尾礦制備建筑材料的研究進展

趙宇翔，張 茜，劉碧雯，楊 康，劉心中

（1.福建工程學院生態環境與城市建設學院；2.福州大學環境與安全工程學院，福州 350118）

伴隨人類社會對礦產資源的需求量越來越高，人們加大了對其的開發力度，導致尾礦排放逐漸增多。過去選擇的處理方式基本上是堆積法，這種方式會占用許多土地資源，而且對空氣、土地等產生了污染[1-2]。為了處理尾礦產生的各類問題，研究人員一直在不斷地探索高效的處理措施。在建筑材料行業中使用尾礦是最有效的技術之一。研究表明，尾礦可作為建筑材料原料的替代品，應用領域涉及混凝土、水泥、建筑用磚、陶瓷和微晶玻璃等。相較于尾礦的再選與回填，將尾礦作為建筑原材料，一方面降低了建筑成本，另一方面減少了工業垃圾，具有良好的前景[3-5]。本文將從尾礦的主要成分及特點入手，介紹尾礦制備建材的技術現狀，以期為尾礦的綜合利用提供參考。

1 尾礦的特征

一般情況下，尾礦含有一定數量的有用金屬和礦物。尾礦具有種類多樣的特點，原礦種類、提取工藝等不同會導致后期尾礦的礦物質含量等存在差異，但是也存在相同的礦物質，如方解石、自云石等鈣鎂碳酸鹽礦物以及云母類鋁硅酸鹽礦物[6]。幾種典型礦床尾礦的化學成分如表1所示[7]。

表1 典型礦床尾礦的主要化學成分

從表1可以看出，尾礦的化學組分大致相同，含有的化合物主要是三氧化二鐵、二氧化硅、氧化鋁等物質，因為所處的區域不同，所以含量也存在一定的差異，其中二氧化硅的含量最高。尾礦粒度與建筑領域中使用的建筑原材料基本一致，尾礦加入一些添加劑后，就可以作為非金屬原材料，然后選用一些工藝進行處理，可以得到所需材料。所以，尾礦的再生利用具有一定的經濟效益和環境效益[8-11]。

2 尾礦制備混凝土材料

在建筑領域中，混凝土的使用非常普遍。數據顯示，全球每年使用的混凝土量已經超過7 000億t，而混凝土的原材料主要來自采石場的沙礫，但毫無節制地進行開采，會造成生態系統紊亂。尾礦含有許多的硅酸鹽物質，因此選用尾礦作為混凝土的原材料是可行的，在其中加入添加劑，可以達到天然砂石的要求，這樣可以對環境起到一定的改善效果，同時節省了堆積尾礦產生的各類成本。

有研究將經過機械化學活化的硅鐵尾礦作為摻合料摻入混凝土，結果表明，當熟料替代量為10%、20%、30%和40%時，混凝土性能優于對照組，當替代料為30%時，產品抗凍性良好[12-13]。GAO等[14]研究了在混凝土生產中用鉬尾礦代替混凝土中細集料的可行性，其采集于鉬尾礦，測試表明，鉬尾礦放射性核素符合用作建筑材料的要求，且化學成分與天然砂相似。

YANG等[15]對來自河北遷安的銅尾礦樣品進行了分析，其中最大水泥活性指數為73.38%，并且比表面積為469 m2/kg，其活性達到最大。同時，銅尾礦作為混凝土的摻合料時，其最大添加量不超過30%較佳。XU等[16]研究了摻入再生骨料、鐵尾礦、聚丙烯纖維的混凝土的較優配比，發現將聚丙烯纖維添加到鐵尾礦骨料混凝土中，可顯著提高抗壓強度，綜合考慮后，混凝土摻入30%的再生骨料、30%的鐵尾礦、0.6%聚丙烯纖維是性能較優的原料配比，可滿足性能要求并充分利用尾礦廢棄物。

