吳琛 趙寶軍 曾正祥 王俊 尹正
(廣東海龍建筑科技有限公司,廣東 珠海 519000)
銅陵市素有“中國古銅都”之稱,屬長江中下游成礦帶,是著名的礦業(yè)城市,也是重要的有色金屬基地,截至2015年底,查明資源儲量的礦產(chǎn)有煤、鐵、銅、金、銀、硫鐵礦和水泥用灰?guī)r等26種,其中銅礦儲量425萬噸,金礦333噸,硫鐵礦54992萬噸。礦產(chǎn)地164處,其中大型17處、中型19處、小型以下128處。銅陵市已建立完整的勘探、采礦、選礦、冶煉加工的有色金屬產(chǎn)業(yè)鏈[1],礦業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為了國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。
長期的采選冶生產(chǎn)活動造成了礦產(chǎn)固體廢棄物堆積問題突出,全市累計建有尾礦庫約47個,其中在用尾礦庫10個,停用尾礦庫24個,閉庫尾礦庫13個。尾礦庫庫存尾砂存量巨大,帶來的環(huán)境問題及安全問題日益凸顯,主要有尾砂重金屬造成水土污染,占用土地資源,還存在一定的安全隱患,有產(chǎn)生泥石流風(fēng)險,且尾礦庫維護(hù)經(jīng)濟(jì)成本高昂,這制約了銅陵市城市發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè),對大量尾礦料的處理已經(jīng)成為銅陵市迫切需要解決的問題[2]。
目前,國內(nèi)的人造石產(chǎn)品主要是以不飽和聚酯樹脂制成的有機(jī)人造石崗石、有機(jī)人造石英石及以鋁粉作為填充料的實體面材人造石,還有用無機(jī)硅酸鹽作為膠凝材料澆筑成型的無機(jī)水磨石或用荒料壓制法制成的無機(jī)水磨石[3]。上述有機(jī)、無機(jī)人造石都從市場上購買精加工的鈣砂、石英砂或玻璃顆粒作為其主要填充骨料,不但浪費(fèi)礦產(chǎn)資源,且價格昂貴,導(dǎo)致最終產(chǎn)品售價居高不下。用無機(jī)膠粘劑制成的無機(jī)人造石不但價格昂貴,性能也存在問題,如抗折、抗壓強(qiáng)度低,吸水率高及表面返堿嚴(yán)重等。而以尾礦料作為填充骨料、應(yīng)用壓板法工藝制成的無機(jī)人造石,不但消解了尾礦庫對地區(qū)環(huán)境的安全隱患,釋放土地資源,緩解下游企業(yè)關(guān)鍵性生產(chǎn)原料價格高、供應(yīng)緊張等問題,而且產(chǎn)品性能也大幅度超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的指標(biāo)[4]。
本文對以尾礦料作為主要填充料,利用無機(jī)膠凝材料作為粘接劑,并配以白色、黑色、黃色等無機(jī)顏料及外加劑,均勻混合,在高真空、高頻振動條件下生產(chǎn)新型無機(jī)人造石產(chǎn)品展開研究,這對于推進(jìn)節(jié)能減排,發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè),資源再利用,開拓循環(huán)經(jīng)濟(jì),建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會有重要意義,為尾礦難處理問題提供可行的解決方案。
①銅陵尾礦料(以下簡稱為尾礦料),將取自銅陵水木沖尾礦庫的尾礦料先晾曬、篩分,再分級包裝;②水泥,52.5R白色硅酸鹽水泥(江西銀杉水泥有限公司);③聚羧酸減水劑;④增強(qiáng)劑,外購偏高嶺土超細(xì)粉;⑤增韌劑乳液;⑥拜爾系列色粉顏料。
以尾礦料顆粒為主要填充骨料,白色硅酸鹽水泥為膠凝材料,偏高嶺土、乳液作為無機(jī)人造石產(chǎn)品的增強(qiáng)增韌劑,用減水劑、無機(jī)顏料等作為外加劑,按和易性要求加入一定量自來水,經(jīng)過行星式攪拌機(jī)攪拌均勻后,再經(jīng)過對輥打散機(jī)將攪拌中存在的球團(tuán)打散破碎,然后進(jìn)入320×320mm橡膠模具中布料,布料完成后將模具通過輸送帶送入壓機(jī)內(nèi)腔,先下壓框、提起壓頭,對壓機(jī)內(nèi)腔進(jìn)行抽真空處理,待真空度達(dá)到-0.095MPa后,再下壓頭至模具框內(nèi),對布好的坯料進(jìn)行振動壓制成型,壓制完成后破真空,提起壓頭、壓框,將模具從壓機(jī)內(nèi)腔送出,24h后脫模,放入恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),七天后可進(jìn)行定厚、拋光及切割后處理工序。按建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》檢測其相關(guān)性能。
