（环境工程专业论文）矿山尾矿制作墙体材料的试验研究.pdf

国内图书分类号： 国际图书分类号： x 7 5 1 硕士学位论文 矿山尾矿制作墙体材料的试验研究 硕士研究生：夏苤生 一。一 塞虫红熬撞 导师姓名： 奎熬竖教授 申请学位级别：三堂亟 学科、专业：巫埴工程 所在单位：巫撞刍直亟王猩堂陵 答辩日期：2 q q z 生昼且 学位授予单位：青岛理王太堂 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 尾矿是矿业固体废物的一种，目前我国发现的矿产有1 5 0 多种，开发建立了 8 0 0 0 多座矿山，累计尾矿量达5 9 1 7 亿吨。大量的尾矿不仅占用了土地，造成了资 源的浪费，而且也给人类生活环境带来了严重污染和生态平衡的破坏等问题，已 受到全社会的广泛关注。同时，随着矿产资源的大量开发和利用，矿石日益贫乏。 为了解决环境与资源问题，本文对利用金矿尾矿制作墙体材料进行了研究，利用 尾矿开发建筑材料制品，不仅扩大了建筑材料的原料来源，也保护了生态环境， 提高了矿山经济效益。 本文采用的尾矿化学成分主要为s i 0 2 ，矿物成分主要为石英、长石，属于酸 性材料，需要加入碱性材料进行校正。由于尾矿的矿物成分基本为晶体矿物，在 常温常压下难以与其它材料发生反应，因此，本文选用了高温高压蒸汽养护的工 艺。根据产品领域的不同，重点研究了利用金矿尾矿制备蒸压砖和加气混凝土技 术。通过大量的试验，本文确定了制作蒸压砖需要加入的石灰、石膏最佳掺量分 别为2 0 、2 ，最佳蒸压养护制度为升温2 h ，恒温6 h ( 最高蒸汽压力为1 2 m p a ) ， 自然降温3 h ：制作加气混凝土的最佳配合比为尾矿6 3 、石灰2 5 、石膏2 、 水泥1 0 ，夕l - j j n 剂掺量为4 0 9 m 3 ，最佳尾矿细度为2 0 0 目筛余1 7 5 ，最佳水料 比为o 5 8 ，最佳蒸压养护制度为升温3 h 、恒温8 h ( 最高蒸压温度为2 0 5 。c ) 、降温 2 5 h 。通过x r d 测试分析，研究了制品蒸压前后水化产物成分的变化。根据不同 条件下产品中的水化产物，以及养护过程中的物理化学变化反应的分析，对尾矿 蒸压制品的反应机理进行了初步探讨。 通过本研究，本文确定了利用金矿尾矿制备蒸压砖与加气混凝土的可行性， 为最终解决尾矿矿山废物对环境的破坏，最大限度地进行矿业资源的有效利用奠 定了基础，具有明显的环境效益、经济效益和社会效益。 关键词尾矿：蒸压砖；加气混凝土；水热合成反应 重量堡三奎耋三耋堡圭耋堡篁塞 a b s t r a c t t a i l i n gi sa k i n do fs o l i dw a s t eo ft h em i n i n g t h e r ea r em o r et h a n1 5 0k i n d so f m i n e r a l sa n d8 0 0 0m i n e r a lm o u n t a i n si no u r c o u n t r y g r e a td e a lo f t a i l i n gn o to n l yt a k e u pl a n dw i t hr e s u l ti nw a s t i n gr e s o u r c e s ，b u ta l s ob r i n gas e r i o n $ p o l l u t i o na n de n d a n g e r t om a n k i n da n dd e s t r o yt h ee c o l o g i c a lb a l a n c e i nt h e m e a n t i m e ，w i t ht h eg r e a t d e v e l o p m e n ta n de x p l o i t a t i o no ft h em i n e r a lr e s o u r c e s ，t h em i n e r a li si n c r e a s i n g l y d e c r e a s e t o d a y , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i df o rt h er e u s eo ft a i l i n g i no r d e rt o s o l v ee n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e sp r o b l e m , w es t u d yt h ep r o c e s st h a tu s i n gt a i l i n gt o m a k eu s eo fw a l l c o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s s ou s i n gt a i l i n g st o p r o c e s sn o n - w a s t e d t e c h n o l o g yt oe x p l o i ta l lk i n d so fc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l sa n dp r o