銅鎳水淬冶煉渣制備充填膠凝材料的工藝研究

銅鎳水淬冶煉渣制備充填膠凝材料的工藝研究

精煉渣是金屬氧化物在精煉過程中產(chǎn)生的廢物。在中國，有大量的沉積，導(dǎo)致土地和水環(huán)境問題，如鉻污染。已有研究表明利用冶煉渣與其他固廢協(xié)同制備低成本充填膠凝材料，可以促進(jìn)有色冶煉渣等礦冶固廢的資源化利用，同時(shí)降低充填采礦成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。孫雙月等本文針對(duì)某銅鎳礦冶煉廠產(chǎn)出的銅鎳水淬冶煉渣，以堿激發(fā)的思路開展用于制備充填膠凝材料的實(shí)驗(yàn)室研究，探索低火山灰活性的有色冶煉渣的充填應(yīng)用途徑。1實(shí)驗(yàn)過程1.1實(shí)驗(yàn)材料1.1.1化學(xué)元素分析本研究中銅鎳水淬冶煉渣是新疆某銅鎳礦經(jīng)貧化電爐冶煉排出的廢渣，其化學(xué)元素分析結(jié)果見表1，粒度分布見表2。使用電烘箱對(duì)銅鎳水淬冶煉渣進(jìn)行烘干，然后使用球磨機(jī)進(jìn)行粉磨，參考薛杉杉等1.1.2水泥本實(shí)驗(yàn)使用水泥為新疆富蘊(yùn)縣屯河水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥。1.1.3高爐礦渣的堿度和活性系數(shù)本實(shí)驗(yàn)使用尾砂為該銅鎳礦選礦產(chǎn)生的全尾砂，全尾砂元素分析結(jié)果見表4，參照《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T18046—2008）可計(jì)算出冶煉渣的堿度系數(shù)、活性系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)分別為0.2、0.06、0.31，屬于低活性的酸性渣，粒度分布如圖2所示。1.1.4海岸的平衡本研究使用拌合水為自來水。1.1.5激勵(lì)劑本研究使用的堿性激發(fā)劑主體成分為模數(shù)為1的粉末狀硅酸鈉。1.2試塊制作與養(yǎng)護(hù)選取冶煉渣細(xì)度、冶煉渣摻量和激發(fā)劑摻量三個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，各因素和水平信息見表5，選取四因素三水平正交表L以C1～C10為膠凝材料，參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》（GB/T346—2001），制作水灰比為1∶2的凈漿試塊，養(yǎng)護(hù)28d后在無水乙醇中浸泡1d以終止水化，然后取微觀試樣45℃低溫烘干后進(jìn)行SEM測試。以C1～C10為膠凝材料，以全尾砂為充填骨料，配制濃度為68%，砂灰比為4.24（此時(shí)水泥充填單耗為250kg/m1.3測試測試1.3.1單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用壓力機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，壓力機(jī)加載速率設(shè)定為0.5kN/s，對(duì)所有試塊的28d強(qiáng)度進(jìn)行測試。1.3.2sem測試使用MLA(mineralliberationanalyser）礦物自動(dòng)分析儀對(duì)試樣進(jìn)行微觀測試與分析。2結(jié)果與分析2.1實(shí)驗(yàn)組試塊強(qiáng)度圖3是全尾砂膠結(jié)充填體試塊28d單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果，從圖3中結(jié)果可以觀察到，9組實(shí)驗(yàn)組試塊強(qiáng)度均低于對(duì)照組W10，其中實(shí)驗(yàn)組試塊較對(duì)照組7d強(qiáng)度降低34%～76%,28d強(qiáng)度下降26%～60%，這說明本研究中使用的銅鎳冶煉渣火山灰活性較低。