（材料学专业论文）黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究.pdf

黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究中文摘要 中文摘要 大多数金属矿山在开采、选矿过程中排出大量的金属尾矿，堆放在尾矿库或 一些自然场地，这不仅占用大量土地，造成尾矿库周围环境污染，而且需投入大 量资金用于尾矿库修筑及维护。因此，尾矿的综合利用已成为矿山资源综合利用 和生态环境保护方面的重要研究课题。 黄金尾矿是金矿石经磨细提取黄金后排放的废弃物，呈黄色粉状，主要含有 s i 0 2 、c a o 和一定量f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 、m g o 及少量贵金属。本文在对黄金尾矿原料 特性分析评价的基础上，结合水泥工业化生产的特点，对黄金尾矿煅烧制备高贝 利特水泥熟料、利用高贝利特水泥熟料部分代替硅酸盐水泥作掺合料配制c 8 0 高 性能混凝土以及将黄金尾矿用作大掺量水泥混合材的配方、工艺和性能进行了研 究，力求提高黄金尾矿在水泥中的利用率、拓宽黄金尾矿的综合利用范围，降低 水泥生产成本。通过一系列试验研究并借助现代仪器分析，获得以下结论： 黄金尾矿配以石灰石经粉磨、煅烧( 1 3 5 0 ) 可烧成富含c 2 s 的高贝利特水 泥熟料，主要矿物为d c 2 s 、c 3 s 、少量c 3 a 和c 绁。b 矿( p - c 2 s ) 结晶良好， 大小在1 0 1 m a , - 一4 0 9 m ，矿物含量较多，形状较规则；同时形成呈板状或长柱状的a 矿( c 3 s ) ，大小在2 0 1 a m - - 一5 0 1 x r n 。高贝利特水泥熟料水化时，水化产物中a f t 晶 相的数量较多，填充于水泥浆体的空隙中，起到了良好的补偿收缩作用，改善了 硬化水泥石的结构，水泥早期强度较高、中后期强度发展较快，具有良好的胶凝 性能。 高贝利特水泥熟料粉取代3 0 - - - - 5 5 硅酸盐水泥并配合高效减水剂( 1 6 2 o ) ，可以配制出工作性良好、耐久性能优良的c 8 0 高性能混凝土。与普通c 8 0 混凝土相比，掺加高贝利特掺合料的c 8 0 混凝土具有与外加剂适应性好、坍落度 损失小、保水性好的特点，所配制的混凝土中、后期抗压强度高，抗渗、抗冻、 抗碳化、耐侵蚀等耐久性能好。 黄金尾矿经烘干、粉磨可直接作为混合材加以利用，在硅酸盐水泥中掺加1 5 黄金尾矿粉可制备3 2 5 r 普通硅酸盐水泥；黄金尾矿经高温煅烧( 1 0 0 0 。c - 1 2 0 0 ) 后，其活性得到提高，在制备3 2 5 r 火山灰水泥时的掺量可达3 0 ；黄金尾矿 粉与矿渣粉混合配制成复合型混合材，可进一步提高硅酸盐水泥中混合材的掺量， 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究 中文摘要 掺量增大到4 0 仍可满足生产3 2 5 r 复合水泥的要求。 黄金尾矿作为原材料在水泥中进行资源化利用是切实可行的，这对黄金产业 和水泥工业实现可持续发展具有重要意义。 关键词：黄金尾矿；高贝利特；水泥；c 8 0 高性能混凝土；资源化利用 i i 作者：张国强 指导老师：肖国先( 教授) r e s e a r c ho nr e s o u r c eu t i l i z a t i o no fg o l dm i n et a i l i n g si nc e m e n ti n d u s t r ya b s t r a c t r e s e a r c ho nr e s o u r c eu t i l i z a t i o no fg o l dm i n e t a i l i n g si nc e m e n ti n d u s t r y a b s t r a c t 1 1 1 em a j o r i t yo fm e t a lm i n e sd i s c h a r g eal a r g ea m o u n to fm e t a lo r e r a i l i n g sd u r i n g t h ep e r i o do fe x t r a c t i n ga n dc h o o s i n go r e ，n l et a i l i n g sa r eu s u a l l ys t a c k e di no r er a i l i n g s b a n ko rn a t r x a ll a n d s ，w h i c hn o t o n l yo c c u p ym u c hl a n d ，b u ta l s od a m a g et h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ，m u c hm o n e ys h o u l db ei n v e s t e df o r c o n s t r u c t i n ga n dm a i n t a i n i n gt h er a i l i n g sb a n k t h e r e f o r e ，t h eu t i l i z a t