d u c t s ，w h i c he x t e n d s t h er e s o u r c e so fc o n s t r u c t i o nr a wm a t e r i a l s ，p r o t e c t s b i o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n d i m p r o v e sm i n ee c o n o m i c a le f f i c i e n c y t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to ft a i l i n gi ss i 0 2a n dt h em i n e r a lc o m p o n e n ti sq u a r t z , f e l d s p a r s ot h et a i l i n gi sa c i dm i n e r a la n dc a n tr e a c ti nn o r m a lt e m p e r a t u r e w em u s t u s i n ga l k a l e s c e n c em i n e r a lt oi m p r o v ei t f r o mal o to fe x p e r i m e n t a t i o n , w es e l e c tt h e b e s tc o n d i t i o nw h i c hi s2 0 l i m ea n d2 p l a s t e ri na u t o c l a v e db r i c k t h eb e s tv a p o r t a t i o nc o n d i t i o ni sr i s et e m p e r a t u r e2h o u r s ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r e6h o u r s ，d e c l i n e t e m p e r a t u r e3h o u r s t h eb e s tc o m p o n e n to fa e r a t e dc o n c r e t ei s6 3 t a i l i n g ，2 5 l i m e ， 2 p l a s t e ra n d1 0 c e m e n t t h ea d d i t i v eb es e e l e c t4 0 9i ne a c hc u b i c a lc o n c r e t e t h e b e s tg r a n u l a r i t yo ft a i l i n gi s2 0 0e y e1 7 5 t h eb e s tv a p o rr a t i o nc o n d i t i o ni sr i s e t e m p e r a t u r e3h o u r s ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r e8h o u r s ，d e c l i n et e m p e r a t u r e2 5h o u r s t h e t e s to ft h es a m p l e si sa n a l y s e sb yx r d ，t h ec h a n g ew a ss t u d i e do fi n t e n s i t ya n dt h e c o m p o n e n to ft h eh y d r a t er e s u l t a n to nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo f c h e m i s t r yc o m p o n e n t , t h e i rp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n , t h el a wo f r e a c t i o nb e h a v i o r o f t h ep r o d u c tw i mt a i l i n g si sd i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y t h ef e a s i b i l i t yt om a k ea u t o c l a v e db r i c ka n da e r a t e dc o n c r e t ew i t ht a i l i n gi s e n s u r e df r o mt h i ss t u d y , t h i ss t u d yw i l lg u i d et h eu t i l i z a t i o no ft a i l i n gr e c o u r s e s t h e r e s e a r c he s t a b l i s h e st h eb a s ef o rs o l v i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no