3 尾礦應用于水泥制備

伴隨我國建筑行業的發展，水泥需求量逐漸提升，而尾礦含有大量的二氧化硅等化合物，與水泥中的黏土質原料相似，因此可作為相關原料的替代品。

NOUAIRI等[17]測試了使用來自突尼斯西北部的礦石尾礦作為水泥熟料生產過程中的替代品，發現各時間段的砂漿均具有良好的力學性能，強度可達到25 MPa，并且使用當地尾礦的水泥產品的浸出液相比于原料的金屬污染物濃度降低了75%～85%，有助于固化金屬。YOUNG等[18]加入鐵礦石尾礦生產水泥熟料，結果表明，在1 420 ℃下燒結的情況下，使用10%的鐵尾礦比未使用鐵尾礦的產品的性能更高。有研究分析了機械活化鐵尾礦對其在建材中應用的影響，發現經過機械活化的鐵尾礦在氧化鈣提供的堿性環境中具有更強的膠凝特性[19-20]。在添加10%、20%、30%的活化鐵尾礦時，生產的混合水泥可達工程規定要求。

SIMONSEN等[21]對來自格陵蘭、芬蘭、瑞典、挪威、智利和中國等國的13個礦山的尾礦進行測試，主要目的是判斷其是否可作為水泥等的膠凝材料，試驗根據化學成分的差異對不同礦山的尾礦進行分類。研究表明，作為補充膠凝材料的尾礦應具有含量較高的SiO2或CaO含量，以增強C-S-H的形成。JIAN等[22]為避免銅尾礦對環境的污染，在制備低熱水泥過程中添加銅尾礦作為替代品，試驗表明，銅尾礦的添加有助于低熱水泥在燒結過程中形成C-S-H凝膠，添加2%的銅尾礦可以促進低熱水泥熟料的水合作用，產品抗壓強度可達71.5 MPa，并且在60 d養護條件下抗壓強度高于空白組，同時可以起到穩定重金屬的作用。PERUMAL等[23]將金尾礦應用于貝利特硫酸鋁水泥中，以固定其中的重金屬，研究表明，當使用的礦山尾礦含量達到25%或50%時，可獲得比空白組強度更高的產品，并且強度隨固化時間延長而增加。

4 尾礦制備建筑用磚

建筑用磚是我國建筑業用量最大的建材產品之一。由于工業尾礦成分和制磚的原料類似，因此尾礦可以取代黏土的作用，一方面可以滿足建筑上的要求，另一方面可以實現生產過程的環保化。

ZHU等[24]用尾礦作為粘結劑，結合以煤矸石為主要成分的骨料，共同制備了透水磚，發現最佳生產溫度參數為1 180～1 200 ℃，同時最佳摻量為20%尾礦、60%～70%煤矸石和10%～20%的廢棄陶瓷。具有優化參數的尾礦制備的透水磚透水率可達到0.03 cm/s，抗壓強度可超過30 MPa。CHEN等[25]研究了使用低硅鐵尾礦以及膨潤土、長石和稻殼來制備輕質燒結磚的可能性，研究了不同原料比例和燒結溫度的輕質燒結磚的體積密度和抗壓強度。結果表明，鐵尾礦、膨潤土、長石和稻殼的最佳摻入量分別為40%、30%、10%和8%，適宜的燒結體系為900 ℃、1.5 h，在這些條件下，輕質磚的堆積密度和抗壓強度分別為1.229 4 g/cm3和7.4 MPa。掃描電鏡分析表明，樣品的斷裂表面存在許多微小且不規則的多孔結構，并且在玻璃相中嵌入了許多不同的晶體，這導致了磚的密度更低而強度更高。

LI等[26]研究了以細粒低硅鐵尾礦和非水泥固化劑為主要原料制備的環保磚的方法，其試驗分析表明，在固化過程中形成的水合硅酸鈣凝膠和鈣礬石是強粘合劑。當防水劑和固化劑含量達到0.3%，初試固化溫度為60 ℃，產品的抗滲透性和抗壓強度最佳、固化28 d后，最佳成形的產品抗壓強度可達到27.2 MPa。LUO等[27]將鐵尾礦、煤石粉、頁巖和污泥作為粘結劑成功制備了復合燒結磚，堆積密度達到1.638 g/cm3，尾礦、煤石粉、頁巖以及污泥的最佳含量比例為54∶30∶10∶6，成型壓力為20 MPa，燒結溫度為1 100 ℃，時間為3 h。經檢測，大多數重金屬被固定，符合相關國家標準。未完全燒制的磚材料的微觀結構表明，它們大多數由尺寸和排列無序的礦物顆粒組成。隨著燒結溫度升高，新形成的晶體狀礦物顆粒明顯增加，熔融的玻璃箱也包裹并膠結了細小的晶體狀礦物顆粒，從而使表面的形貌變得更加均勻致密，減少了孔隙率。