影響人造石強(qiáng)度的一個主要因素是人造石中各組成材料的顆粒級配,因此利用尾礦料作為填充骨料,需要確定其合理級配,以制備高性能的無機(jī)人造石。尾礦料顆粒的最佳配比用以下方法進(jìn)行測試和表征:選用不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)篩,對尾礦料分別進(jìn)行篩分,篩分后的尾礦料顆粒作為試驗材料,其粒徑規(guī)格是粗顆粒6~10目,中顆粒20~30目,細(xì)1 顆粒100~120 目,細(xì)2 顆粒30~60 目。表1為不同粒級尾礦料顆粒的容重[5]。
表1 不同粒徑尾礦料顆粒振動前后的容重(g/cm3)Tab.1 Bulk density of tailings of different particle sizes with or without vibration (g/cm3)
采用容重法確定尾礦料的合理顆粒級配:以大顆粒為基礎(chǔ),在大顆粒中摻入不同數(shù)量的中顆粒,分別測試其容重;當(dāng)容重最大時,認(rèn)為此時中顆粒充分填充了大顆粒的間隙,大、中顆粒的比例即為合理配比。再在此比例的顆粒中摻入細(xì)顆粒,用同樣的方法求得新的合理配比。如此重復(fù),得出的最終比例即為合理的顆粒級配。
先測試尾礦粗顆粒與中顆粒的配比。設(shè)粗顆粒的質(zhì)量為1,中顆粒質(zhì)量從0~1;中顆粒質(zhì)量為1,粗顆粒質(zhì)量從0~1,測定尾礦料的容重,其結(jié)果如表2和表3所示。
表2 不同顆粒配比下的容重(一)Tab.2 Bulk density under different particle ratios
表3 不同顆粒配比下的容重(二)Tab.3 Bulk density under different particle ratios
由表2和表3可見,當(dāng)粗、中顆粒比為1:0.9時,無論振動前后容重都最大,可以認(rèn)為該比例為尾礦料中粗顆粒與中顆粒的最佳合理配比。
將該試驗組混合料質(zhì)量看作1的整體,細(xì)顆粒質(zhì)量從0.1起始,每次增加0.1,分別測定尾礦料的容重。由于粗、中顆粒間選用不連續(xù)分布顆??色@得較好的試驗結(jié)果,選用不連續(xù)分布的細(xì)1顆粒進(jìn)行試驗,其結(jié)果如表4所示,作為對比,采用同樣的方法,用細(xì)2顆粒進(jìn)行試驗,其結(jié)果如表5所示。
表4 不同顆粒配比下的容重(三)Tab.4 Bulk density under different particle ratios
表5 不同顆粒配比下的容重(四)Tab.5 Bulk density under different particle ratios
由以上試驗結(jié)果可以看出,不連續(xù)分布的尾礦料顆粒在顆粒級配中能夠獲得較高的容重,當(dāng)配比為1:0.4時容重最大為1.7905g/cm3;連續(xù)分布的尾礦料顆粒在顆粒級配中則不能獲得較高的容重,當(dāng)配比為1:0.3時容重最大為1.6437g/cm3,這與所設(shè)計的容重法確定合理顆粒級配的原理相一致。
采用52.5R白色硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料,在膠骨比為0.37,水膠比為0.22,減水劑用量為水泥重量的0.4%條件下,成型無機(jī)人造石,參照J(rèn)C/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》進(jìn)行性能測試。尾礦骨料粒度級配對無機(jī)人造石性能的影響見表6,其中樣品1為尾礦料不經(jīng)過篩分處理,直接攪拌、壓制成型,樣品2為尾礦料經(jīng)過篩分后采用連續(xù)級配成型,樣品3為尾礦料經(jīng)過篩分后采用不連續(xù)級配成型。
表6 尾礦骨料粒度級配對無機(jī)人造石性能的影響Tab.6 Effects of tailings aggregate size gradation on performance of inorganic artificial stone
由表6可知,各樣品的性能指標(biāo)均超過JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的要求(規(guī)范要求水泥人造石的抗折強(qiáng)度≥10MPa,吸水率≤4%,光澤度≥60光澤單位),表明利用尾礦料作為填充骨料,以壓板法工藝制備無機(jī)人造石是可行的。
