尹洪峰 何廷树 任耘 谢建宏
西安建筑科技大学材料科学与工程学院
摘 要 我国选矿尾矿年排放量已达6亿吨，但其资源利用率仅有7%左右，而尾矿的性质与建材的要求非常相近，因此，利用尾矿生产建筑材料是污染减量直至实现零排放的最有效途径。论文对梅山铁矿尾矿进行了制备免烧砖及烧成砖的研究，具有重要的指导意义和实用价值。 关键词 固体废物 尾矿制砖
我国的矿石储量和开采量都很大，但因矿石的品位普遍较低，特别是开采量最大的铁矿石，95%以上是贫矿，需经过加工后才能进入高炉，所以产生了大量铁矿尾矿。我国铁矿尾矿具有数量大、粒度小、类型繁多、性质复杂的特点。目前，我国堆存铁矿尾矿达几十亿吨，占金属矿山尾矿堆存总量的近1/3。排弃的大量尾矿，占用了大量土地、污染了环境、浪费了大量宝贵资源，同时花费了大量尾矿库建设资金。因此，针对尾矿进行开发应用研究，充分利用这一资源具有非常重要的意义。 尾矿的综合利用原则应立足于能大量消耗尾矿、利用较彻底、产品销路广、能耗低和生产工艺简单。根据铁矿尾矿的理化性质，利用铁矿尾矿制造各种建筑用砖就是大量利用尾矿的一种有效途径。1 梅山铁矿尾矿的理化性能 梅山铁矿尾矿理化性能见表1~表4。
表1 尾矿样品的化学组成（%）
样 品
FeO
Fe2O3
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
TiO2
K2O
Na2O
S
P
C
烧失
重选矿
7.58
13.32
34.12
11.20
9.94
2.40
0.38
1.75
0.16
0.978
0.457
3.37
15.65
降磷矿
13.77
18.81
22.18
3.24
12.76
2.89
0.17
0.49
0.15
0.964
1.34
4.85
17.81
综合矿
12.08
15.60
25.89
6.90
12.46
3.76
0.25
1.02
0.15
0.962
0.957
4.34
17.12
表2 尾矿样品的矿物组成（%）
样 品
菱铁矿
赤铁矿
磁铁矿
黄铁矿
碳酸盐
磷灰石
石 英
透辉石
绿泥石
粘 土
其 它
重选矿
14.0
7.0
3.4
1.7
11.3
2.5
16.5
7.4
17.1
15.5
3.6
降磷矿
27.6
16.6
0.2
1.8
10.2
7.3
16.0
4.0
10.4
3.1
2.8
综合矿
22.8
12.4
1.4
1.8
10.6
5.2
16.2
5.1
12.8
8.8
2.9
表3 尾矿样品的物理性质
样 品
比重(g/cm3)
容重(g/cm3)
比表面积(m2/g)
重选矿
2.87
1.21
15.81
降磷矿
3.13
1.27
7.07
综合矿
3.01
1.17
10.44
表4 尾矿样品的粒度组成（%）
样 品
>0.1mm
0.075~0.1mm
<0.075mm
重选矿
7.36
5.53
87.11
降磷矿
29.71
3.22
67.07
综合矿
21.88
3.67
74.45[next]
由上面数据可见，梅山尾矿含铁量较高，氧化硅和氧化铝总和与其它尾矿相比偏低，同时含有较高的氧化钙和氧化镁。这样一个特点决定了该尾矿用于制备蒸养砖氧化硅含量偏低，而制备烧成砖，由于建筑用砖的烧成温度比较接近尾矿中碳酸盐（铁白云石和方解石）分解温度，为此可能存在氧化钙和氧化镁对烧成砖抗石灰爆裂性的影响。另外，尾矿与一般建筑用粘土相比密度偏高，尾矿粒度较细对成型会有一定影响。由于尾矿中含有一定量的粘土，所以具有较好的可塑性和结合性。带着这些利与弊，我们进行了蒸氧制砖和烧成制砖的研究。2 制砖结果与分析2.2.1 免烧砖的制备与实验结果 免烧砖制备工艺如下： 尾矿细化→配料（尾矿+粉煤灰+水泥）→混练（粉料+水+高效减水剂+激发剂）→压制成型→室温自然养护24小时→80℃蒸养8小时→成品→检验。 实验结果见表5。
表5 水泥含量对免烧砖强度的影响
编 号
粉煤灰加入量（%）
水泥加入量（%）
抗压强度(MPa)
颜色
M1
10
3
3.1
淡红
M2
10
6
7.4
淡红
M3
10
10
10.2
淡红
由上表可见，当水泥含量达到10%时，抗压强度可达到MU10建筑用砖的强度要求。2.2.2 烧成砖的制备与实验结果 研究了配料组成、成型压力和烧成温度对烧成制品性能的影响。配料组成见表6。实验结果见表7、表8。由上面结果可见当尾矿利用率在80%以上时即可制得烧成品强度满足建筑用砖在MU10以上标号的强度要求。但尾矿烧成品体积密度、气孔率和吸水率高于普通建筑粘土烧结砖。随着烧成温度的提高，烧成品的抗压强度提高。在1150℃可以制得强度高于MU30强度指标的烧成品，1100℃可以制得强度高于MU25强度指标的烧成品，1000℃可以制得强度高于MU15强度指标的烧成品。通过调整烧成温度和成型压力可以达到调节烧成品强度的目的，并且同时调整烧成温度和成型压力对烧成品强度的影响更大，见表8。
