吴长亮，李艳君，李大伟，刘晓存

一种矾土尾矿渣作水泥混合材的试验研究

吴长亮，李艳君，李大伟，刘晓存

本文探讨了一种矾土尾矿渣作为混合材对水泥性能的影响。分析了矾土尾矿渣的矿物及颗粒组成，测定了尾矿渣水泥的标准稠度需水量、凝结时间、强度等性能。结果表明：矾土尾矿渣主要含有高岭石类（多水高岭石、珍珠陶土、地开石等）、一水铝石和云母类（白云母、钾云母、多硅锂云母等）等矿物。经煅烧处理的尾矿渣用作混合材，水泥的标准稠度需水量偏高，凝结时间明显缩短，抗压强度稍低于矿渣微粉而高于粉煤灰；煅烧处理的尾矿渣与矿渣微粉、粉煤灰复掺，有助于降低需水量及提高水泥强度。

矾土尾矿渣；硅酸盐水泥；水泥混合材；性能

1 引言

矿产资源是我国工业发展的基础，目前我国90%以上的能源和80%左右的工业原料都来源于矿产资源。尾矿是工业固体废弃物的主要组成部分，随着矿产资源的大量开发和利用，矿石日益贫乏，尾矿作为二次资源再利用已受到世界各国的重视。

矾土又称为铝矾土或铝土矿，主要成分是氧化铝，系含有杂质的水合氧化铝，是一种土状矿物。我国绝大部分铝土矿石具有高铝、高硅、低铁的特点。矿石的铝硅比A/S（矿石中Al2O3与SiO2的质量比）较低，以4~6的居多。为提高铝土矿的铝硅比，需要对铝土矿进行选矿，以便配合国内的拜耳法生产工艺（要求A/S≮10），但在进行选矿后会产生大量尾矿，生产中其精矿与尾矿产出之比一般为3：1左右。

矾土尾矿渣作为铝土矿选矿过程中产生的约占原矿20%的尾矿，数量大，其堆存带来了环境污染、占压土地及安全隐患等一系列问题。但矾土尾矿含有SiO2、Al2O3、Fe2O3等有用矿物组分，是一种具有很大开发利用价值的二次资源。为了有效利用氧化铝工业的尾矿，笔者将矾土尾矿掺入到水泥中探讨其对水泥性能的影响，通过与传统混合材对比，研究其作为水泥混合材的可行性。

图1 矾土尾矿渣粒度分布

图2 矾土尾矿渣的XRD分析图谱

表1 原料化学成分分析，%

2 原材料及测试

2.1 试验原料

（1）实验所采用的原料：P·Ⅱ52.5水泥、矿渣微粉（比表面积410m2/kg）、粉煤灰（一级灰，GB/ T1596-2005）、矾土尾矿渣（生料、氧化气氛煅烧料、还原气氛煅烧料）、脱硫石膏等。原料化学成分分析如表1所示。

（2）矾土尾矿渣的粒度组成：用激光粒度分析仪测定了尾矿渣的颗粒组成，结果如图1所示。由图1可知，＜32μm的占71%，＜45μm的达78%。

（3）矾土尾矿渣矿物组成：对矾土尾矿渣作了XRD分析，分析图谱见图2。由图2可知，生矾土尾矿渣主要含有高岭石类（多水高岭石、珍珠陶土、地开石等，d=9.96，3.34，2.55，3.56，7.13，4.45，2.31）、一水铝石（d=3.98，2.31，2.13，2.07，2.55，1.63）、云母类（白云母、钾云母、多硅锂云母等，d=3.34，4.98）等矿物。经800℃煅烧去除结晶水的尾矿渣主要含有氧化铝（d=2.55，2.08，3.48，1.74）、二氧化硅（d= 3.34，1.83，2.29）、脱水高岭石类（d=10.04，3.34，2.55，7.13，4.45，2.31）、云母类（d=3.34，4.50，2.52，5.01）等矿物。

2.2 试样制备

（1）矾土尾矿渣处理：生尾矿渣粒度细小，通常水硬性较低，应对其进行煅烧处理。称取一定质量的尾矿渣原料，加18%的水拌和均匀，在钢模具中捶制成ϕ60mm×~10mm的波形圆饼，在烘箱中105℃烘干。因生尾矿渣含有珍珠陶土矿物，该矿物的脱水温度为700℃，所以设定煅烧处理温度分别为700℃、750℃和800℃，保温60min。尾矿渣含有部分氧化铁成分，若在空气中煅烧，产品将呈现暗红色，作为混合材掺加到水泥中则水泥显红色，不受用户欢迎；若在还原气氛下煅烧，产品为青灰色，与水泥色泽相近，所以分别在氧化气氛和还原气氛下煅烧，测定其性能。

