我國(guó)利用石墨尾礦制備墻體材料的研究現(xiàn)狀

曹 倪，仲繼清，張圓圓，魏涵銘，呂思宇

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

0 前 言

石墨作為一種無(wú)機(jī)非金屬材料在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛，它是航天、國(guó)防和機(jī)械等領(lǐng)域不可或缺的材料。從現(xiàn)階段石墨行業(yè)來(lái)看，大多數(shù)石墨采用懸浮工藝加工生產(chǎn)，每生產(chǎn)1 t石墨理論上產(chǎn)生超過(guò)100 t的廢水和尾礦，石墨尾礦排放按年均250萬(wàn)t計(jì)，目前我國(guó)石墨尾礦的堆積量超過(guò)1億t。石墨尾礦的堆積占用大量土地，不僅給環(huán)境帶來(lái)極大的破壞，同時(shí)也給人類的生活帶來(lái)巨大困擾。因此，對(duì)石墨尾礦進(jìn)行合理的開(kāi)發(fā)利用意義重大，不僅可以減少土地資源的過(guò)度占用，還可減少對(duì)環(huán)境的污染，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

1 石墨尾礦制作墻體材料優(yōu)劣勢(shì)分析

1.1 優(yōu) 勢(shì)

1.1.1 經(jīng)濟(jì)成本方面

石墨尾礦砂粒度較細(xì)，且石墨尾礦儲(chǔ)量大、成本低，可代替砂石骨料。用石墨尾礦代替同等效果的其他材料制備的建筑材料，具備優(yōu)良的強(qiáng)度和耐久性等性能，在滿足材料使用要求的同時(shí)節(jié)約了自然資源，緩解了資源過(guò)度開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的影響，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1.2 環(huán)境保護(hù)方面

利用石墨尾礦制備墻體材料不僅節(jié)約制作材料的成本，還可減少石墨尾礦堆積對(duì)土地面積的占用以及對(duì)環(huán)境造成的污染，符合國(guó)家鼓勵(lì)使用工業(yè)廢渣生產(chǎn)墻體材料的相關(guān)政策及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)福音。

1.1.3 性能方面

石墨尾礦的成分主要是硅酸鹽和石墨，有較高的活性，將石墨尾礦摻入混凝土中，可使不導(dǎo)電的混凝土具備導(dǎo)電特性和壓敏特性，可組成智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于智能混凝土領(lǐng)域。同時(shí)石墨尾礦顆粒的吸水率較高，摻入混凝土后在混凝土硬化過(guò)程中，改變混凝土的孔隙，增大混凝土的密實(shí)度，使收縮性降低，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性和耐久性。

石墨尾礦是一種含硅材料，二氧化硅含量與粉煤灰接近，可用它代替產(chǎn)量有限、生產(chǎn)成本高的粉煤灰作為硅質(zhì)原料來(lái)制備蒸壓加氣混凝土。這種混凝土質(zhì)量輕，保溫性能、隔音性能、抗?jié)B性能都優(yōu)于黏土磚，耐火性能更是鋼筋混凝土的6～8倍。

1.2 劣 勢(shì)

1.2.1 制作工藝方面

在利用石墨尾礦砂生產(chǎn)燒結(jié)多孔磚的試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，尾礦砂為瘠性料，如果在制備燒結(jié)磚的配方中含量過(guò)多會(huì)降低材料的可塑性，增大成型的難度，且在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行燒成溫度控制具有一定的難度。

1.2.2 技術(shù)方面

雖然我國(guó)對(duì)石墨尾礦的開(kāi)發(fā)和利用程度較好，但現(xiàn)階段在應(yīng)用技術(shù)方面的研究還不夠成熟，較為突破性的技術(shù)有待提升。

2 我國(guó)石墨尾礦制備墻材應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國(guó)針對(duì)石墨尾礦在應(yīng)用型墻體材料方面的研究較多，在不影響環(huán)境和無(wú)毒無(wú)害的前提下，通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)和合理方式對(duì)石墨尾礦進(jìn)行綜合利用，在一定程度上緩解了環(huán)境所能承受的壓力。

孫偉軒[1]系統(tǒng)地研究了添加石墨尾礦混凝土的耐久性能，包括滲透性能、收縮性能、干濕循環(huán)條件下的抗氯離子侵蝕性能，研究表明：石墨尾礦的摻入對(duì)抑制混凝土長(zhǎng)期收縮，增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性能，提高混凝土淺層抗氯離子侵蝕性能均具有一定的作用。

楊中喜等[2]從石墨尾礦和普通硅酸鹽水泥熟料的化學(xué)成分入手對(duì)石墨尾礦進(jìn)行多方面的分析，用特定的無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物配制成試驗(yàn)所需的四種不同固化劑，并通過(guò)控制變量的方法，將四種固化劑以不同含量摻入石墨尾礦制備成試塊，記錄該試塊各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：固化劑摻入量為8%時(shí)，石墨尾礦試塊的力學(xué)性能最佳。同時(shí)，利用該固化技術(shù)對(duì)石墨尾礦固化磚進(jìn)行生產(chǎn)，從經(jīng)濟(jì)、能源以及環(huán)境保護(hù)方面來(lái)看是可行的。

張大雙[3]對(duì)摻加石墨尾礦混凝土的強(qiáng)度和導(dǎo)電性進(jìn)行研究。研究表明：混凝土中添加石墨尾礦后，電學(xué)強(qiáng)度顯著改善，且具有良好的壓敏特性，可應(yīng)用于導(dǎo)電混凝土的相關(guān)領(lǐng)域。

