鐵尾礦在水泥基材料中應用的研究進展

郭增，常智慧，王偉，劉天水

（1. 商洛學院化學工程與現代材料學院，陜西 商洛726000；2. 陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室（商洛學院），陜西商洛726000）

鐵尾礦是鐵礦石經破碎、磨礦、分選等選礦工藝后排放的固體廢物[1]，與天然砂成分相似[2]，其堅固性、密度和壓碎指標等都符合建筑用砂要求。據統計，我國現有尾礦庫10000 余座，尾礦堆存近50 億t[3]。

尾礦的大量堆存會占用大量的土地資源并污染環境，進而嚴重威脅下游人民的生命和財產安全。因此需要開展尾礦綜合利用，提高鐵尾礦利用效率，進而實現鐵尾礦的資源化利用。而鐵尾礦經熱活化、化學活化和機械力活化，具有一定的活化性能，可在水泥基材料中應用，是鐵尾礦資源化利用的重要途徑之一。文中綜述了鐵尾礦在水泥基材料中的應用進展，并進行了總結與展望。

1 鐵尾礦在水泥中的應用

1.1 鐵尾礦作原料煅燒熟料

水泥熟料主要由C3S，C2S，C3A 及C4AF 等組成[5]，其中C3S 能促使產生含有較多OH+的Ca（OH）2在鋼筋表層形成鈍化膜，防止其不被Cl-及空氣侵蝕，保證了鋼筋和混凝土的緊密性，進而提高了力學性能[6]。但C3S 的形成需要較高溫度和一定時間，因此研究合適配比的尾礦摻量和外加劑種類以降低水泥生產能耗是目前的重要課題。王金忠等[7]以鐵尾礦制備水泥發現，鐵尾礦中的微量元素能促進碳酸鹽和鹽酸鹽分解，對C2S 吸收f-CaO 生成C3S 的反應有促進作用，使得熟料的結晶溫度降低，進而使得生料的易燒性得到改善，降低了熟料的能耗；羅力等[8]用石灰石、石英砂和鐵尾礦制備水泥熟料，研究發現鐵尾礦硅鋁質成分會降低水泥燒結中堿性成分的生成，極大地降低了煅燒溫度和能耗，減少成本；徐慶榮[9]等用鐵尾礦制備硅酸鹽水泥熟料，通過試驗確定了最佳工藝為：鐵尾礦、鋼渣和石灰粉按17∶13∶70 的比例在1400 ℃煅燒25 min，減少了熟料生產的能耗，從而降低了生產成本；鄭永超[10]等用鐵尾礦制備BSAC，通過實驗確定最佳工藝為：煅燒石灰石、礬土、氧化鋁、鐵尾礦、二水石膏按48∶17∶15∶10∶10 的比例，在1350 ℃煅燒20 min 后加入8%的天然石膏和石灰石制成水泥，再按1∶3 的膠砂比、0.6 的水膠比制備膠砂試塊，試塊的28 d 抗壓強度達52.5 MPa；這些水泥熟料的制備，在大量資源化利用鐵尾礦的同時，使得熟料的生產條件向低溫煅燒、環境影響較低等環境友好方向發展，也是鐵尾礦資源綜合利用及循環經濟所鼓勵發展的方向。

1.2 鐵尾礦作水泥摻合料

鐵尾礦通常具有較高的硅含量[11]，SiO2，Al2O3和Fe2O3的含量高達85%，Na2O，K2O，CaO，MgO 等含量較少，燒失量較低，且SO3成分含量極低不易產生污染。由于其具有的可激發性及化學成分的特殊性等，可先采用機械力活化、熱活化和化學活化的方法激發其潛在活性，之后再與堿性物質反應用作水泥混合材料[12]。蒙朝美等[13]用機械力對某礦區的高硅鐵尾礦進行活化，發現機械力可以鐵尾礦晶體結構而使得顆粒結晶度降低，同時使得顆粒比表面積增加，粉磨3.5 h 后制得的膠砂試塊的28 d 強度比為81.7%，具有火山灰活性，證實了粉磨后的尾礦可作為輔助膠凝材料用于制備混凝土；劉駿超等[14]將不同細度的鐵尾礦引入減水劑-水泥體系中，研究發現：尾礦顆粒越細，比表面積增大，能夠吸附更多游離水，減水劑的摻入使尾礦更分散，使凈漿流動度有效提高；王喜剛等[15]摻入鐵尾礦制備水泥改良土，研究發現：鐵尾礦可提高水泥改良土的強度且最佳摻入量為4%；劉晶磊等[16]用鐵尾礦和水泥制備出高強度路面基層材料，發現水泥摻量比例與材料的抗壓強度有明顯的正相關關系，高壓實度的情況下材料各組分之間更加密實，受力分布更加均勻，能夠提高水泥材料的空間骨架強度，并建立了相關表征參數之間的經驗公式，為后續相關的研究提供了參考。