（2）水泥制备：设定矿渣粉、粉煤灰及矾土尾矿渣生料和氧化（Y）还原（H）气氛煅烧料掺量为30%，脱硫石膏添加1.5%，P·Ⅱ52.5水泥68.5%，配比方案如表2所示。将煅烧料在试验球磨机中研磨15min；根据设定配合比将各种原料配合，在试验球磨机中混合15min，制得水泥备用。

2.3 性能测试

将水泥试样按0.3水灰比加水，成型为20mm× 20mm×20mm净浆试体，标准条件下养护，分别测定3d、7d和28d各龄期的抗压强度，用ϕ40mm×40mm圆柱试模测定水泥的凝结时间。按照GB1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》、GB/T 8077-2000《混凝土外加剂均质性试验方法》进行水泥性能测定。

3 结果分析与讨论

3.1 掺加不同混合材水泥的性能

测定掺加不同混合材水泥的标准稠度需水量、凝结时间及水泥净浆抗压强度，结果如表3和图3~ 5所示。

由表3及图3~5可见，在P·Ⅱ52.5水泥中加入矿渣微粉、粉煤灰和尾矿渣，矿渣微粉降低水泥的标准稠度需水量，一级粉煤灰则基本未变化，而尾矿渣本质上属于粘土及烧粘土类混合材，所以需水量升高。掺加矿渣微粉和粉煤灰凝结时间有所延长，而掺加尾矿渣显著缩短了水泥的凝结时间。这些与常规结果一致。就强度而论，矿渣微粉活性最好，3d强度达到P·Ⅱ52.5水泥的77%，28d达89%；一级粉煤灰则分别为63%和73%；生尾矿渣3d为56%，28d为58%，强度较低，增长缓慢。因为生尾矿渣颗粒细小，有一定的细颗粒效应，但其基本无水硬活性组分；煅烧尾矿渣可达到甚至超过一级粉煤灰的强度效果，尤其以800℃、还原气氛下煅烧的为最优，3d强度达到P·Ⅱ52.5水泥的66%，28d达到78%。由上可知，煅烧尾矿渣细度细，含有较多的活性Al2O3和SiO2，具有较好的水硬性，是良好的水泥混合材。

表2 添加不同混合材水泥的配比，%

表3 水泥的物理力学性能

图3 水泥标准稠度需水量

图4 水泥的凝结时间

图5 水泥净浆抗压强度

3.2 不同掺量尾矿渣水泥性能

设计两种气氛下800℃煅烧处理的矾土尾矿渣20%、30%和40%的掺加量，保持其他条件不变，E系列为还原尾矿渣，F系列为氧化尾矿渣，研究其对水泥性能的影响。试验方案及结果如表4及图6、图7所示。

由表4及图6、图7可知，随着矾土尾矿渣掺量的增加，水泥的标准稠度用水量逐渐增加，但增加的幅度不大。掺加20%的尾矿渣，水泥强度降低幅度较小，而凝结时间显著缩短。即使尾矿渣掺量达40%，水泥亦呈现较高的整体强度。

3.3 复合掺加混合材水泥的性能

设定混合材总掺入量为40%，石膏据经验添加1.5%，固定水灰比为0.3，800℃煅烧，尾矿渣、矿渣微粉及粉煤灰各占50%复合掺加到P·Ⅱ52.5水泥中，探讨矾土尾矿渣与其他混合材复合掺加对水泥性能的影响。配料方案与实验结果如表5及图8、图9所示。

由表5及图8、图9看出，在混合材总掺入量（40%）不变的情况下，矾土尾矿渣与矿渣微粉、粉煤灰复合掺加的水泥相比，单一掺入尾矿渣的水泥需水量降低，而凝结时间有所延长；矾土尾矿渣与矿渣微粉双掺的水泥比与粉煤灰双掺的水泥强度高。对比编号B1、C1、E2和B2、C2、F2的试样发现，矾土尾矿渣与矿渣微粉和粉煤灰双掺的水泥抗压强度均优于单一掺加矾土尾矿渣的水泥。这里，复合增强效应同样存在。

