利用礦山廢石制備無(wú)機(jī)人造石的研究

張宗軍，趙寶軍，吳 琛，尹 正，鄒長(zhǎng)根

（廣東海龍建筑科技有限公司，廣東珠海 519000）

“十四五”時(shí)期，我國(guó)開(kāi)啟全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家新征程，圍繞推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展主題，全面提高資源利用效率的任務(wù)更加迫切。受資源稟賦、能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展階段等因素影響，未來(lái)我國(guó)仍面臨產(chǎn)廢強(qiáng)度高、利用不充分、綜合利用產(chǎn)品附加值低的嚴(yán)峻形勢(shì)[1]。作為礦產(chǎn)資源大國(guó)，我國(guó)同樣面臨著大量礦山廢石和尾礦堆積帶來(lái)的土地面積占用、土壤污染以及安全隱患等問(wèn)題。此外，由于目前市場(chǎng)上大部分無(wú)機(jī)人造石的骨料主要是昂貴的精加工的鈣砂、石英砂或玻璃顆粒，因而造成礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，并且售價(jià)不菲[2]。

提高固廢資源的附加價(jià)值，對(duì)發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)建資源節(jié)約型產(chǎn)業(yè)、環(huán)境友好型社會(huì)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。在綠色、低碳發(fā)展的大背景下，廢石和尾礦等固廢資源綜合利用的研究也在不斷深入，其中，以廣德礦山廢石為例，通過(guò)開(kāi)采生產(chǎn)的硬度3～4 級(jí)的廢石作為主要骨料，以無(wú)機(jī)膠凝材料為膠粘劑，并加以增強(qiáng)劑、增韌機(jī)和減水劑等材料，經(jīng)過(guò)真空高頻振動(dòng)壓制，最終成功制成了一種能夠從固廢轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)建筑材料的新型無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品。

采用上述方法利用礦山廢石作為原材料，不僅減少了土地資源占用，消除了礦山廢石對(duì)環(huán)境和安全的隱患問(wèn)題，還緩解了下游企業(yè)面臨的關(guān)鍵性生產(chǎn)原材料價(jià)格高、供應(yīng)緊張等問(wèn)題。同時(shí)，制成的無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品的性能指標(biāo)也大幅度優(yōu)于國(guó)家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 507—2012《建筑裝飾用水磨石》所規(guī)定的指標(biāo)[4]。這一研究成果為解決我國(guó)長(zhǎng)期存在的礦山廢石難處理問(wèn)題、催動(dòng)資源再利用、助力循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科學(xué)治污提供了現(xiàn)實(shí)可行的方案。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)中所使用的原材料包括：①?gòu)V德礦山廢石，經(jīng)過(guò)清洗和破碎處理后，其莫氏硬度為3～4，碳酸鈣含量為65%；②52.5R 白色硅酸鹽水泥；③聚羧酸減水劑；④外購(gòu)全加密型超細(xì)硅灰作為無(wú)機(jī)人造石的增強(qiáng)劑；⑤增韌劑乳液。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在試驗(yàn)中，將調(diào)制好的廣德礦山廢石顆粒進(jìn)行級(jí)配，并以其作為主要填充骨料；以白色硅酸鹽水泥為膠粘劑，加入一定量的自來(lái)水和增韌劑乳液，以及聚羧酸減水劑和加密型超細(xì)硅灰，經(jīng)過(guò)行星式攪拌機(jī)均勻攪拌后倒入300 mm×300 mm 的鋼模中，通過(guò)高頻真空振動(dòng)壓實(shí)。制品經(jīng)過(guò)24 h 脫模后，放入恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，7 d 后取出并對(duì)制品進(jìn)行磨平、切割、表面處理和精細(xì)拋光處理，最后按照建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 507—2012《建筑裝飾用水磨石》的要求檢測(cè)其相關(guān)性能。

顆粒級(jí)配對(duì)無(wú)機(jī)人造石的強(qiáng)度有著重要影響，因此在利用廣德礦石廢石作為填充骨料的過(guò)程中需要確定其合理的級(jí)配以制備高性能的無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品。