fi r o n r a i l i n g s c o m p l e t e l ya n dm a x i m i z e se f f i c a c i o u su t i l i z a t i o no ft h em i n i n gr e s o u r c e a p p a r e n t e n v i r o n m e n t a l ，s o c i a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t sc a nb eg o t t e n k e yw o r d sr a i l i n g s ；a u t o c l a v e db r i c k ；a e r a t e dc o n c r e t e ；h y d r a t er e a c t i o n i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 固体废弃物的污染及利用现状 1 1 1 固体废弃物与环境污染 固体废物是指在生产建设、日常生活和其它活动中产生的污染环境的固态、 半固态废弃物质，涵盖了众多与污染有关的物质：工矿企业生产过程中排放出来 的废渣、尾矿、粉尘、碎屑、污泥等；农作物收割、畜禽养殖、农产品加工过程 中排出的废弃物；放射性固体废物；城市垃圾和有害性固体废物等。与废气、废 水相比，固体废物具有以下两个重要的特点：第一，固体废物是各种污染物的终 态，特别是从污染控制设施排出的固体废物，浓集了许多污染成分，人们却往往 对这类污染物存有稳定、不易转移的错觉。第二，在自然条件下，固体废物中的 一些有害成分会转入大气、水体、土壤、参与生态系统的物质循环，因而具有潜 在的、长期的危害性。 固体废弃物对环境的危害性具体表现在以下几个方面【1 。3 】： ( 1 ) 侵占土地 固体废物不像废气、废水那样到处迁移和扩散，必须占有大量的土地。城市 固体废物侵占土地的现象日趋严重，我国现在堆积的工业固体废物有6 0 亿吨，生 活垃圾有5 亿吨。估计每年有1 0 0 0 万吨固体废物无法处理而堆积在城郊或公路两 旁。几万公顷的土地被它们侵吞。 ( 2 ) 污染土壤 土壤是植物赖以生存的基础。长期使用带有碎砖瓦砾的“垃圾肥”，土壤就严 重“渣化”；未经处理的有害废物在土壤中风化、淋溶后，就渗入土壤，杀死土 壤微生物，破坏土壤的腐蚀分解能力，导致土壤质量下降；带有病菌、寄生虫卵 的粪便施入农田，一些根茎类蔬菜、瓜果就把土壤中的病菌、寄生虫卵吸进或带 入体内，人们食用后就会患病。 受到污染的土壤，一般不具备天然的自净能力，也很难通过稀释扩散的办法 减轻其污染程度，所以不得不采取耗资巨大的办法解决，否则可能造成牺牲环境 的恶劣影响。 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 污染水体 许多国家把大量的固体废物直接向江河湖海倾倒，不仅减少了水域面积，淤 塞航道，而且污染水体，使水质下降。固体废物对水体的污染，有直接污染地表 水，也有的下渗后污染了地下水。固体废弃物一般通过以下几种途径进入水体中， 使水体污染： 一、废物随天然降水径流流入江、河、湖、海，污染地表水； 二、废物中的有害物质随渗滤水浸出渗入土壤，进入地下水，使地下水污染； 三、较小的颗粒随风扬散，落入地面水，使其污染； 四、将固体废物直接排入江、河、湖、海，造成更大的污染。 ( 4 ) 污染大气 固体废弃物在适宜的温度下，由废物本身的蒸发升华及发生化学反应而 释出有害气体污染大气；另外，固体废物在收运、堆放过程中未作密封处理，有 的经日晒、风吹、雨淋、焚化等作用，挥发了大量废气、粉尘，有的发酵分解后 产生了有毒气体，向大气中飘散，造成大气污染。固体废弃物在焚烧处理过程中， 一些含氯、硫、氮的化合物，转变为相应的氧化物，如果无空气净化装置或空气 净化效率不高，也会使大气污染。据报道，美国七十年代的固体废物焚烧炉，约 有2 3 由于缺乏空气净化装置而污染大气，大气污染物中，有4 2 来自固体废物 处理过程；目前这种情况已经得到扼制，但其污染仍令人堪忧，尤其是我国的一 些电厂和民用锅炉，由于收尘效率低，每年从烟囱逸入大气的灰尘共计1 5 0 0 多吨。 由于垃圾随意倾倒，露天焚烧，散发臭气污染环境的事件更是屡见不鲜。 ( 5 ) 影响市容环境卫生 固体废物在城市里大量堆放而又处理不妥，不仅妨碍市容，而且有害城市卫 生。城市堆放的生活垃圾，非常容易发酵腐化，产生恶臭，招引蚊蝇、老鼠等孳 生繁衍，容易引起疾病传染；在城市下水道的污泥中，还含有几百种病菌和病毒。 长期堆放的工业固体废物有毒物质潜伏期较长，会造成长期威胁。我国对城市垃 圾、粪便，习惯的处理方法是施用于农田。但是，随着城市人口的剧增，垃圾粪 便排放量很大，未经处理的垃圾进入环境，对人们的健康是一个潜在的威胁。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 2 固体废弃物的利用现状 综合利用是实现固体废物资源化和减量化、解决环境污染及实现经济效益、 环境效益、社会效益统一的最重要手段之一，循环经济从根本上消解环境与发展 之间的尖锐冲突 4 1 。在废物进入环境之前，对其加以回收利用，可以大大减轻后续 处理处置的负荷。