%.