確定礦山廢石的合理骨料級(jí)配通常采用容重法：以粗顆粒作為基礎(chǔ)，在粗顆粒中分別摻入不同數(shù)量的中顆粒，振動(dòng)相同時(shí)間，分別測(cè)試其容重；當(dāng)容重最大時(shí)，認(rèn)為此時(shí)中顆粒充分填充了粗顆粒的間隙，大、中顆粒的比例即為合理配比。以此比例級(jí)配的顆粒中摻入細(xì)顆粒，用同樣的方法求得新的合理配比。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)步驟，得出最終的比例即合理的顆粒級(jí)配。

對(duì)于破碎好的廢石，試驗(yàn)先選用了不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，并選取不同目數(shù)的礦山廢石骨料作為試驗(yàn)材料，粒徑規(guī)格分別為粗顆粒（4～8 目），中顆粒（16～26 目），細(xì)1 顆粒（60～120 目），細(xì) 2 顆粒（26～40目）。表1 列出了不同粒級(jí)礦石廢石顆粒的容重[5]。

表1 不同粒徑礦山廢石骨料振動(dòng)前后的容重g·cm-3

2 結(jié)果與討論

2.1 礦山廢石不同顆粒配比對(duì)容重的影響

通過(guò)對(duì)粗顆粒和中顆粒的不同配比進(jìn)行測(cè)試：設(shè)粗顆粒的質(zhì)量為1，中顆粒質(zhì)量從0 至1；再將中顆粒質(zhì)量設(shè)為1，粗顆粒質(zhì)量從0 至1，并測(cè)定礦山廢石骨料的容重。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。

表3 不同顆粒配比下的容重（二）g·cm-3

根據(jù)表2 和表3 的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)粗、中顆粒之比為1∶0.7 時(shí)，無(wú)論增加或減少中顆粒的量，礦山廢石骨料的容重都最大，該比例也因此被認(rèn)為是礦山廢石骨料中粗顆粒與中顆粒的最佳合理配比。

綜上所述，將該混合料比例的質(zhì)量視為1 的整體，以細(xì)顆粒質(zhì)量從0.1 開(kāi)始每次增加0.1 的方式進(jìn)行測(cè)試，給定不同的細(xì)顆粒顆粒分布。由于粗、中顆粒間采用的是不連續(xù)分布的顆粒，首先選用不連續(xù)分布的細(xì)1顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同顆粒配比下的容重（三）g·cm-3

采用同樣的方法，用連續(xù)分布的細(xì)2 顆粒進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同顆粒配比下的容重（四）g·cm-3

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，不連續(xù)分布的礦山廢石骨料顆粒在顆粒級(jí)配中的容重較高，最高容重為1.802 5 g/cm3，配比為1∶0.4；然而，在連續(xù)分布的尾礦料顆粒中，其顆粒級(jí)配無(wú)法達(dá)到較高容重，最高容重為1.660 1 g/cm3，配比為1∶0.3。這一結(jié)果與設(shè)計(jì)所采用容重法來(lái)確定合理顆粒級(jí)配的原理相符合。

2.2 廢石骨料級(jí)配對(duì)無(wú)機(jī)人造石物理性能的影響

為了將測(cè)試條件保持一致，本試驗(yàn)采用52.5R 白色普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，膠骨比為0.36，減水劑用量為水泥質(zhì)量的0.41%，水膠比為0.19。根據(jù)2.1章節(jié)的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)組樣品將被分為3 組。

樣塊1 為礦山廢石骨料未經(jīng)過(guò)篩分處理的原料直接制作而成。

樣塊2 及樣塊3 均按照骨料粗、中顆粒比為1∶0.7 進(jìn)行配比，其中，樣塊2 采用經(jīng)過(guò)礦山廢石骨料篩分后采用連續(xù)級(jí)配的方法，按照表5 的配比為1∶0.3進(jìn)行制作。