如对工业废物采用人工和气流、磁力等分选法进行回收利用； 对污泥类、废食品渣、禽粪等，可采用集中速效堆肥技术生产农用肥和颗粒复合 肥；可通过不同工艺将大量的粉煤灰、煤渣等制作成水泥、烧结砖、蒸养砖、混 凝土、墙体材料等建材；开发煤矸石代替燃料，回收热能。固体废物资源化具有 下列优势： ( 1 ) 环境效益高固体废物资源化可以从环境中除去某些潜在的有毒性废物。 ( 2 ) 生产成本低以固体废弃物为生产原料的建材业，成本优势非常明显。 目前，我国在固体废弃物综合利用方面虽然取得了很大的成绩，但远不能适 应经济和社会可持续发展的要求，与国外固体废弃物的利用水平相比，有着很大 的差距。1 9 9 5 年我国固体废弃物综合利用率为仅为3 3 ，综合利用量为2 2 2 亿t ： 2 0 0 0 年，固体废弃物综合利用率提高到3 7 ，综合利用量为2 7 9 亿t 5 1 。根据国 家经贸委介绍，1 9 9 8 年我国工业固体废弃物综合利用量为3 1 6 亿吨，利用率为4 5 ，其中煤矸石利用量为6 5 1 0 万吨，利用率4 0 ；粉煤灰利用量为5 7 0 0 万吨， 利用率为5 3 。而国外对冶炼废渣、粉煤灰、煤矸石的最好水平是基本上完全利 用。我国的选矿尾矿利用率更低，仅为2 3 2 ，而国外尾矿的利用率基本上在 6 0 以上，欧洲一些小国已向无废矿山的目标前进，差距非常明显。 目前国内外广泛采用的城市生活垃圾处理方式主要有卫生填埋、高温堆肥、 焚烧和热解等。这几种主要垃圾处理方式的比例，因地理环境、垃圾成分、经济 发展水平等因素不同而有所区别。但最终都是以无害化、资源化、减量化为处理 目标。从我国国情看，由于垃圾中无机成分含量很高，焚烧和热解用的不是很多， 主要采取的是填埋，有时也用于堆肥。我国目前工业固体废物管理和治理相对薄 弱，应借鉴发达国家在这方面的经验，结合我国实际，积极推行先进的工业固体 废物处理技术 6 - 8 1 。 虽然我国固体废弃物综合利用率平均每年都在增加，但从技术现状来看，大 都停留在筑路、回填，农用、生产建材等较低层次上，缺少高附加值、深度加工 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 的产品，而且量大、面广的废物综合利用问题并未得到根本的解决。 1 2 矿山固体废弃物综合利用现状 据统计1 9 】，现今世界上9 0 的工业品和1 7 消费品是用矿物原料生产的，我国 9 5 能源和8 5 的原料来源于矿产资源。随着社会的不断发展和开发利用，矿产 资源日趋减少甚至枯竭。与此相反，在矿产资源开发利用过程中丢弃的大量废弃 物却在逐年增多。如今固体废物的污染已经成为全球十大环境问题之一，矿山、 采石厂和冶炼厂在开采和选冶等作业中排出的废弃物质己严重污染土壤、空气、 水域和地下水，造成滑坡和泥石流等灾害，对生态环境产生巨大的影响。国际上 对矿山固体废弃物的污染十分重视。国际勘查地球化学学会、国际环境地球化学 与健康学会和国际地球化学宇宙化学协会于1 9 9 5 年在波兰主办了国际第三届环境 地球化学讨论会，1 9 9 7 年又在美国主办了第四届环境地球化学讨论会，两次大会 讨论的焦点问题是矿山固体废物带来的环境问趔m l 。 矿山固体废物主要包括废石和尾矿。废石是指各种金属、非金属矿山开采过 程中产生的无工业价值的矿体围岩和夹石，对于井下矿来说，就是掘进时采出的 不能作为矿石使用的夹石；对于露天矿来说，就是剥离下来的矿床表面的围岩。 尾矿是在选矿过程中提取精矿后剩下的尾渣。世界各国每年开采出的金属矿、非 金属矿、煤、粘土等在1 0 0 亿吨以上，排出的尾矿量约5 0 亿吨。我国的选矿回收率 远远低于发达国家，所以尾矿量多，剩在尾矿中的有用组分也多，造成巨大损失。 近年来，我国的金属矿山每年排出的尾砂达l x l o s t t l l 】。根据几个大型矿山调查结果 看，损失之大就令人触目惊心了。云南锡业公司尾矿中至少有2 0 万吨锡；大冶铜 矿公司所属5 个矿山尾矿中含铜达6 3 万吨、金有3 3 7 3 千克，银5 6 1 7 5 千克，铁7 6 8 5 万吨；河南省金矿年损失黄金达2 3 吨以上：武钢矿业各铁矿山累计生产铁矿石 1 7 3 4 9 万吨，排废石5 4 1 5 7 万吨，排尾矿5 3 6 3 8 7 万吨；攀枝花钢铁公司近三十年来 不断排出尾矿，以每年3 5 x 1 0 6 吨计算，现在已经排放尾矿1 0 5 x 1 0 8 吨；江西铜业 公司各选矿厂每天排放尾矿量达8 3 万吨左右，各选矿厂尾矿库己堆放尾矿9 0 0 0 万 立方米。尾矿中不仅有贵金属、有色金属、黑色金属，还有大量非金属。由此可 见，尾矿中有用组分丰富，进行综合利用将具有很好的经济效益和社会效型佗4 1 。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 1 世界尾矿利用现状 国外的尾矿研究开发利用与治理工作始于6 0 年代，尾矿的开发利用与冶炼得 到政府的高度重视，把建立无废料矿山作为矿业开发的目标，并把尾矿的综合利 用、开发程度作为国家科技水平和经济发达程度的标志。一些发达国家投入了大 量资金和人力，加强尾矿的研究开发力度，出台了一系列鼓励尾矿开发的政策法 规，鼓励开发尾矿资源和使用尾矿生产的产品，兴建“二次原料工业”将尾矿作 为资源，开展了尾矿的资源勘查评价，大多数发达国家己完成一轮以上的重点矿 山尾矿资源和环境综合评价工作。