2 鐵尾礦在混凝土中的應用

鐵尾礦屬硅質材料且經過選礦加工后其粒度范圍較小，與混凝土摻合，各粒級的顆粒物之間存在互相填充的作用，且可減少填充水使混凝土微結構更加均勻密實[17]，在節約水泥的同時，提高了抗滲性且避免了泌水離析現象。

張偉[18]研究了鐵尾礦-粉煤灰-礦渣復合摻合料對混凝土的影響，發現鐵尾礦的微集料效應可有效提高混凝土工作性能；彭鏈[19]研究鐵尾礦活性激發及膠凝材料制備技術發現：提高鐵尾礦活性最有效的手段是堿熔，最佳組合是NaOH 和鐵尾礦按1.1 的質量比在350 ℃煅燒60 min，此條件下激發的鐵尾礦制備的膠凝材料平均強度達到8.13 MPa；狄燕清等[20]用鐵尾礦摻和高爐渣、脫硫石膏等制備混凝土試樣，研究發現較低細度的鐵尾礦能改善試樣的骨料級配從而降低混凝土塌落度；張秀之[21]等用鐵尾礦和機制砂制備混凝土，發現鐵尾礦能與顆粒較粗的機制砂形成連續級配效應，促使各物料級別接觸點與受力點增多，進而在混凝土內部形成能夠承壓受力的穩定結構，有助于提升混凝土的工作性能。

3 鐵尾礦在墻體材料中的應用

以尾礦作為墻體材料的原料能夠提高墻體材料的綜合性能，并能有效降低傳統墻體材料帶來的資源浪費和環境污染。汪飛等[22]用水泥、鐵尾礦、PS 顆粒和膨脹材料制備輕質隔熱墻材，研究表明：鐵尾礦經激發后活性大大改善，產品28 d 抗壓強度3.0 MPa，容重為1000 kg/m3，導熱系數0.231 W（/m·K）；喻振賢等[23]用水泥、鐵尾礦等制備輕質保溫墻材發現：堿激發劑對鐵尾礦活性激發效果顯著，水泥、鐵尾礦、膨脹珍珠巖和激發劑按1∶2.5∶0.63∶0.25 的質量比、0.8 的水灰比時，輕質保溫墻材的28 d 抗壓強度＞5 MPa、容重＜900 kg/m3、導熱系數＜0.231 W/（m·K），完全滿足輕質保溫墻材的性能要求；周勛南等[24]研究發現鐵尾礦細度優勢能使尾礦免燒磚制備過程中級配良好、凝聚力提升；云正等[25]用氣化爐渣與鐵尾礦、粘土采用擠出成型法制備燒結，墻體材料發現：添加20%的氣化爐渣在950 ℃燒結，制成密度＜1.45 g/cm3、導熱系數＜0.23 W/（m·K）、抗壓強度＞30 MPa 的墻體材料。

4 結語和展望

鐵尾礦經活化作為摻合料用于混凝土、水泥和墻體材料是提高其利用效率的一種有效手段，可極大地緩解水泥基建材生產帶來的環境污染問題和能耗問題，并提高其抗壓強度、容重、導熱等物理性能，帶來了良好的環境效益和社會效益。但在水泥基材料中的大摻量應用有待進一步研究，除了對水泥基摻合材料的力學性能研究以外，仍然有更多未涉及的領域需要深入論證探討，并擴展研究材料范圍。