i o no fo r er a i l i n g s h a sb e c o m ea l li m p o r t a n tt o p i ci nt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e s a n dp r o t e c t i o no fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t g o l dm i n et a i l i n g si sak i n do fw a s t ee m i s s i o nd i s c h a r g e df r o mg o l dm i n e sa f t e r g o l di se x t r a c t e df r o mg o l do r e i tm a i n l yc o n t a i n ss i 0 2 ，c a o ，a n dq u a n t i t a t i v ef e 2 0 3 ， a 1 2 0 3 ，m g oa sw e l la sf e wn o b l em e t a l s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fg o l dm i n e t a i l i n g s ，c o m b i n i n gw i t ht h ef e a t u r eo fc e m e n ti n d u s t r y ，t w or e s e a r c hw o r k sh a v e c o n d u c t e di nt h i sp a p e rt ob r o a d e nt h er a n g eo ft h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fg o l d m i n et a i l i n g si nc e m e n ti n d u s t r ya n dr e d u c et h ec o s to fc e m e n tp r o d u c t i o n f i r s t l y ，g o l d m i n er a i l i n g sw a gu s e dt op r o d u c eh i g h - b e l i t ec e m e n tc l i n k e r t h e nt h eh i g h - b e l i t e c e m e n tc l i n k e rp a r t l yr e p l a c e dt h es i l i c a t ec e m e n tt op r e p a r ec 8 0h i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t e s e c o n d l y ，g o l dm i n et a i l i n g sw a sd i r e c t l yu s e da sa d m i x t u r eo fc e m e n t 、析t l l l l i 曲c o n t e n t as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta n di n v e s t i g a t e db ym o d e r n e q u i p m e n ta n a l y s i s ，t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： 田1 eh i g h - b e l i t ec e m e n tc l i n k e rc o u l db ep r e p a r e db ym i l l i n ga n db u r n i n gg o l d m i n et a i l i n g sw i t hl i m e s t o n ea t1 3 5 0 。c 1 1 l i sh i g h b e l i t ec e m e n tc l i n k e ri sr i c hi nc 2 s ， a n di t sm a i n l ym i n e r a l sa r e1 3 - c 2 s ，c 3 s ，a n df e wc 3 a ，c 掣虹i nt h ea b o v ec l i n k e r , i b - c 2 s h a sf r e ec r y s t a l l i z a t i o n 诵t l lt h es i z eo f10 1 a m - 4 0 l a m ，h i 曲m i n e r a lc o n t e n ta n d r e g u l a r s h a p e ，p l a t e - l i k eo rl o n gp r i s m a t i cc 3 8c a l la l s ob ef o u n dw i mt h es i z eo f2 0 肛m 5 0 肛1 n l eh y d r a t i o np r o d u c t so fh i g h b e l i t