据统计，西方国家从有色金属的选冶过程中回 收有价元素已达7 0 多种，副产品价值占总产值的3 0 ，其选冶综合回收率己达8 0 以上。 美国9 5 以上的砷、锑、钴、铋、镓、锗、铟、镉、铊、铪、铼、镭、铷、 钪、硒、碲均靠综合利用回收。前苏联在8 0 年代初就建立了国家级采矿工业联合 体尾矿数据库，为尾矿的开发应用奠定了基础。2 0 世纪8 0 年代，俄罗斯科夫多尔 采选公司以工业规模开发了从铁矿石尾矿中回收磷灰石精矿和斜镐石精矿的复合 矿采选工艺。1 9 8 8 年至1 9 9 0 年，该公司以发展少尾工艺和充分利用尾矿为前提， 生产出了国内外市场上广泛需求的产品，如铁精矿、磷灰石和斜镐石精矿、饰面 陶瓷板、磷镁肥料、建筑用碎石、天然石块和块石加工产品等，从而实现了矿产 资源的综合利用与尾矿的整体利用【”】。日本的“黑矿”结构致密，有用矿物浸染 粒度很细，难以分选。e t 本技术人员经过长期研究与试验，首创以亚硫酸为抑制 剂实现铜铅与硫锌分离后采用加温工艺实现铜、铅分离的新工艺，辅之以增设的 矿泥浮选系统，银回收浮选回路及绢云母精矿回收浮选回路，能从一般黑矿矿石 中连续生产铜、铅、锌、重晶石、黄铁矿、绢云母、硅砂等7 种精矿和2 0 种元素， c u ，p b 、z n 、a u 、a g 的回收率分别达9 4 、9 2 8 、9 5 2 、7 4 、8 5 5 ，资源综合利用率9 0 以上【1 5 】。一些发达国家利用尾矿、废渣中某些组分开发 出一些高附加值产品，如功能陶瓷、复合陶瓷、铸石等；高效整体利用尾矿，如 用作微晶玻璃原料、矿物肥料、土壤改良剂、尾矿砖、混凝土骨料、砂浆、铁路 道渣、筑路碎石、并下回填料、复垦料，使矿山向无尾矿山目标迈进。一些发达 国家的尾矿利用率已达6 0 8 0 t 1 6 , 1 7 1 。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 2 我国矿山固体废弃物综合利用现状 对矿山固废的利用，世界各国都做了大量的研究，但至今没有找到很好的出 路。目前，我国虽然对废石进行了多方面的治理，但由于废石中所含有用组分很 少，回收价值不高，因此，对其利用不是很多。治理主要包括废石堆的复土造田 和把废石用作井下充填料等。在利用方面主要是考虑回收其中的非金属，但一些 废石处于井下，并且粒度也比较粗，加工、运输费用较高，经济效益不明显；即 使是井上的废石，其非金属目的矿物的品位也不是很高，回收成本比较高，因此 真正开展的研究并不多。 我国尾矿利用工作虽然起步也较晚，但相对于废石的利用来说，一些研究所、 高等院校等单位与矿山企业紧密合作，还是取得了一些实用性的成果1 8 艺o 】： ( 1 ) 从尾矿中回收有价金属与非金属元素 马鞍山矿山研究院与本钢歪头山铁矿采用h s 1 6 0 0 x 8 磁力回收机处理铁选厂 尾矿，粗精矿经再磨再选后可获得精矿产率2 4 6 、铁品位6 5 7 6 的优质铁精矿； 河南银洞坡金矿与澳大利亚玻格林资源公司合作回收尾矿中的金，产值达2 亿元 以上；辽宁八家子铅锌矿，从铅锌尾矿中回收银，每年可回收8 9 2 吨：陕西双王 金矿选金尾矿中含有纯度很高的钠长石，储量达数亿吨，成为仅次于湖南恒山的 第二大钠长石基地，若加工成半成品钠长石粉其价值就高达2 0 0 亿元。 ( 2 ) 用尾矿生产建筑材料 北京矿冶研究总院丁海潮等利用尾矿、镁质胶凝材料、活性剂、防水剂和防水 颜料合成尾矿人造石能制作内外墙仿石装饰材料和仿石工艺品；中国地质科学院 尾矿利用中心利用风城霞石长石岩尾矿为主要原料，通过不同配比混料、融化水 淬、晶化、烧结等工序，烧制出“杜鹃红微晶玻璃花岗岩”板材，其硬度、光泽、 耐酸碱度等理化特性均优于一般天然花岗岩板材。 ( 3 ) 用尾矿作土壤改良剂和土壤肥料 尾矿中往往含有z n 、m r t 、c u 、m o 、v 、b 、f e 、p 等微量元素，这正是维持 植物生长和发育的必需元素。含有钙矿物的尾矿，作土壤改良剂，施与酸性土壤 中，可起到改良土壤的作用；含有钙、镁和硅的氧化物尾矿，可用作农业肥料对 酸性土壤进行钙化中和处理。“七五”期间，马鞍山矿山研究院在国内率先进行 了利用磁化铁尾矿作为土壤改良剂的研究工作。用特定设计的磁化机对磁选厂铁 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 尾矿进行磁化处理，生产出磁化尾矿，施人土壤。研究表明，磁化尾矿施人土壤 后，可提高土壤的磁性，引起土壤中磁团粒结构的变化，尤其是导致土壤中铁磁 性物质活化，使土壤的结构性、空隙度、透气性均得到改善。田间小区试验和大 田示范试验表明，土壤中施人磁化尾矿后，农作物增产效果十分显著，早稻平均 增产1 2 6 3 ，中稻平均增产1 1 0 6 ，大豆增产1 5 5 。“八五”期间，该院又将 磁选厂铁尾矿与农用化肥按一定的比例混合，经过磁化、制粒等工序，制成了磁 化复合肥，并在当涂太仓生态村建成一座年产i 万t 的磁化复合肥厂。 ( 4 ) 利用尾矿复垦植被 我国矿山的土地复垦工作起步于2 0 世纪6 0 年代，在8 0 年代后期至9 0 年代进展 较快。1 9 8 8 年1 1 月，国务院颁布了土地复垦规定，规定了“谁破坏，谁复垦” 的原则。这一规定的出台，引起了有关部门的重视，有力的促进了矿山土地复垦 工作的步伐，并且在尾矿库的复垦植被方面也取得了较大的进展。