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我国铅锌矿资源丰富,储量居世界前列,目前我国已经成为世界主要的铅锌生产国和出口国之一,但随着铅锌矿开采量的提高,对环境的污染也日益加重。废渣堆放不仅占用大量农田,而且污染环境,因此把废渣作为复合原料进行综合利用,成为经济、实用的新矿产资源,不但可以减少环境污染,改善生态环境,整治国土,更可以减少企业在原材料上的经济消耗,是节能环保的新方向。
铅锌尾矿是铅锌矿厂采用浮选法选矿后排出的粉状或细沙状废渣,具有一定的活性,含有CaO、SiO2、Fe2O3等氧化物,其有效组分与水泥生产配料时所用的粘土组分相近,并含有较高的氧化铁成分,有研究表明其可以部分代替粘土和铁粉配料生产水泥熟料,性能符合国家标准质量要求。同时其中所含微量元素具有熟料烧成的矿化作用,可降低熟料烧成能耗和改善熟料质量。
本研究主要目的是将铅锌尾矿废渣作为制备水泥熟料的原料,制备中热水泥熟料,研究最佳煅烧制度和最优率值,并研究其与使用粘土制备的中热水泥的区别。在后期,研究了使用轻烧氧化镁作为膨胀剂来补偿使用铅锌尾矿的中热水泥浆体的体积收缩,并研究了用铅锌尾矿所制备的中热水泥与粉煤灰、矿渣等辅助性胶凝材料的匹配性。
实验结果表明,采用高铁、低铝的配料方案,使用铅锌尾矿可以制备出符合国家标准的中热硅酸盐水泥熟料。熟料矿物的形成与使用粘土制备的水泥相似,强度略优于使用粘土制备的水泥,并且在熟料的烧成过程中,由于铅锌尾矿中铅、锌等重金属离子的掺入,烧成时液相出现的时间比粘土配料的样品提前,烧成温度降低,生料易烧性较好。所烧制的熟料掺入石膏制备成中热水泥,凝结时间正常,且3d及7d的水化放热量都符合中热42.5水泥的国家标准。熟料浸出液中重金属含量低于危险废物的国家标准,对水质不造成有害影响。
外掺轻烧MgO对铅锌尾矿配料生产的中热水泥在水化降温过程中产生的体积收缩具有一定补偿作用。提高试样中轻烧MgO的掺量以及提高养护温度,膨胀效果明显提高。由于MgO反应缓慢,试样具有持续膨胀现象,试样中轻烧氧化镁的掺量需适中。根据游离氧化钙的测定结果以及膨胀率和扫描电镜分析,考虑到体系长期的稳定性,本实验中轻烧氧化镁的最佳掺量为3%。
在中热水泥中掺入矿渣时,试样的早期抗压强度降低,但后期抗压强度显著增加。随着矿渣掺量的增加,试样抗压强度下降。当矿渣掺量为30%时,抗压强度最大。XRD以及SEM测试显示,水化产物与普通水泥水化产物类似。矿渣参与水化反应,部分未水化的矿渣颗粒被紧紧包裹在凝胶中。
掺加粉煤灰到用铅锌尾矿制备的中热水泥中,由于粉煤灰中存在一定的惰性矿物,并且水化反应较慢,试样的早期抗压强度下降,后期抗压强度有所增加。虽然28d强度低于未掺加粉煤灰的空白样,但试样的抗压强度随着粉煤灰掺量的增加呈先增加后减小的趋势。因此,粉煤灰的水化对水泥基材料强度的增加有一定的辅助作用。