ec e m e n tc l i n k e rh a v el o t so fa f tc r y s t a lp h a g e s w h i c hp l a y sap o s i t i v er o l ei nc o m p e n s a t i n gs h r i n k a g ea n di m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo f i i i t h eh a r d e n i n gc e m e m r n l eh i g h - b e l i t ec e m e n th a sg o o dc e m e n t i t i o u sp r o p e r t i e sw i t l l 1 1 i 曲c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fe a r l ys t a g e ，r a p i ds t r e n g t hd e v e l o p m e n to ft h em i d d l ea n d l a t es t a g e w h e nf r o m3 0 t o5 5 s i l i c ac e m e n tw a sr e p l a c e dw i mh i g h - b e l i t ec e m e n t c l i n k e rp o w d e r , i nc o m b i n a t i o n 谢t 1 1l l i 曲e f f i c i e n tw a t e rr e d u c i n ga g e n t ，h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t ec a nb ep r e p a r e dw i n lg o o dw o r k i n gp e r f o r m a n c ea n de x c e l l e n t d u r a b i l i t y c o m p a r e d 诚t 1 1t r a d i t i o n a lc 8 0c o n c r e t e ，t h ec 8 0c o n c r e t e 谢t l l1 1 i g h - b e l i t e a d m i x t u r eh a sg o o da d a p t a t i o n ，l o ws l u m pl o s s ，g o o dw a t e rr e t e n t i o n ，h i g l lc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n db e t t e rd u r a b i l i t y , s u c h 嬲i m p e r m e a b i li t y , f r o s tr e s i s t a n c e ，a n t i - c a r b o n a t i o n ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds oo n i na d d i t i o n ，w h e ng o l dm i n er a i l i n g sw a sd r i e da n dm i l l e d ，i tc a nb ed i r e c t l yu s e d a sc e m e n ta d m i x t u r et op r o d u c ec e m e n t t h eo r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n to f3 2 5 rg r a d e 、矶t l lac o n t e n to f15 g o l dm i n et a i l i n g sp o w d e rc a nb em a d e w h e ng o l dm i n er a i l i n g s w a sb u r n e da tt e m p e r a t u r e sf r o m10 0 0 ( 2t o12 0 0 ( 2 ，i t sa c t i v i t yi n c r e a s e da n dt h e c o n t e n to fg o l dm i n et a i l m g si nt h e3 2 5 rh a s hc e m e n tc a nb ei n c r e a s e dt o3 0 t h e c o m p l e xc e m e n ta d m i x t u r ec a nb em a d eb ym i x i n gg o l dm i n et a i l i n g sp o w d e rw i t hs l a g p o w d e r , w h i c h s a t i s f i e dt h en e e d st op r o d u c ec o m p o s i t ec e m e n t o f3 2 5 rg r a d ew i ma n a d d i t i o no