马鞍山矿山研 究院于2 0 世纪9 0 年代初在马钢姑山铁尾矿库和排土场开展了扬尘抑制及植被复垦 的技术研究，对尾矿库复垦的技术条件以及扬尘抑制有关资料进行了收集，并在 尾矿库坝破和排土场进行了植被试验。目前，该研究院正在开发研制的“冶金矿 山土地复垦专家系统”，可为不同地区、不同气候条件、不同土壤及矿石特征的 矿山提供有关最佳复垦方案等方面的专家咨询。 1 2 3 我国尾矿综合利用存在的问题 我国在尾矿综合利用方面虽然取得了一些成绩，但是与国际先进水平相比还有 非常明显的差距【2 1 - 2 3 1 ： ( 1 ) 高附加值产品少，缺乏市场竞争力。目前，我国尾矿在工业上的应用，大 多数停留在对尾矿中有价元素的回收或生产较低档次的建材产品，甚至是直接作 为砂石的代用品出售，而一些高档的建材产品，由于种种原因仍未实现真正的工 业化。 ( 2 ) 综合利用率低。目前，我国尾矿的利用率只有7 左右，而国外对尾矿的 利用都在6 0 以上，甚至一些小国已向无废矿山的目标前进。 ( 3 ) 投入不足，政策扶持力度有待加强。长期以来，尾矿利用项目在资金上得 不到保证，投入严重不足。目前，我国没有专项资金支持资源综合利用，融资渠 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 道没有解决，再加上矿山行业普遍效益较差，尾矿利用资金筹措非常困难。在政 策扶持上，国家虽然先后出台了资源综合利用减免所得税、部分资源综合利用产 品企业减免增值税的优惠政策，但还没有具体制定针对尾矿利用的鼓励性政策。 ( 4 ) 资源意识、环境意识不高，资源利用的法律法规建设落后，尾矿利用基础 管理薄弱，缺少尾矿利用的基础资料等。 世界各国矿山开发所产生的固体废物每年都达数百亿吨，而利用率却都比较 低，研究矿山固体废物的处理，面对的既是一个严峻的环保问题，又是一笔宝贵 的财富，对矿山废物的处理和利用，正越来越受到各国政府的重视，很显然，对 矿山废物的研究有很大的发展前景。 1 3 国内外矿山尾矿在建材上的应用方式及现状 在尾矿资源化利用的研究当中，建筑材料占有很大的比例。传统墙体材料的 原料一直以烧结黏士为主，毁坏了大量的农田。近几年，我国“禁黏”的步伐不 断加快，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。并明确规定从2 0 0 3 年6 月3 0 日起，全国1 7 0 个城市禁止生产和使用黏土 实心砖。随着“禁黏”力度的加大，新型墙体材料的发展面临着一次重要的机遇。 目前，尾矿的利用方式有尾矿制砖、尾矿制作加气混凝土和混凝土砌块、尾矿生 产水泥、尾矿制作玻璃制品和陶瓷制品等。 1 3 1 尾矿制备建筑材料的方式 1 3 1 1 利用尾矿制砖 利用尾矿制砖除通常的建筑用砖外，还包括路面砖、墙面装饰用砖等，根据 不同的工艺可以分为烧结砖、蒸压砖、蒸养砖和双免砖等。郭建明等刚利用自燃 煤矸石、粉煤灰为主要原料，加入生石灰粉和生石膏粉制备双免砖，自燃煤矸石 与粉煤灰含量达8 0 以上，具有利废率高、质优价廉的优点，其性能完全符合一 等品及优等品的各项技术指标。 1 3 1 2 尾矿制备加气混凝土和混凝土空心砌块 目前生产的此类产品多属于水热合成型建材和胶结型建材，其硬化原理同尾 矿砖基本相同。尾矿混凝土砌块的制备工艺同普通混凝土制备工艺相同，只是混 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 凝土的粗细骨料都是利用尾矿，其粒径不超过1 5 m m ，可采用破碎的废石渣，也可 以选用一部分石渣与尾矿砂配合，形成连续级配。王砚等【2 5 】对程潮铁矿尾矿进行 了分析，发现s i o z 含量较低，石英含量较少，石膏含量较高，决定加入水泥( 4 2 5 # 普通硅酸盐水泥) 来提高硅质材料的含量，钙质材料采用石灰( 有效c a o = 8 5 0 ) ； 经试验验证，所用最佳配比为：外加硅质材料1 1 2 0 ，钙质材料与硅质材料 之比为3 ：7 ，铝粉用量为o 8 。o o ；制备出的加气混凝土，其平均抗压强度约为3 5 m p a ， 符合国家标准要求。尚保亮口6 】通过添加粉煤灰、石粉等增加连云港市锦屏磷矿尾 矿砂中s i 0 2 的含量，生产出混凝土砖，具有重量轻、保温、隔热、节能、抗震等 待点，适用于工业和民用建筑，特别是高层建筑框架结构填充材料及基础防潮层。 张金青 2 7 1 对北京附近某铁矿矿山围岩碎石以及尾矿进行了性能检测证明，该矿山 的碎石和尾矿可以用作混凝土的粗细骨料，但在设计配比时需要提高水泥用量。 经2 8 天自然养护后作常规检测，结果表明，尾矿在配料中量的变化明显影响者最 终制品的抗压性能。 1 3 1 3 利用尾矿生产水泥 尾矿水泥就是在水泥配料中引入大量的尾矿，按照正常的水泥生产工艺，生 产符合国家标准的水泥。普通的硅酸盐水泥熟料是以粘土和石灰石为主要的原料， 经过一系列的反应，除了c 0 2 和h 2 0 之外，基本上继承了原料中的主要氧化物。 因此，利用含有这些组分的尾矿制作水泥也会获得成功，甚至常常由于带入某些 金属元素，会使烧成温度进一步降低。山东昌乐特种水泥厂脚1 在配料中加入了5 - 3 2 的铜尾矿，提高了熟料的质量，每吨熟料耗煤比标定指标降低1 5 7 ，生产成 本降低1 2 。