某鉛鋅尾礦粒度與其作水泥混合材性能的灰色關聯

耿碧瑤 倪 文 王佳佳 仇夏杰

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點試驗室，北京100083)

隨著新型城鎮化建設的全面展開，我國對水泥和混凝土的需求量仍將延續改革開放以來的較快增長。國家統計局數據顯示，2012年我國水泥產量已達到21.84億t，每生產1 t硅酸鹽水泥約需消耗1.5 t石灰石，并向大氣中排放1 t二氧化碳，水泥工業對環境造成的負面影響十分巨大［1］。

尾礦作為二次資源再利用已經受到世界各國的廣泛關注［2-3］。截至2011年底，我國的各類尾礦累積堆存量約為120億t，每年新產出尾礦約15億t，新產出尾礦的綜合利用率僅為17%左右，尾礦的大量堆存帶來了環境、資源、土地、安全等諸多問題［4-6］。目前，我國尾礦綜合利用研究主要集中在有價組分再選、部分替代建筑用沙生產行道磚及采空區回填等幾方面［7-8］，這些綜合利用方向普遍存在尾礦利用量小、附加值低等問題［9-11］。

在不影響水泥工作性能的前提下，若能用尾礦作為水泥混合材，不僅可以降低水泥生產成本和水泥工業對環境的負面影響，而且還可以解決尾礦堆存帶來的一系列問題，實現尾礦的高附加值利用。目前，關于尾礦作為水泥混合材方面的研究大都停留在摻加量對水泥活性的影響方面，而關于尾礦粒度分布對水泥強度和流動度的影響研究卻鮮見報道［12-13］。本研究將以福建尤溪某鉛鋅尾礦為原料，根據灰色關聯分析原理，探討該尾礦粒度分布與膠砂流動性及膠砂試塊抗壓強度的相關性。

1 試驗原料及其加工、分析

1.1 試驗原料

試驗原料有福建尤溪某鉛鋅尾礦(主要化學成分分析結果見表1)、PI42.5基準硅酸鹽水泥、標準砂、福建新創化建科技有限公司開發的粉狀尾礦活性專用激發劑、北京慕湖外加劑有限公司生產的粉狀PC型聚羧酸減水劑。

表1 鉛鋅尾礦主要化學成分分析結果Table 1 Main chemical components of lead-zinc tailings %

1.2 原料的加工與分析

尾礦的粉磨采用SM500×500型球磨機，每次裝入5 kg尾礦和100 g尾礦活性激發劑，磨礦時間分別為15、30、45、60 min，用 SEISHIN LMS －30 型激光粒度儀測定各磨礦產品的粒度分布(分散介質為無水乙醇)，結果見圖1。

圖1 不同磨礦時間的鉛鋅尾礦粒度分布Fig.1 Particle's size distribution of lead-zinc tailings under different length of grinding time

2 膠砂的流動度與抗壓強度試驗

2.1 膠砂的流動度試驗

按照《GB/T 12957—2005 用于水泥混合材的工業廢渣活性試驗方法》制作8種膠砂，第1～4種分別摻加占膠凝材料質量分數為30%的磨礦時間為15、30、45和60 min的鉛鋅尾礦(不摻加減水劑)，分別記為 W1、W2、W3、W4，膠砂制備的水膠比均為 0.5;第5 ～8 種按順序對應在 W1、W2、W3、W4中分別加入與膠凝材料質量比為0.3%的減水劑，分別記為WJ1、WJ2、WJ3、WJ4，膠砂制備的水膠比為 0.4。并按照《GB/T 2419—2005 水泥膠砂流動度測定方法》測定8種膠砂的流動度，結果見圖2。

圖2 不同膠砂試樣的流動度Fig.2 Mortar fluidity of lead-zinc tailings under different length of grinding time

從圖2可以看出，無論是添加減水劑組還是不添加減水劑組，水泥膠砂的流動度均隨摻入的尾礦細度的提高而逐漸增加。

2.2 膠砂試塊強度試驗

用上述8種膠砂分別制備40 mm×40 mm×160 mm的試塊8組，每組3模，每模3塊，在20±1℃、濕度大于95%的養護箱中養護1 d后脫模，然后在水溫20±1℃的養護池中繼續養護，并按照《GB/T 17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測定其3、7和28 d的強度，結果見圖3。

從圖3可以看出，對于同一種組分的試塊而言，隨著養護齡期的延長，試件的抗壓強度均提高;無論是添加減水劑組還是不添加減水劑組，膠砂試塊的抗壓強度均隨摻入的尾礦細度的提高而逐漸提高。