黃世峰等[4]對(duì)石墨尾礦砂和黏土按照一定的質(zhì)量比混合后做成的試樣進(jìn)行了大量試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比分析不同配比試樣的物理性能數(shù)據(jù)、燒結(jié)狀態(tài)、抗壓和抗折強(qiáng)度、吸水率以及體積密度隨配比的變化規(guī)律，最終得出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的摻加石墨尾礦承重?zé)Y(jié)磚。

張衛(wèi)衛(wèi)等[5]以石墨尾礦為主要原材料，適量的煤泥和黏土為輔助材料制備燒結(jié)磚，采用電子顯微鏡以及X射線能譜儀對(duì)制作的試件進(jìn)行化學(xué)性分析，得出燒結(jié)磚產(chǎn)生泛霜現(xiàn)象的原因。同時(shí)得出添加適量的BaCO3和無(wú)定型二氧化硅以及通過(guò)對(duì)燒結(jié)磚原料粒度進(jìn)行控制，可有效解決燒結(jié)磚的泛霜現(xiàn)象的結(jié)論，確定了完全抑制泛霜現(xiàn)象的燒結(jié)磚原料配比，本研究中制作的燒結(jié)磚制品在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上解決了原有的泛霜現(xiàn)象。

郭偉娟[6]從泛霜現(xiàn)象和色澤調(diào)控兩個(gè)方面入手，對(duì)采用石墨尾礦制備成的燒結(jié)磚進(jìn)行了深入研究。研究表明：將原料磨細(xì)的同時(shí)加入適量的硅渣和碳酸鋇可以抑制泛霜現(xiàn)象產(chǎn)生，同時(shí)在制作石墨尾礦裝飾燒結(jié)磚時(shí)，添加不同含量的鈦白、鐵紅以及二氧化錳等物質(zhì)可以制備出不同顏色的燒結(jié)磚，在性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)豐富其裝飾效果。

解家偉等[7]將石墨尾礦砂作為主要原料，采用摻入不同量黏土的石墨尾礦砂生產(chǎn)燒結(jié)多孔磚。通過(guò)單一變量法，分析燒成溫度和成型壓力對(duì)試樣的燒成收縮、抗壓強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度的影響，找到了影響試樣焙燒的因素并對(duì)此加以解決。研究表明：利用石墨尾礦砂和適量的黏土來(lái)制作空心高強(qiáng)磚較傳統(tǒng)制作工藝下的黏土磚性能優(yōu)越，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)黏土制磚。

王少海[8]對(duì)湖北某石墨礦床的尾礦進(jìn)行礦物組成上的分析發(fā)現(xiàn)其滿足混凝土集料的基本要求。王少海還以石墨尾礦作為主要原料，同時(shí)輔以起泡劑、普通水泥等材料來(lái)制備泡沫混凝土，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出該混凝土砌塊的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用此種石墨尾礦制備的泡沫混凝土在性能方面完全滿足標(biāo)準(zhǔn)中特定泡沫混凝土的相關(guān)要求。

張冠軍等[9]將石墨尾礦和鋁礬土進(jìn)行單物料粉磨特性對(duì)比，得出在易磨性方面石墨尾礦明顯優(yōu)于鋁礬土的結(jié)論。在制備生料時(shí)，將石墨尾礦進(jìn)行配比方案設(shè)計(jì)，使其完全取代鋁質(zhì)原料，在保持各材料配比不變的前提下混合均勻，高溫煅燒后出爐急速冷卻得到水泥熟料，對(duì)其礦物組成、化學(xué)成分以及物理性能等方面進(jìn)行分析，結(jié)果表明：采用石墨尾礦代替鋁制原料作配料，在保證技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)效益可觀的前提下，可在一定程度上提高水泥熟料的抗壓、抗折強(qiáng)度。

吳建鋒等[10]根據(jù)對(duì)石墨尾礦等原料的化學(xué)組成的分析結(jié)果，通過(guò)控制樣品配方比制備所需試樣，通過(guò)一系列工藝制作陶瓷清水磚，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性能方面的測(cè)試，分析比較各種材料配比對(duì)孔隙率、體積密度以及吸水率等方面的影響，進(jìn)而對(duì)制作工藝和配方比例不斷優(yōu)化，得出了使陶瓷清水磚性能達(dá)到最佳的最優(yōu)配方。

3 結(jié)論與展望

從目前研究成果來(lái)看，我國(guó)石墨尾礦制備墻體材料的開(kāi)發(fā)利用方面有一定的成果，但是利用的效率不高、利用技術(shù)水平偏低，尚不能滿足石墨尾礦急需處理的現(xiàn)狀。同時(shí)石墨尾礦的研究現(xiàn)狀絕大多數(shù)都是偏向應(yīng)用型的墻體材料，而在環(huán)保型墻體材料方面的研究比較少。生土材料是天然的環(huán)保型材料，但其力學(xué)性能較差，在經(jīng)濟(jì)成本不高且不影響村鎮(zhèn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的條件下，將石墨尾礦中有害物質(zhì)進(jìn)行去害處理，對(duì)石墨尾礦進(jìn)行資源化利用，利用其對(duì)生土材料進(jìn)行改性是筆者接下來(lái)要研究的問(wèn)題，不僅使傳統(tǒng)生土建筑得到傳承，也符合國(guó)家鼓勵(lì)采用工業(yè)廢料制作墻體的相關(guān)政策要求，對(duì)于傳統(tǒng)建筑文化的傳承和石墨化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

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