河南省香山水泥集团f 2 9 】用铅锌尾矿渣代替硫酸渣，用烧石英尾矿代 替粘土进行配料，配料方案为：石灰石9 0 、烧石英尾矿6 5 多6 、铅锌尾矿渣2 0 、粉煤灰1 5 ，制备的水泥经试验证明是符合国家标准要求的，仅材料费2 0 0 3 年就可节省2 5 万元，经济效益显著。 1 3 。1 。4 审i 用尾矿生产微晶玻瑗 微晶玻璃具有很好的耐高温性，化学性质稳定，机械强度高，并具有良好的 电绝缘性能，因此广泛应用于建筑行业，可以用于内外墙、地面、台阶装修，还 可以用于制作各种耐酸、耐磨容器和管槽。由于尾矿是一个复杂的、多组分体系， 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 必然具备了玻璃的形成条件，完全可以用来生产对透明度要求不高的玻璃建材制 品，比如有色玻璃装饰板、微晶玻璃装饰板、玻璃马赛克等；尾矿成分复杂，用 于生产平板玻璃尚不多见，目前，研究较多的是利用尾矿生产微晶玻璃和玻璃马 赛克等。田英良【3 0 】等分析了北京市密云县某铁尾矿成分，发现主要为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、 f e 2 0 3 ，并含一定量的c a o 、m g o 、n a 2 0 、k 2 0 ，含铁量过高，决定在铁尾矿中添 加适量的c a o 、m g o ，使之形成c a o - - m g o - a 1 2 0 3 - s i 0 2 系统玻璃，加入少量 硫磺，使部分铁转化成硫化亚铁，有助于晶化。制备的微晶玻璃，铁尾矿的含量 达到了6 0 以上，成品的抗折强度为5 0 。2 m p a ，显微硬度平均值为6 7 5 4 ，而大理 石和花岗岩的抗折强度只有1 7 1 9 m p a ，显微硬度平均值为1 5 3 ，6 ，因此，该研究 为铁尾矿资源化利用提供了一条比较好的途径。匡敬忠【3 1 1 等以钽铌尾矿为主要原 料，采用碎粒压延法工艺直接成型为微晶玻璃板，这种方法制备的微晶玻璃具有 合理的显微结构，晶粒细小。没有气孔，致密度高，具有良好的力学性能。 1 3 1 ，5 利用尾矿生产建毓陶瓷制品 建筑陶瓷种类很多，根据化学组成可以分为钙质陶瓷和镁质陶瓷，尾矿建筑 陶瓷大多为钙镁质陶瓷。由于组成尾矿的常见造岩矿物，大都具备作为陶瓷坯体 瘠性原料或熔剂原料的基础条件。因此，只要针对不同的生产工艺和产品进行合 理的设计就能够制出性能较好的陶瓷。各种尾矿具体的利用方向为p 8 】：长英岩型 尾矿、碱性硅酸盐型尾矿较容易满足瓷质、长石质炻质与陶质坯料的要求：高铝 硅酸盐型尾矿比较符合粘土质坯料配方；钙铝硅酸盐型尾矿与石灰质以及长石石 灰质坯料的成分近似；高钙、高镁硅酸盐型尾矿可以作为良好的低温快烧陶瓷原 料。张金龙【3 2 1 对焦家金矿进行了分析，发现s i 0 2 含量较高，a 1 2 0 3 、n a 2 0 、i ( 2 0 含量一般，铁硫严重超标，如果尾矿用于制备白色陶瓷，质量会受到影响，因此， 决定首先去除有害元素，采用的方法为：螺旋溜槽分级( 重选) 一( 弱+ 强) 磁选 一浮选。经处理后得到的长石粉原料，可以进行一次快烧实验，试验结果表明， 尾矿t f e 在0 5 3 以下，用量在4 5 时，坯体和釉面正常，可在工业生产中应用。 经过经济分析，年实现所得税总额预计可达1 8 9 8 万元。 1 3 1 6 用于其它建筑材料 除以上介绍的应用之外，尾矿在建材业还有很多的用途，比如制作耐火材料、 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 制作无机人造大理石、用作混凝土骨料和建筑用砂以及用于铺筑路基等。陈家珑 对北京地区的尾矿进行了检验，证明绝大多数尾矿制成的人工砂材料性质是合格 的，因此，只要制定合适的生产工艺就可以取代天然砂石用来配制混凝土。我国 马鞍山【3 3 l 铁矿利用粗粒级尾砂作硅骨料，尾矿中不含云母、硫酸盐、硫化物、有 机物、粘土、淤泥等有害杂质，其抗拉强度、抗渗性、收缩性、抗疲劳、弹性模 量及与钢筋的粘接力均符合国家有关骨料技术标准要求，具有较好的经济效益。 因此尾矿用作建筑骨料潜力极大。 1 3 2 尾矿在建材上的应用现状 1 3 2 1 国外尾矿建材应用现状 由于尾矿是已经加工成细粒的物料，且含有大量可利用的有用组分，具有污 染与利用的双重性，因此，国外很早就已经开始了尾矿资源化的研究，如苏联早 在6 0 年代就已经开始了尾矿制作建材的研究。各工业化国家都把无废料矿山作为 矿山开发目标，广泛开展对尾矿的综合利用研究，尤其是在利用尾矿研制生产建 筑材料方面取得很大成果 m 3 6 1 。俄罗斯、美国、日本和加拿大等国最为突出，现 在俄罗斯f 3 刀选矿厂尾矿用于建筑材料约占6 0 ，除制造建筑微晶玻璃和耐化学腐 蚀玻璃外，还研制生产各种矿物胶凝材料；美国【3 8 】除从废石中回收萤石、长石和 石英等用于其它工业部门外，目前绝大部分用作混凝土骨料、地基及沥青路面材 料，同时也有人利用铁遂岩的尾矿制成密度可予控制的轻质砖，从而为尾矿在轻 质建材方面的利用找到了一条途径：加拿大【3 7 1 在利用尾矿研制建筑材料，特别是 在利用铁尾矿研制墙体材料方面有一定的经验，加拿大魁北克矿山将尾矿磨细至 7 4 微米，并添加l 的木质磺酸钙作粘结剂，加压成型后在高温下制成硅砖，达 到了预期的效果。日本i 和s e i c h i 等【3 9 将尾矿与1 0 硅藻土混合成型，并在 1 1 5 0 煅烧，研制出轻质骨料，其密度为1 7 7 9 c o ，抗压强度8 3 3 m p a 。 