f4 0 c o m p l e xc e m e n tm i x t u r e i ng e n e r a l ，g o l dm i l l er a i l i n g sc a nb ev e r yf e a s i b l et ob eu s e da sp r i m a r yl a w m a t e r i a l so rc e m e n ta d m i x t u r e ，w h i c hw o u l dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e s o u r c e u t i l i z a t i o no fg o l dm i n et a i l i n g sa n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c e m e n ti n d u s t r y k e yw o r d s ：g o l dm i n et a i l i n g s ；h i g h - b e l i t e ；c e m e n t ；c 8 0h i 曲p e r f o r m a n c e c o n c r e t e ；r e s o u r c eu t i l i z a t i o n i v w r i t t e n b y ：g u o q i a n gz h a n g s u p e r v i s e db y ：p r o f g u o x i a nx i a o 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本入郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取褥的成果鼙除文中_ 已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个入或集体已经发表域撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书丽使用过的材料奇对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本入承担本 声明的法律责任。 研究生签名： 姆冒 期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本入所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阕，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：事啦日期：二靼。， 导师签名：刍堕业冒期：缨2 ：互型 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究 1 绪论 1绪论 1 1 选题背景和依据 资源与环境是当今人类社会面临的两大问题，社会的进步和经济的发展，在 消耗了大量资源同时，还造成了严重的污染，金属矿山尾矿便是其中之一。矿山 固体废弃物约占所产生固体废弃物的4 0 。大部分矿山固体废弃物是来自有色金 属硫化矿和金银矿山的尾矿，原矿经过开采和处理后大约9 0 的量为尾矿。目前， 金属矿山尾矿多采用堆存方式处理，随着金属矿山开发规模的扩大和开采历史的 延长，尾矿堆积量逐年增加，不仅占用大量的土地，造成库区周围环境污染，而 且还需投入大量的资金用于尾矿库的修筑和维护管理，若存放不当，还将构成突 发性事故的隐患。 随着环境保护意识的不断增强，许多学者和矿山工程技术人员围绕尾矿的开 发利用开展了许多有益的工作，取得了一定的成绩。但从总体上看，其开发利用 的水平和应用的范围还很有限，距离金属尾矿的减量化、资源化和无害化的目标 还有很大差距【1 1 。因此，对金属矿山尾矿的综合利用，已成为金属矿山资源综合利 用和环境保护的一个重要课题。 1 1 1 我国矿山固体废弃物的综合利用的现状和存在的问题 1 1 1 1 我国矿山固体废弃物堆存情况 矿产资源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础与来源，但它又是一种 不可再生的资源。随着我国社会经济的快速发展，矿产品的需求量在2 0 0 5 年创历 史新高后，2 0 0 6 年又有新的增长，各种污染、废弃物的排放量也在按比例上升， 矿产资源领域的环境压力越来越大。矿业城市堆积了历年开采、冶炼而产生的大 量固体废弃物，矿产资源领域应成为国民经济中节能降排、发展循环经济的一个 重点领域【2 1 。 据19 4 9 - 2 0 0 0 年统计废石堆存情况，尾矿的产生量达5 0 2 6 亿吨，废石量为 1 2 6 7 1 亿吨，煤矸石产生量为3 5 6 亿吨，粉煤灰产生量为1 2 1 2 万吨。总计矿山 固体废弃物产生量为2 2 4 6 9 亿吨。尾矿中，铁矿尾矿量为2 6 1 4 亿吨，黄金尾矿 量为2 7 2 亿吨，主要有色金属的尾矿量为2 1 0 9 亿吨，化工部门对4 8 个化工矿山 调查统计，累计积存尾矿31 2 0 6 6 万吨。