樣塊3 則采用不連續(xù)級(jí)配的方法，按照表4 的配比為1∶0.4 進(jìn)行制作。

表6列出了不同骨料顆粒級(jí)配對(duì)無(wú)機(jī)人造石性能的影響。此外，制品養(yǎng)護(hù)至7 d 后，進(jìn)行了光澤度測(cè)算，結(jié)果顯示在經(jīng)過(guò)切割打磨和初步拋光后的光澤度（表6）以及在經(jīng)過(guò)處理后的表面拋光時(shí)的光澤度。礦石廢石骨料顆粒級(jí)配對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能的影響，如圖1 所示。

圖1 礦石廢石骨料顆粒級(jí)配對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能的影響

表6 礦山廢石骨料顆粒級(jí)配對(duì)無(wú)機(jī)人造石性能的影響

2.3 廢石無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品放射性測(cè)定

將樣品按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》測(cè)定計(jì)算無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品中內(nèi)照射指數(shù)IRa和外照射指數(shù)Ir，并與A 類裝修材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比（表7），其結(jié)果符合A 類裝飾裝修材料標(biāo)準(zhǔn)，因此其產(chǎn)銷和使用范圍不受限制。

表7 無(wú)機(jī)人造石放射性檢測(cè)分析結(jié)果

2.4 廢石無(wú)機(jī)人造石的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

近年來(lái)，無(wú)機(jī)人造石的制作逐漸普及，如何實(shí)現(xiàn)其成本效益也成為了企業(yè)生產(chǎn)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。由于大多數(shù)無(wú)機(jī)人造石的主要填充骨料是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)精加工的鈣砂、石英砂或玻璃顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)市場(chǎng)價(jià)，精加工各種目數(shù)鈣砂的售價(jià)通常在600～800 元/t，而石英石和玻璃的售價(jià)比鈣砂高出大約20%左右。經(jīng)過(guò)計(jì)算，利用精加工的鈣砂作為主要填充骨料，生產(chǎn)常規(guī)的無(wú)機(jī)人造石的成本大約在150～200 元/m2，售價(jià)則是在300 元/m2左右，其所產(chǎn)生的利潤(rùn)約為在33.3%～50%；而1 t 礦山廢石碎料市場(chǎng)售價(jià)僅約為80 元左右，利用礦山廢石作為主要填充骨料制作無(wú)機(jī)人造石成本更低，并且其創(chuàng)造的利潤(rùn)大約在40.0%～56.6%。如按年產(chǎn)30 萬(wàn)m2計(jì)算，可增加約540 萬(wàn)元的凈收益。

綜上，利用礦山廢石的經(jīng)濟(jì)潛力明顯更高。使用礦山廢石生產(chǎn)無(wú)機(jī)人造石不僅可以節(jié)約原材料成本，而且能夠創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并大幅提高礦山廢石的附加值。

3 結(jié)論

1）利用廣德礦山廢石作為填充骨料，以壓板法工藝制備的無(wú)機(jī)人造石材料，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均超過(guò)JC/T 507—2012《建筑裝飾用水磨石》的標(biāo)準(zhǔn)。

2）利用廣德礦山廢石作為填充骨料采用不連續(xù)的顆粒骨料級(jí)配為佳。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：在相同壓制以及養(yǎng)護(hù)條件下，不連續(xù)顆粒骨料級(jí)配力學(xué)性能更佳，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到18.2 MPa 和97 MPa，相比于未經(jīng)過(guò)分篩的顆粒骨料的成品，不連續(xù)顆粒骨料級(jí)配的無(wú)機(jī)人造石抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度增幅分別達(dá)到13.1%和11.3%。

3）通過(guò)放射性檢測(cè)，此類無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果符合A 類裝飾裝修材料標(biāo)準(zhǔn)因此其產(chǎn)銷和使用范圍不受限制。

4）利用礦山廢石作為原材料去制作無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品，相比使用精致砂不僅每平方米能夠多產(chǎn)生約6%的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還解決了礦山廢石無(wú)法安置的問(wèn)題，極大提升了礦山廢石的附加值。