1 3 2 2 国内尾矿建材应用现状 我国对尾矿资源化也比较重视，在“中国2 l 世纪议程”中，已将尾矿的开发 利用，作为今后支持发展的内容之一。近二十年来，我国在尾矿建材方面也取得 了很大的成绩，如l 山东焦家金矿于1 9 9 6 年投资2 0 0 万元，引进国外“双免”砖 青岛理工大学工学硕士学位论文 生产技术，建成4 条成产线，每年可利用尾矿6 万t 。江苏梅山铁矿将经二次选矿 回收铁精矿后的尾矿用作陶瓷原料生产微晶玻璃，烧制无釉装饰面砖，年处理尾 矿4 0 0 0 t ，生产1 0 万m 2 墙面砖，年收入1 3 0 万元。山东建材学院利用黄金尾砂制 造蒸压砖；凡口铅锌矿利用含方解石、石灰石为主的尾矿生成水泥，其性能良好。 同济大学利用黄梅山尾矿烧制的装饰面砖装饰在该校的建筑规划学院楼上。 与国外相比，我国的尾矿利用起步较晚，技术比较落后。由于我国自然矿产 资源中8 0 为共伴生矿，综合利用的工艺技术存在一些问题，导致不少的矿山资 源未能利用，即使利用了，回收率也很低，有相当部分企业的矿产综合利用项目 尚属低层次的原料生产及粗加工利用，其产品档次较低、市场销路有限，经济效 益不理想。目前矿产资源的总回收率只能达到3 0 左右【4 0 1 ，尾矿综合利用率仅为 7 左右【4 ”，大量的尾矿堆存在了尾矿库中，不仅浪费了人力财力，还造成了环境 污染。而且，很多小型矿山没有尾矿库，尾矿直接排入河沟，尾矿中可迁移元素 发生化学迁移后，对土壤、水体造成污染，破坏了生态环境。因此，如何对尾矿 进行二次利用成为亟待解决的问题，而在尾矿资源化过程中，建材业必将会扮演 越来越重要的角色。 1 4 本研究的内容及意义 本研究的主要内容如下： ( 1 ) 对尾矿的矿物成分及化学组成进行了分析，发现尾矿属于酸性材料，决 定利用石灰作为碱性材料，采用蒸压的方法制作蒸压砖及加气混凝土。 ( 2 ) 蒸压砖的配合比的确定、蒸压制度的确定。 ( 3 ) 由于建材朝向轻质、保温的方向发展，因此，本文重点对利用尾矿制作 加气混凝土进行了试验，通过理论分析及前人的成果，决定利用石灰、 水泥、尾矿作为基本材料，加入铝粉膏为发起剂，对制备条件进行了研 究，包括加气混凝土配合比的确定( 石灰、水泥、石膏掺加量的确定，尾 矿细度的确定，外加剂掺加量的确定、水料比的确定) 、蒸压制度的确定。 ( 4 ) 对蒸压制品的反应机理进行了初步探讨。分析了制品养护过程中的物理 化学变化，通过x r d 对不同条件下产品中的水化产物进行了分析。 我国政府为了保护环境和提高能源的利用率，对粘土砖的生产采取了限制政 策，鼓励使用具有节能、节土、轻质的新型墙体材料。利用尾矿制作的蒸压砖和 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 加气混凝土是低能耗的、环保型的新型建筑材料，非常符合国家的政策要求，这 不仅可以缓解资源的压力，还可以在一定程度上减轻环境的污染，具有巨大的经 济效益和社会效益。 研究利用金矿尾矿制作墙体材料具有以下优点： ( 1 ) 生产时少用天然资源，大量使用固体废弃物尾矿，造价低，是目前大量， 整体消耗尾矿的最有效的途径之一。 ( 2 ) 属于高附加值利用，在建筑市场应用广泛，经济效益好。 1 3 重里堡三奎耋三耋堡圭耋堡篁塞 第二章利用尾矿制作蒸压砖的试验研究 在高温水热介质作用下，尾矿中部分二氧化硅溶于液相中，它同溶于液相中 的c a ( o h ) 2 结合成各种类型的水化硅酸钙。这些水化矿物都是溶解度较低的物质， 因此很容易使液相达到饱和而析出。析出的晶粒之间通过结晶接触点相连接，形 成结晶连生体。由于参与水化反应的仅仅是表面上的一层二氧化硅，它与氢氧化 钙发生反应生成的水化硅酸钙将砂子胶结起来，因此，蒸压砖的性能取决于单位 体积中颗粒之间的接触点数和在蒸压过程中生成胶凝物质的质量【4 2 】。 2 1 试验原材料 2 1 1 硅质材料 本次试验采用山东某金矿自然粒级的尾矿作为硅质材料。 ( 1 ) 矿物组成；矿物组成如表2 - 1 。 表2 - 1 尾矿的矿物组成 t a b l e 2 - 1m i n e r a lc o m p o n e n to f t a i l i n g 由表2 一l 可以看出，尾矿矿物中主要成分为石英、云母、钾长石和斜长石， 由于这些矿物均为晶态矿物，因此金矿尾矿为惰性材料，在常温常压下很难与其 它材料发生反应。 ( 2 ) 化学组成：其化学成分如表2 - 2 。 表2 2 尾矿的化学成分 t a b l e 2 2c h e m i c a lc o m p o n e n to f t a i l i n g 由表2 2 可以看出，尾矿中s i 0 2 含量为7 7 2 1 ，主要为石英、长石等矿物。 尾矿中含有一定量的n a 2 0 ，可降低烧结制品的烧结温度，但高碱对蒸压制品的耐 久性不利。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 生产尾矿砖类产品，主要是自然粒级的尾矿砂直接与碱性激发剂混合，依靠 化学反应实现结合，在化学成分上无特殊的要求，但是为确保满足产品标准，尾 矿中，石英含量不宜低于3 0 ，碳酸盐、有机物等强度低、非活性杂质含量，最 好不高于2 3 1 3 8 】。 2 1 2 钙质材料 钙质材料采用市售生石灰，磨细至2 0 0 目筛余 8 0