5 尾礦用于制備陶瓷

陶瓷是天然黏土、礦物等，經過粉碎混合、成型、煅燒等環節制作出的工藝品或者是生活用品。尾礦陶瓷與普通陶瓷相比，成分相似，燒結溫度更低，而且尾礦可以取代其部分的原材料，減少天然礦物的使用，降低礦產資源使用量，在降低成本的同時，保護了環境，另外陶瓷性能也得到明顯的改善。

吳建鋒等[28]以石墨尾礦為主要原料，研制了太陽能熱發電用中溫儲熱陶瓷，研究表明，當石墨砂尾礦、頁巖、高嶺土、鉀長石、鈉長石用量依次為70%、10%、5%、10%、5%時，綜合性能最優，吸水率、氣孔率、體積密度、抗折強度分別為0.07%、0.17%、2.48 g/cm3、80.06 MPa，相組成為板塊狀中長石、顆粒狀的石英和赤鐵礦。LI等[29]成功制備了含有尾礦廢棄物的燒結陶瓷，并且產物固化了廢棄物中存在的重金屬，證明了其環境友好性。

LIN等[30]使用碳化硅作為發泡劑，釩鈦磁鐵礦尾礦為主要原料成功制備了泡沫陶瓷，實現了釩鈦磁鐵礦尾礦的資源循環。李峰等[31]以鉬尾礦為主要原料，配以適量粉煤灰，采用常壓燒結法制備了莫來石-石英復相陶瓷，結果表明，當鉬尾礦用量為75%，溫度達到1 320 ℃，保溫1 h，成型壓力為35 MPa，該陶瓷的抗折強度可達88.4 MPa，氣孔率可達5.3%。張家碩等[32]制備了多孔輕質高強度硅砂尾礦基泡沫陶瓷，所制備的泡沫陶瓷最高抗壓強度達21.6 MPa，最高氣孔率可達71%。

6 尾礦用于制備其他建筑材料

國內外學者積極探索尾礦制備建筑材料的研究。梁秋群等[33]用錳尾礦代替部分偏高嶺土，與稻草秸稈結合制備了復合保溫材料，導熱系數可達0.065 W/（m·K）。李明俊等[34]基于尾礦的資源化和聲學材料的降噪理論，將鐵尾礦粒徑微納米化，并以不同粒徑的鐵尾礦為基體材料，添加少量羧甲基纖維素（CMC）作為粘結劑，以SiO2氣凝膠為氣孔改良劑、短玻璃纖維（GF）為增強劑，成功通過模壓制備了吸聲和隔聲兼備的微納多孔吸隔聲板，平均吸聲系數可達0.31，平均傳聲損失隔聲量可達34.1 dB（A）。李坤等[35]以鉬尾礦為原料，采用化學發泡法成型并燒結制備了海綿城市用無機蓄水材料，當鉬尾礦摻量為50%、發泡劑用量為0.5%、燒成溫度為1 050 ℃時，所制蓄水材料的吸水率可達52.56%，保水率可達75.10%。

7 結語

尾礦的綜合利用有助于生產過程中節約資源和降低成本，一方面可以消耗大量尾礦，減輕環境污染及安全隱患；另一方可以高值化利用尾礦，節省相關維護費用，帶來相應經濟效益。尾礦的建材化利用是未來建筑原材料發展的重要方向，也是節約型新材料的發展方向。當下，在國際上，許多學者對于尾礦的研究有了很深的認知，但大多研究仍處于起步階段，在推廣方面還需要進行大量的工作。首先，不同產地、不同類型的尾礦的性質存在巨大的不同，這就造成原材料使用的穩定性受到影響。其次，尾礦制作的建筑材料因為本身的復雜性，在制造生產中不能大范圍地推廣，導致生產規模不能擴大。最后，一些礦區遠離城市，這就導致不能集中生產，使得成本增加。因此，為了保證尾礦可以大規模地被使用，要對其成分、特征等進行深入研究，提高其處理量，降低制作工藝的復雜性，為大規模的生產奠定基礎，提高其利用效率。總而言之，尾礦在建筑行業的使用有著廣闊的前景，是今后研究的熱點，也是國內外尾礦資源化利用朝節能環保領域發展的方向。