表4 不同尾矿渣掺量水泥性能

图6 E系列水泥净浆抗压强度

图7 F系列水泥净浆抗压强度

表5 复掺混合材水泥性能

4 结语

（1）生矾土尾矿渣主要含有高岭石类、一水铝石、云母类等矿物，经煅烧去除结晶水的尾矿渣主要含有氧化铝、二氧化硅、脱水高岭石类、云母类等矿物。

（2）生矾土尾矿渣直接掺入水泥中，水泥的强度较低。经过煅烧处理的矾土尾矿渣作水泥混合材，水泥的凝结时间缩短，强度明显提高，比矿渣微粉水泥稍低而优于粉煤灰水泥，尤其以800℃还原气氛煅烧的尾矿渣性能最优。

（3）还原气氛下处理的尾矿渣色泽好，为青灰色，与水泥颜色相近，而氧化气氛下处理的尾矿渣为暗红色，虽对性能无明显影响，但难以为市场所认可。

（4）尾矿渣与矿渣微粉和粉煤灰复掺的水泥性能好，标准稠度需水量较小，强度降低幅度小。

矾土尾矿渣作为工业废弃物可以用作水泥混合材，不仅可提高尾矿资源的综合利用率，解决一系列环境污染、占压土地、安全隐患等问题，亦可降低生产成本，缓解矿渣及粉煤灰资源日趋紧张的局面，同时亦可减少对传统自然资源的消耗，具有良好的应用前景。

图8 B1、C1、E2试样抗压强度

图9 B2、C2、F2试样抗压强度

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天津院签巴基斯坦杰拉特水泥三线项目

近日，天津院与巴基斯坦杰拉特水泥公司（Cherat Cement Company Ltd.-CCCL）在巴基斯坦卡拉奇CCCL总部签署了杰拉特水泥6 700t/d的熟料生产线EP承包项目正式合同。

该项目将主要采用天津院的水泥技术和装备，合同范围从原料输送到水泥包装发运，包括工程设计，设备供货、安装和调试，技术指导等，合同工期为24个月。

杰拉特水泥公司位于巴基斯坦西北边境省，成立于1981年，隶属巴基斯坦Ghulam Farooque Group集团，该集团主要从事水泥等建材生产，属巴基斯坦百强企业。目前拥有两条水泥熟料生产线，一线3 200t/d，二线4 200t/d。这次的三线项目签约是继杰拉特水泥二线项目建设完成之后双方的又一合作成果，充分体现了业主方对天津院设计能力及所供设备的认可和信任。

随着中国“一带一路”战略的逐步实施，中国与巴基斯坦的经济合作也越来越密切，中巴经济走廊的建设更是为中巴两国企业带来了巨大的商机。天津院紧紧抓住这一历史机遇，积极落实中央企业“走出去”战略，不断拓展在巴基斯坦的业务和影响力，市场布局效益进一步显现。本项目的签订对天津院进一步开拓巴基斯坦水泥承包工程市场，扩大在当地的影响力具有重要的意义。

Experimental Study on Bauxite Tailings as Cement Admixture

WU Changliang,LI Yanjun,LI Dawei,LIU Xiaocun
(College of Material Science and Engineering,Jinan University,Jinan Shandong,250022)

Effect of cement properties which using a bauxite tailings as admixture was studied.The mineral composition and the particle size distribution of the bauxite tailings were analyzed.The water demand at standard consistency,setting time and compressive strength of the bauxite tailings cement were tested.The results showed that:the original bauxite tailings contain the minerals of a class of kaolinite(halloysite,nacrite,dickite),diaspore and a class of mica(muscovite,potassium mica, polylithionite).Taking the burned bauxite tailings as admixture,the cement standard consistency was higher,the setting time was shortened obviously and the compressive strengths were a little lower than which with the fine blast furnace slag but higher than the fly ash.The burned bauxite tailings and fine blastfurnace slag and fly ash compositing together as admixture,the standard consistency was apt to decrease and the compressive strength increased.

bauxite tailings;portland cement;cement admixture;properties

TQ172.44

A

1001-6171（2017）02-0029-06

济南大学材料科学与工程学院，山东济南250022；

2016-08-26；编辑：吕光