废石中，铁矿、金矿、有色金属矿剥离产 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究1 绪论 生的废石量分别为9 3 7 5 亿吨、4 6 7 亿吨和2 5 2 1 亿吨，重点化工矿山企业固体废 料积存量为3 0 8 亿吨【3 1 。 另据中国统计年鉴统计，2 0 0 1 2 0 0 5 年矿产采选业固体废弃物( 不包括矿山 开采的剥离废石和掘进废石，包括煤矸石) 贮存量为7 2 3 4 4 9 万吨( 见表1 1 ) 。 其中，煤炭采选业1 2 7 8 2 8 0 万吨，黑色金属矿采选业2 6 4 2 1 7 0 万吨，有色金属矿 采选业3 1 5 1 0 9 0 万吨，非金属矿采选业1 5 7 5 3 0 万吨( 见表1 2 ) 。由此推算，截 至“十五 期末，我国矿山堆存的尾矿、废石约2 3 0 亿吨。 表1 12 0 0 1 2 0 0 5 年矿产采矿业固体废弃物产生及处理情况2 7 吨 t a b l e1 1e m i s s i o na n dp r o c e s s i n go fs o l i dw a s t eb ym i n e r a lm i m n g f r o m2 0 0 1t o2 0 0 5m i l l i o nt o n s 注：采选业是指：煤炭采选业、黑色金属矿采选业、有色金属矿采选业、非金属矿采选 业等其他矿采选业 表1 22 0 0 1 2 0 0 5 年分行业固体废弃物产生及处理情况2 7 吨 t a b l e1 2e m i s s i o na n dp r o c e s s i n go fs o l i dw a s t eb yd i f f e r e n tm i m n gi n d u s t r i e s f r o m2 0 0 1t o2 0 0 5 m i l l i o nt o n s 2 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究 1 绪论 近年来，随着国民经济的发展、工业产值的增加，固体废弃物也逐年增加。 2 0 0 5 年，工业固体废弃物达1 2 4 亿吨，其中矿产采选业产生4 9 亿吨；2 0 0 0 年， 工业固体废弃物达7 5 亿吨，其中矿山直接产生固体废弃物近3 7 亿吨；1 9 9 5 年， 工业固体废弃物产生量为6 7 亿吨，其中矿山直接产生固体废弃物近3 4 亿, 屯t 4 1 。 各种矿山固体废弃物产生量见表1 3 ，我国“八五”、“九五 期间矿山固体废弃 物控制情况见表1 4 。 表1 3 矿山固体废弃物产生量变化趋势7 y 吨 t a b l e1 3t h ee m i s s i o nt r e n d so fs o l i dw a s t ef r o mm i n e r a lm i n i n g m i l l i o nt o n s 注：其它为化学工业及矿产品消耗产生的废渣 表1 4“八五升、“九五”期间矿山固体废弃物控制情况 t a b l e1 4t h ec o n t r o lo fs o l i dw a s t ee m i s s i o nf r o mm i n e r a lm i n i n gf r o m19 9 0t o2 0 0 0 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究1 绪论 如表1 4 所示，固体废弃物处置、贮存量逐年增加，1 9 9 5 年分别为4 5 1 0 万吨 和3 6 7 8 0 万吨：2 0 0 0 年分别达到5 6 8 0 万吨和4 0 4 3 5 万吨。固体废弃物累积堆存量 增加很快，2 0 0 0 年累积堆存量达1 0 2 亿吨，是“八五 期间的1 2 3 倍。1 9 9 5 年综 合利用率提高到3 3 ，排放率控制在1 1 1 ，综合利用量为2 2 2 亿吨，“八五” 期间年均增加近1 0 0 0 万吨；2 0 0 0 年综合利用率提高到3 7 ，排放率控制在1 ， 综合利用量为2 7 9 亿吨，“九五”年均增加1 2 8 0 万吨，“八五、“九五 期间 工业固体废弃物污染控制共需投资1 2 5 亿元，“八五”期间需5 7 亿元，“九五一 期间需6 8 亿元。从总的发展趋势上看，矿山所产生的固体废弃物逐年增加，国家 用于治理矿山固体废弃物的投入逐年递增。 1 1 1 2 矿山固体废弃物带来的危害 我国矿山废石和尾矿的排放量十分庞大，不仅不能充分利用矿产资源，而且 还危害环境，最明显的是对土地的破坏。废石的堆积和尾矿坝的构筑不仅侵占大 面积农田和土地，而且严重污染水源和土壤；若堆放的废石尾矿管理不善，还有 可能发生重大事故，如废石堆自燃、尾矿坝滑坡等。因此，高度认识矿山固体废 弃物的危害和面临的严峻形势，进一步加强对矿山固体废弃物的管理，开展对矿 山固体废弃物综合治理及应用研究，具有十分重要的意义。 据统计，全球采掘工业每年排放的工业固体废弃物总量达数百亿吨，在我国， 黑色金属矿山每年排放的废石尾矿约6 2 亿吨，有色金属矿山每年排出的废石尾矿 达11 5 0 0 万吨，煤矸石约1 3 亿吨。这些废石、尾矿的大量排放，严重破坏了土地 资源的自然生态环境，不仅侵占大量土地，破坏自然景观，而且其成分十分复杂， 含有多种有害成分甚至放射性物质，可污染矿区和周围环境，构成严重的社会危害。 