此外,由表6和圖1可知,在相同條件下,尾礦料經(jīng)篩分級配后成型的無機(jī)人造石產(chǎn)品,其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、吸水率及光澤度等性能相較于尾礦料未經(jīng)處理的產(chǎn)品均有顯著提高,其中,采用不連續(xù)分布的合理顆粒級配成型樣品的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到19.5MPa和120.6MPa,各提高了33.6%和47.8%。
圖1 尾礦骨料粒度級配對無機(jī)人造石力學(xué)性能的影響Fig.1 Effects of tailings aggregate size gradation on mechanical properties of inorganic artificial stone
在建筑裝飾領(lǐng)域,有建筑陶瓷、天然石材和傳統(tǒng)有機(jī)人造石等裝飾材料。綜觀上述材料,建筑陶瓷應(yīng)用時間較長,各方面性能較好,但其為燒結(jié)型無機(jī)裝飾材料,生產(chǎn)能耗大;天然石材具有天然的裝飾效果和質(zhì)感,但其資源有限,大面積鋪裝時存在色差和不同程度的放射性超標(biāo)等問題;傳統(tǒng)樹脂型人造石為反應(yīng)固化型裝飾材料,其色彩搭配多樣,裝飾性較強(qiáng),但樹脂易老化變形變色,不耐火,易發(fā)霉,且會釋放揮發(fā)性物質(zhì)。因此,研究集建筑陶瓷的耐久性、傳統(tǒng)人造石的裝飾性和天然石材的品質(zhì)于一體的人造石材代表了石材行業(yè)的發(fā)展方向[3]。
表7為自制銅陵尾礦料無機(jī)人造石與同類裝飾材料的綜合性能對比。由表7可知,自制尾礦料無機(jī)人造石的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度等力學(xué)性能均顯著優(yōu)于天然石材,表明自制尾礦料無機(jī)人造石相較于天然石材具有更豐富的應(yīng)用場景。自制尾礦料無機(jī)人造石在產(chǎn)品密度和吸水率等性能方面也優(yōu)于天然石材,表明自制尾礦料無機(jī)人造石結(jié)構(gòu)致密,具有更優(yōu)異的抗?jié)B透性能,能較好緩解天然石材使用過程中普遍存在的返堿現(xiàn)象。而相較于傳統(tǒng)樹脂型人造石,自制尾礦料無機(jī)人造石在力學(xué)性能和抗?jié)B透性方面略有不足,但其線性熱膨脹系數(shù)、莫氏硬度、尺寸穩(wěn)定性和防火性等方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)樹脂型人造石,表明自制尾礦料無機(jī)人造石具有更優(yōu)異的耐火、耐高溫、耐老化等性能,能取代傳統(tǒng)樹脂型人造石應(yīng)用于防火要求較高的公共場所以及不適用傳統(tǒng)樹脂型人造石的室外地面、墻面等,極大地拓寬人造石材的應(yīng)用領(lǐng)域。
表7 尾礦料無機(jī)人造石與同類裝飾材料的性能對比Tab.7 Performance comparison between tailings inorganic artificial stone and other decorative materials
綜上可知,自制銅陵尾礦料無機(jī)人造石具有優(yōu)異的力學(xué)性能,耐久性良好,可廣泛應(yīng)用于公共建筑和家庭裝修等領(lǐng)域,具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
1)利用銅陵尾礦料作為填充骨料,以壓板法工藝制備的無機(jī)人造石,其各項性能指標(biāo)均超過JC/T 507-2012《建筑裝飾用水磨石—水泥人造石》的標(biāo)準(zhǔn)。
2)銅陵尾礦料顆粒級配以不連續(xù)的顆粒分布為佳。采用合理顆粒級配,銅陵尾礦料顆粒容重由單一顆粒的1.1574~1.5316g/cm3提高到1.7905g/cm3,增幅為14.5%~35.4%。
3)在成型條件相同的情況下,利用合理級配的銅陵尾礦料為骨料的人造石試件力學(xué)性能更好,抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到19.5MPa和120.6MPa,相較于尾礦料未經(jīng)處理的成型產(chǎn)品,各提高了33.6%和47.8%。
4)相較于市場上同類建筑裝飾材料,銅陵尾礦料無機(jī)人造石不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能,還有著良好的耐久性以及應(yīng)用場合多樣性,市場前景廣闊,為尾礦處理提供了指導(dǎo)。