2.2冶煉渣摻量對(duì)膠凝性能的影響對(duì)各組試塊28d抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行直觀分析，可以得到各因素在不同水平的均值和極差，見表7。根據(jù)極差結(jié)果可知，在實(shí)驗(yàn)中，影響試塊強(qiáng)度最顯著的因素是冶煉渣摻量。根據(jù)各因素均值可得到正交分析效應(yīng)曲線圖，如圖4所示。由圖4可知：(1)試塊強(qiáng)度隨冶煉渣粉磨時(shí)間的延長呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，說明冶煉渣的最佳粉磨時(shí)間為50min;(2)試塊強(qiáng)度隨冶煉渣摻量升高呈顯著下降趨勢(shì)，說明冶煉渣的膠凝活性低，摻量越高則膠凝材料的膠凝性能越低；(3)試塊強(qiáng)度隨激發(fā)劑摻量升高顯著下降的趨勢(shì)，該趨勢(shì)說明該激發(fā)劑對(duì)本研究中冶煉渣無顯著激發(fā)作用。2.3sem結(jié)果分析圖5是各組養(yǎng)護(hù)歷齡期為28d的尾砂膠結(jié)試樣SEM結(jié)果，通過不同放大倍數(shù)的照片可以觀察到各組試樣的微觀形貌以及具有典型特征的礦物。通過觀察W1、W2、W3和W10四個(gè)試樣的SEM結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各組試樣中均出現(xiàn)了六方形薄片狀氫氧化鈣晶體（CH）、絮狀的水合硅酸鈣凝膠（CSH）和針狀的鈣礬石（Aft）礦物。其中，W3試樣中的鈣礬石量明顯多于其他組，說明冶煉渣的摻入引起了鈣礬石生成量的增加，這說明雖然該銅鎳冶煉渣的活性較低，但是也與水泥發(fā)生了生成鈣礬石的水化反應(yīng)，其機(jī)理可解釋為發(fā)生了式（2）和式（3）的反應(yīng)過程。冶煉渣的水化反應(yīng)首先是礦渣中活性部分SiO在含有硫酸鹽的體系中，鋁酸鈣可以進(jìn)一步生成鈣礬石，見式（3）。2.4凈漿試塊的微觀形貌圖6中顯示了凈漿試塊C3的微觀形貌，分析能譜結(jié)果可知，圖6(a）中選取的礦物主要為CSH凝膠，而通過圖6(d）中譜結(jié)果中鐵元素顯著可以證明圖6(c）中標(biāo)記的顆粒為冶煉渣。圖7和圖8顯示了凈漿試塊C5和試塊C6的微觀形貌，根據(jù)能譜結(jié)果同樣可以確認(rèn)圖中標(biāo)記點(diǎn)為冶煉渣顆粒。對(duì)比試塊C3、試塊C5和試塊C6三組試塊SEM結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試塊C3中的冶煉渣顆粒表面發(fā)生了微弱溶蝕現(xiàn)象，而試塊C5和試塊C6中的冶煉渣顆粒表面溶蝕現(xiàn)象則相對(duì)試塊C3更為明顯。這個(gè)現(xiàn)象說明，冶煉渣的細(xì)度對(duì)其參與水化反應(yīng)的程度有非常密切的關(guān)系。一般而言，冶煉渣越細(xì)，越容易參與反應(yīng)，即表現(xiàn)為冶煉渣表面的溶蝕現(xiàn)象更為明顯。該現(xiàn)象再次說明，本研究中使用的銅鎳冶煉渣，雖然火山灰活性較低，但是在一定的粉磨條件下，仍可與P.O42.5水泥發(fā)生反應(yīng)，引起鈣礬石生成量的增多。3堿激發(fā)銅鎳水淬冶煉渣1）該銅鎳礦冶煉廠產(chǎn)出的銅鎳水淬冶煉渣火山灰活性較低，質(zhì)量系數(shù)僅為0.31，隨著粉磨銅鎳水淬冶煉渣在水泥中摻量的升高，充填體試塊強(qiáng)度逐漸降低。2）實(shí)驗(yàn)室配制的堿激發(fā)劑對(duì)該銅鎳水淬冶煉渣激發(fā)作用不明顯。3）利用堿激發(fā)銅鎳水淬冶煉渣