矿山废石和尾矿通常是通过水、气和土壤对周围环境进行影响，其主要污染 途径有以下方面： ( 一) 通过空气污染 废石堆中的硫化矿物与空气接触，可强烈氧化释放出s 0 2 、c 0 2 、h ：s 、n o 等 有害气体，而粒径极细( 1 0 1 a m ) 的尾矿干燥后会随风飘扬形成飘尘，污染大气和 环境。 ( - - ) 通过水污染 废石或尾矿在风化过程中可形成溶于水的化合物或重金属离子，经地表水或 地下水严重污染周围水系及土壤，危害人体健康，影响农作物、森林、禽畜和鱼 4 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究 1 绪论 类的生长和繁殖。如大部分矿山废弃物中含有硫铁矿，其风化或经化学作用形成 酸性废水，严重危害森林、农田、人类和动物的生长。 ( 三) 通过土壤污染 矿山废石和尾矿露天堆放，其中的有害成分经过风化、雨淋、地表径流的侵 蚀渗入土壤，使土壤被有害物质、放射性物质等污染，造成土壤酸化、盐渍化， 导致结构改变，破坏土壤中微生物的生长，影响作物根系生长。 ( 四) 通过废石、尾矿堆放的污染 废石堆放的不稳定易引起岩堆移动和泥石流等灾害，而且尾矿堆放侵占土地， 破坏自然景观，尤其是任意排放和坝址的不合理布置，对环境危害极大。 1 1 1 3 矿山固体废弃物的治理及应用 鉴于废石、尾矿随意露天堆放会对周围环境产生严重危害，一般矿山对废石、 尾矿均采取了一定的处理措施，而且随着社会的发展和人们对环境意识的提高， 对矿山固体废弃物的治理越来越受到重视。2 0 0 1 年11 月5 - - 7 日，固体废弃物污 染控制及其资源化国际会议在长沙中南大学召开，国内外许多专家和学者都对矿 山固体废弃物的治理及应用表示出了极大的关注。 基于矿山自身的地理条件，结合山区的地形特征，为防止废石和尾矿堆放所 造成的污水外溢，大多数矿山采取就近依山建坝对其进行封闭处理，将废石、尾 矿及因其而产生的污水控制在一定的范围内，尽力使废石、尾矿对周围环境的影 响减小到最低程度。如永平铜矿所建的西部4 撑、5 撑尾矿库坝，就是依山建坝对西部 排土场所排出的废石、尾矿及其所产生的酸性污水进行控制，并采用粘土固化注 浆技术对坝基进行防渗处理，阻止库内酸性污水外泄污染周围环境。 矿石化学选矿时的浸出尾矿、采矿时废石( 包括煤矸石) 或表外矿石、矿泥、煤 泥等【5 】，从产业经济和资源科学的角度，这些固体废弃物是综合利用产业和环保产 业经营的对象，具备资源的基本属性；从矿山环境保护和地质灾害防治的角度， 它们又是矿山环境污染和灾害产生的重要因素，是影响矿业和矿山社区可持续发 展的障碍。因此，矿山固体废弃物资源及其利用是一个密不可分的资源与环境的 复杂问题【6 】。就矿山固体废弃物资源来说，最重要、最有利用价值的是矿山尾矿和 废石。任何矿床的原矿经过选矿之后，所选出的精矿送去冶炼，都还要剩下大量 的尾矿，这些尾矿在现有的技术经济条件下，看来是无用的，但随着技术水平的 提高或开采对象的转变，它恰恰是再次开采的矿产资源，特别是其中的共生或伴 5 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究1 绪论 生组分价值特别大。被遗弃的尾矿以及废石是重要的“补充资源”，在一定的技 术经济条件下开发利用它，也会变成十分有用的新的矿产资源。它们是可用来回 收金属或矿物的新型矿产资源，又是可用作建材及其它用途的廉价原料资源，其 整体综合利用正是目前亟待解决的问题。 对于矿山尾矿等固体废弃物的综合利用 7 1 ，一些大型矿山企业正在探索综合利 用的产业化道路，并且取得了一定的效益和宝贵的经验： ( 一) 作为“二次资源 回收再生 随着国家建设的发展，对矿产资源的需求规模日益扩大，回收再生利用矿山 采、选、冶过程中产生的大量废石、尾矿等补充矿产资源成为大规模开采矿产资 源中的一个重要方面。无论黑色或有色金属矿山都可考虑对过去的废石和尾矿再 次采、选以回收其中的有价金属及有用组分。我国一些生产历史悠久的老矿山， 由于当时技术等方面的条件限制，致使废石、尾矿不仅数量大，而且其中有价金 属等可重新利用的资源极为丰富。如云锡公司的锡尾矿，锡平均品位在0 1 3 o 1 7 ，并伴有铅、锌、铁、铜、砷等多种成分，形成一个新的以锡为主的多金属 矿床。 随着矿山技术的发展，废石、尾矿回收再生新工艺和新方法的出现，一方面 使废石、尾矿回收再生对矿品位的要求逐渐降低，如在最近5 0 年中选铜技术对矿 品位的要求已由2 降低至0 2 ；另一方面，也使得废石、尾矿的回收再生率相 对提高，如近来美国从铜、铅、锌、锡、黄铁的尾矿提取率最高可达c u3 6 - 3 7 ， p b2 8 8 9 ，s n2 0 - - - 3 0 ，a u5 1 - - 9 4 。 ( 二) 作为原材料进行废石、尾矿的综合利用 由于废石、尾矿中含有多种金属化合物和矿物成分，成分与硅酸盐材料中的 玻璃、水泥、陶瓷等无机材料的成分很接近，通过加入适当的校正料并结合尾矿 中稀有金属元素的作用，就可以使产品比用常规原料生产具有更好的性能。另外， 选矿厂排出的尾矿粒度较细，用其作为原料可以降低破碎、磨矿的成本，减少能 耗【钔。 近年来对废石、尾矿综合利用研究发展迅速，众多学者相继进行了许多专门 研究，对废石、尾矿的综合开发和利用取得了许多新的研究成果【鲥3 1 。其主要利用 途径有： ( 1 ) 尾矿生产硅酸盐水泥。