3 灰色關聯分析及結果

3.1 灰色關聯分析原理

灰色關聯分析主要研究的是基于行為因子序列的微觀或宏觀幾何接近，以分析和確定因子間的影響程度或因子對主行為的貢獻程度［14］，是一種定量與定性相結合的分析方法。該分析方法立足于根據事物或因素的序列曲線的相似程度來判斷它們之間的關聯程度。如果兩個因素對應的曲線形狀彼此相似，則關聯度大;反之，關聯度小［15］。

灰色關聯分析的優點在于，這種方法可以從眾多因素中提煉出影響系統的主要因素，并且按照因素的發展趨勢進行分析;該方法對樣本的要求不高，具有廣泛的適用性。

3.2 鉛鋅尾礦粒度分布對膠砂流動度的影響

試驗以膠砂的流動度為母序列，磨細尾礦的不同粒級產率為子序列(粒級與代號的關系見表2)，并進行均一化處理(見表3)，然后進行關聯度和關聯極性處理，結果見表4。

表2 粒級與代號的對應關系Table 2 Granulometric size class and their code name

表3 流動度母序列與尾礦粒度分布子序列的均一化處理結果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 膠砂流動度與尾礦粒度分布的關聯度及極性Table 4 Incidence coefficients and polarities between the mortar fluidity and particle size distribution of lead-zinc tailings

從表4可以看出，W及WJ組膠砂的流動度均與各自尾礦中的Y1至Y4粒級的關聯極性為正，與Y5、Y6粒級的關聯極性為負，其中與Y4粒級的關聯度最大，分別為0.978和0.944。即這2組膠砂的流動度均與尾礦中的－8.39 μm粒級正相關，其中與8.39～4.24 μm 的關聯度最大，與 4.24 ～2.15、2.15～1.09及1.09～0 μm粒級的關聯度依次減小，與+8.39 μm粒級負相關。也就是說，尾礦中的－8.39 μm粒級對膠砂的流動度有增加作用，以8.39～4.24 μm為最，+8.39 μm粒級對膠砂的流動度有降低作用。

3.3 鉛鋅尾礦粒度分布對膠砂試塊強度的影響

試驗以膠砂試塊3、7和28 d的抗壓強度為母序列，磨細尾礦的不同粒級的產率為子序列(粒級與代號的關系見表2)，并進行均一化處理(見表5、表6)，然后進行關聯度和關聯極性處理，結果見表7。

表5 W組膠砂試塊抗壓強度母序列與尾礦粒度分布子序列的均一化處理結果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組膠砂試塊抗壓強度母序列與尾礦粒度分布子序列的均一化處理結果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 膠砂試塊抗壓強度與尾礦粒度分布的關聯度及極性Table 7 Incidence coefficients and polarities between the compressive strength and the particle size distribution of lead-zinc tailings

從表7可以看出，W及WJ組不同養護齡期膠砂試塊的抗壓強度均與各自尾礦中的Y1至Y4粒級的關聯極性為正，與Y5、Y6粒級的關聯極性為負，其中與Y4粒級的關聯度最大，且均大于0.87。即這2組不同養護齡期膠砂試塊的抗壓強度均與尾礦中的－8.39 μm粒級正相關，其中與8.39～4.24 μm的關聯度最大，與 4.24～2.15、2.15～1.09及 1.09～0 μm粒級的關聯度依次減小，與+8.39 μm粒級負相關。也就是說，尾礦中的－8.39 μm粒級對不同養護齡期膠砂試塊的抗壓強度有增加作用，以8.39～4.24 μm為最，+8.39 μm粒級對不同養護齡期膠砂試塊的抗壓強度有降低作用。

4 結論

(1)提高鉛鋅尾礦細度利于提高其作為水泥混合材的水泥膠砂的流動度和膠砂試塊的抗壓強度。

(2)在磨細尾礦摻量為30%時，膠砂流動度與尾礦中－8.39 μm粒級正相關，其中8.39～4.24 μm粒級與膠砂流動度的關聯度最大，+8.39 μm粒級與膠砂的流動度負相關。

(3)在磨細尾礦摻量為30%時，不同養護齡期膠砂試塊的抗壓強度與尾礦中－8.39 μm粒級正相關，其中8.39～4.24 μm粒級與膠砂試塊的抗壓強度的關聯度最大，+8.39 μm粒級與膠砂試塊的抗壓強度負相關。

(4)要提高該鉛鋅尾礦作為水泥混合材的性能，在尾礦摻量為30%時，應盡量增加－8.39 μm粒級所占的比例，尤其是增加8.39～4.24 μm粒級所占的比例，并盡量降低+8.39 μm粒級所占的比例。

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