采用尾矿烧制水泥，为建筑材料的原料开辟了一 6 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究 1 绪论 条新途径，对于材料工业和国民经济的迅速发展具有积极的作用。国内外对利用 尾矿煅烧水泥的研究主要是使用铅锌尾矿和铜尾矿，这两种尾矿不仅可以代替部 分水泥原料，而且还能起到矿化作用，能够有效的提高熟料产量和质量以及降低 煤耗。如：山东省乐县特种水泥厂用5 3 2 的铜尾矿进行配料后，熟料质量有所 提高，能够满足高标号水泥生产要求f 1 4 1 ，吨熟料耗煤比标定指标降低了1 5 7 ，可 代替复合矿化剂，生产成本降低1 2 。另外，辽宁省葫芦岛市林业水泥厂对利用 铅锌尾矿代替部分原料生产水泥进行了研究【1 5 】，生产实践证明，采用铅锌尾矿配 料，可以显著改善生料的易烧性，降低熟料的热耗，提高机立窑的产质量。一个 年产1 0 万吨的机立窑厂，每年可利用铅锌尾矿1 万吨，创经济效益可达1 0 0 万元 以上。除了铅锌和铜尾矿，其他成分的尾矿也倍受研究者们的关注，一部分尾矿 经过实验研究之后也开始得到了应用。山东沂南磊金股份有限公司就利用金矿生 产出了优质道路水泥和抗硫酸盐水泥【1 6 - 1 。实践表明，含铁高、铝低的金矿尾砂， 不但能生产普通硅酸盐水泥，尤其适宜生产道路水泥和抗硫酸盐水泥。据测试， 吨水泥尾砂利用量为3 6 0 4 0 0 k g 。该公司矿山年排尾矿7 万吨，建一座年产2 0 万 吨的水泥厂恰好用掉当年排放的尾砂，不仅减少了建尾矿库的占地面积，而且节 约了开支，也消除了尾矿对环境的污染。除铜、铅锌、黄金尾矿之外，其他如硫 铁、锰铁以及铜铂尾矿烧制水泥在我国也有所尝试。 ( 2 ) 尾矿应用于墙体材料生产 国家在墙改政策中提出“禁止毁田制砖，保护土地资源，保护生态环境”的 口号时，特别明确的指出从2 0 0 6 年6 月3 0 日起，在1 7 0 个城市禁止生产和使用 粘土实心砖，这样使得传统的墙体材料面临一场深刻的革命。长期以来，我国墙 体材料一直以粘土烧结为主，而粘土损耗大量农田，这已经引起社会各界的高度 重视。随着工业化程度的提高，各种工业废渣日益增多，以粉煤灰、煤矸石、铁 尾矿等生产墙体材料的研究工作在我国陆续开展起来【1 7 。2 0 】，目前研究较多的是蒸 养砖、烧结砖和免烧砖三个类型。 ( 3 ) 尾矿应用于微晶玻璃生产 目前，国内在铜、铁、钨、铌钽等尾矿微晶玻璃方面也开展了大量的研究， 由于尾矿生产微晶玻璃的投资费用相对较高，一般按最小规模年生产能力为1 5 万 平方米的生产线来计算，前期投资也在8 0 0 万元左右，所以很多矿山在尾矿综合 利用时考虑生产微晶玻璃的甚少。南京梅山铁矿和中国地质科学院合作【2 l 】，利用 7 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究1 绪论 细粒铁尾矿生产的微晶玻璃一期工程年产达1 5 万平方米，现设计的年产4 0 0 万吨 铁矿石的二期工程投产后，每年约有8 0 万吨小于o 5 m m 的细粒尾砂得到处理，年 生产微晶玻璃达5 万平方米，产品远销海内外，使大量尾矿得到处理的同时，也 产生了很好的经济效益。此类尾矿中铁含量较高，在微晶玻璃生产中，无须加入 其他晶核剂，尾矿中的f e 2 0 3 就能促使玻璃有效成核、整体析晶，生产实践表明高 铁尾矿生产微晶玻璃完全可行。一般s i 0 2 含量为7 0 - - - 8 0 的尾矿比较适宜生产 微晶玻璃。 ( 4 ) 尾矿应用于陶瓷生产_ 利用尾矿研制生产陶瓷打破了传统的用粘土作为原料的生产格局，在有效利 用废弃尾矿、减轻环境压力的同时，也使得陶瓷的性能得到了很大的改善。但从 目前资料来看，尚没有利用尾矿开展大规模陶瓷工艺生产的生产线，不过这方面 的研究还是颇多，主要表现在两个方面：小试范围烧制陶瓷材料和尾矿陶瓷釉料。 用内蒙宁城珍珠岩尾矿为主要原料，以碳酸钙为平衡原料，在成孔剂和粘结剂的 配合下，采用烧结法，在1 2 0 0 c 合成了全晶质多孔结构网，主要物相是呈片状、 板状硅灰石的多孔硅酸钙质陶瓷材料。和传统陶瓷材料相比较，具有吸附性、透 气性、耐腐蚀性、环境相容性、生物相容性好等特点，能广泛应用于各种液体、 气体的过滤，在工业用水、生活用水的处理和污水净化等方面也有大量应用。袁 定华早在1 9 9 2 年就利用稀土尾矿为坯釉的主要原料，研制出的稀土尾矿青瓷，不 仅外观美，而且内在质量也很高【2 3 1 。稀土尾矿的主体是高岭石、石英和长石等硅 酸盐矿物，都是成瓷需要的矿物化学成分，是一种制瓷原料，因为它尚含有多种 微量稀土，利用稀土具有的独特物理化学性质，改善釉料性能，提高产品质量， 所以它优于传统的制瓷原料，是一种新型制瓷原料。 ( 三) 造地复田 这种处理途径是利用先进的技术对因废石、尾矿堆积而破坏或占用的土地及 耕地进行新植被，以稳定岩土、减少水土流失，减轻废水污染。利用尾矿库造地 复田植被绿化，美国从二十世纪3 0 年代就开始了这项工作，此后二三十年内共复 垦废石场约8 0 0 万亩，复垦率达4 0 ，在我国一些有色金属矿山中也已实施。如 中条山有色金属公司蓖子沟铜矿两个服役期满的尾矿库，已采用复土植被的方法 造田4 1 0 亩，粮食、水果都获得了丰收；金川采用“覆盖、蓄水、恢复植被、引 水建立人工植被方案，对大型尾矿库进行环境治理，填补了我国在该地质条件 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究1 绪论 下尾矿治理的空白，取得了明显的经济效益和社会效益。 ( 四) 建坝处理 建坝处理较其他处理方法要易于实施，因而发展中国家对废石、尾矿进行建 坝处理极为广泛，我国亦是如此。 但由于受社会发展水平、经济技术条件和市场等多种因素的制约，目前无论 采取什么处理方法都还不可能将废石、尾矿全都消失在生产过程或全部回收再生 和综合利用，大多数矿山企业尾矿的整体利用主要集中于塌陷地和井下充填，建 路、建筑材料等，用量有限，生产规模小，综合开发利用还处在誓产品单调、封 闭开发、小本经营 的阶段，经济效益不显著，距离规模化、产业化经营还有很 长的路要走。因此，对那些无法回收利用的废石、尾矿进行适宜的处理和处置， 实现最终的无害化处理是当前一个十分重要的课题。矿山固体废弃物资源的开发 与综合利用，对节约资源，改善环境，提高经济效益，促进我国矿业可持续发展 有着重要的作用和意义。 1 1 2 高贝利特水泥概述及研究进展 1 1 2 1 高贝利特水泥概述 随着对水泥工业可持续发展问题认识的日益提高，人们对以硅酸三钙( c 3 s ) 为 主导矿物相的硅酸盐水泥也有了新的认识。从化学角度看，硅酸盐水泥尽管具有 高的活性和早期强度，但其水化产物中c a ( o h ) 2 数量多、晶粒粗大，水化硅酸钙 凝胶的c a 与s i 摩尔比高，导致其抗溶出性能差、抗化学侵蚀能力弱、胶凝性能 低、界面结合弱。另外，硅酸盐水泥还有水化热高、对混凝土外加剂适应性差等 缺点，这些均不利于混凝土材料的高性能化和结构优化。从生产角度来看，水泥 熟料和水泥的化学组成c a o 含量过高，是产生高能耗、高污染和资源浪费的根本 原因【砒6 】。因此，降低水泥中的c a o 含量或水化产物中c a ( o h ) 2 含量势在必行， 国内外众多学者着手开展高贝利特相水泥的研究【2 7 1 。 高贝利特硅酸盐水泥( h b c ) ，一般熟料中贝利特( c 2 s 系列固溶体) 的质量 分数大于4 0 ，7 0 年代初，由于能源危机，h b c 体系在水泥科学领域就已经备受 瞩目。现在的研究表明【2 8 。3 0 1 ，这种水泥具有水化热低、抗折强度与抗压强度比高、 后期强度增进率高、抗硫酸盐侵蚀能力强，干缩性小、需水量低、流动性好，对 混凝土外加剂具有更好的适应性等优点，因此被称为开发研究高性能混凝土的新 型胶凝材料之一。在国内，h b c 已迈入工业化试生产及混凝土工程试用阶段，但 9 黄金尾矿在水泥中的资源化利用研究1 绪论 水化机理的研究尚少，其浆体性能也存在一些缺陷及很多不明确的问题。自9 0 年 代初日本对h b c 开展了大量研究，多集中于水泥混凝土性能及其应用【3 1 1 。富含高 贝利特相的水泥具有后期强度高、耐久性好、可处理尾矿量大，熟料烧成热耗低、 排放c 0 2 少、与水泥混凝土相容性好等优点。 ( 一) 强度高、耐久性能好 众所周知，硅酸盐水泥熟料的矿物组成主要为硅酸盐矿物( c 3 s 和 3 - c 2 s ) 和 熔剂矿物( c 3 a 和c 4 a f ) 。硅酸二钙( c 2 s ) 是硅酸盐水泥熟料的重要组成部分， 在水泥熟料烧成过程中形成的c 2 s ，常常含有少量杂质，如氧化钛、氧化铁等，所 以又称为贝利特( b e l i t e ) 或简称b 矿。硅酸二钙有多种晶型，即0 【c 2 s 、a h c 2 s 、 & l - c 2 s 、p c 2 s 、丫c 2 s 等3 2 , 3 3 】。 1 4 2 5 仅；二= 二r - - 。0 c h 1 1 6 0 6 3 0 6 8 0 5 0 0 7 8 0 8 6 0 0 t c 2 s 在1 4 5 0 。c 以上稳定存在。在1 4 2 5 。c 时，a - c 2 s 转变为a h c 2 s 。在1 1 6 0 ，a h 型转变为a l 型。在6 3 0 1 2 - - 6 8 0 c ，伍l 转变为1 3 型。在5 0 0 。c 以下，1 3 - c 2 s 转变为y - c 2 s 。1 3 型转变为丫型时，晶格要作很大的重排，比密度由p 型的3 2 8 转 变为y 型的2 9 7 ，体积膨胀约1 0 ，导致熟料粉化。如果冷却速度很快，晶格重 排来不及完成，形成了介稳的p c 2 s 。在水泥实际生产中，由于采用急冷，硅酸二 钙以1 3 - c 2 s 形式存在。 当c 2 s 固溶a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、b a o 、s r o 、p 2 0 5 等少量氧化物时，可以提高其水 硬活性。研究表明1 3 - c 2 s 型贝利特相具有如下的结构特性： ( 1 ) i b - c 2 s 是在常温下存在的介稳高温型矿物，具有热力学的不稳定性。 ( 2 ) p - c 2 s 中的钙离子具有不规则配位，使其具有较高的活性。 ( 3 ) 1 3 - c 2 s 结构中的杂质也提高其结构活性。 硅酸盐矿物( c 3 s 和p - c 2 s ) 水化的最终水化产物都是水化硅酸钙凝胶 c a o x s i 0 2 y h 2 0 ( 简写为c - s h ) 和氢氧化钙c a ( o h ) 2 ( 简写为c h ) ，c s h 是水泥石强度的主要成因。与c 3 s 相比，p - c 2 s 水化产物中c h 数量较少，有利于 1 0 黄金尾矿在水泥中的资源化利用