表6 烧成砖的配料组成（%）
编号
尾 矿
粘 土
S1
100
0
S2
95
5
S3
80
20
表7 配料组成和烧成温度对烧成制品性能的影响
编 号
烧成温度(℃)
体积密度(g/cm3)
气孔率(%)
吸水率（%）
抗压强度(MPa)
颜色
S11
1000
1.92
44.6
21.3
16.4
朱红
S21
1000
1.94
44.3
20.2
17.8
朱红
S31
1000
1.90
43.9
19.9
19.1
朱红
S12
1100
1.96
44.3
21.4
28.0
淡红
S22
1100
1.96
39.8
22.1
26.4
淡红
S32
1100
1.94
38.7
19.4
29.8
淡红
S13
1150
2.01
39.4
19.6
42.1
棕红
S23
1150
1.99
38.9
19.5
44.5
棕红
S33
1150
1.95
36.7
19.2
26.5
棕红
注：成型压力61.4 MPa。[next]
表8 成型压力对烧成品性能的影响
编 号
烧成温度(℃)
成型压力(MPa)
体积密度(g/cm3)
吸水率（%）
抗压强度(MPa)
颜色
S22
1100
32.3
1.90
22.1
15.8
淡红
S32
1100
32.3
1.84
21.1
18.1
淡红
S24
1100
61.4
1.96
21.4
26.4
淡红
S34
1100
61.4
1.94
19.4
29.8
淡红
S23
1150
61.4
1.99
19.5
44.5
棕红
S33
1150
61.4
1.95
19.2
26.5
棕红
S3组配料烧成品强度随烧成温度的变化与其它两组不同，其它两组强度随烧成温度的提高而提高；而S3当烧成温度高大1150℃时强度有所降低，这是由于在该温度下，烧成品出现较长的裂纹，影响抗压强度，开裂原因有待进一步研究。 由于梅山地处江苏省，属非严重风化区；同时由于该地区平均气温较高，最低温度很少低于零下10度，为此可以不进行冷冻试验检验。 由于原料中含有较高的方解石和铁白云石，在低于烧成温度已发生分解，游离氧化钙和氧化镁可能对烧成品的抗石灰爆裂性能产生影响。为此对烧成品进行X-射线衍射分析，结果见图1和图2。由图可见在1000℃已没有方解石和铁白云石，说明已发生分解，同时未见方镁石。氧化镁和氧化钙与氧化硅发生反应生成透辉石。1000℃烧成品两个星期浸泡试验，试样没有任何变化。因此不论从物相组成还是浸泡实验，均说明烧成品抗石灰爆裂性能良好。
[next]
图1 梅山铁矿尾矿衍射图
图2 1000℃烧成制品衍射图
3 结论 利用梅山铁矿尾矿进行了制备免烧砖和烧成砖的研究，研究了配料组成、成型压力以及烧成温度对制品性能的影响，结论如下：（1）利用尾矿借助于蒸养可以得到强度满足MU10强度指标的免烧砖；（2）烧成制品尾矿利用率大于80%；（3）通过调整烧成温度、成型压力和组成可以得到符合烧结砖系列标号强度指标的烧成品；（4）1000~1150℃随烧成温度的变化烧成品的颜色有朱红到淡红到棕红；（5）由于在烧成时生成透辉石，氧化钙和氧化镁不会对烧成制品的抗石灰爆裂性造成不利影响。（6）烧成制品的体积密度、气孔率和吸水率与粘土烧结砖相比偏高。
西安建筑科技大学材料科学与工程学院
摘 要 我国选矿尾矿年排放量已达6亿吨，但其资源利用率仅有7%左右，而尾矿的性质与建材的要求非常相近，因此，利用尾矿生产建筑材料是污染减量直至实现零排放的最有效途径。论文对梅山铁矿尾矿进行了制备免烧砖及烧成砖的研究，具有重要的指导意义和实用价值。 关键词 固体废物 尾矿制砖
我国的矿石储量和开采量都很大，但因矿石的品位普遍较低，特别是开采量最大的铁矿石，95%以上是贫矿，需经过加工后才能进入高炉，所以产生了大量铁矿尾矿。我国铁矿尾矿具有数量大、粒度小、类型繁多、性质复杂的特点。目前，我国堆存铁矿尾矿达几十亿吨，占金属矿山尾矿堆存总量的近1/3。排弃的大量尾矿，占用了大量土地、污染了环境、浪费了大量宝贵资源，同时花费了大量尾矿库建设资金。因此，针对尾矿进行开发应用研究，充分利用这一资源具有非常重要的意义。 尾矿的综合利用原则应立足于能大量消耗尾矿、利用较彻底、产品销路广、能耗低和生产工艺简单。根据铁矿尾矿的理化性质，利用铁矿尾矿制造各种建筑用砖就是大量利用尾矿的一种有效途径。1 梅山铁矿尾矿的理化性能 梅山铁矿尾矿理化性能见表1~表4。
表1 尾矿样品的化学组成（%）
样 品
FeO
Fe2O3
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
TiO2
K2O
Na2O
S
P
C
烧失
重选矿
7.58
13.32
34.12
11.20
9.94
2.40
0.38
1.75
0.16
0.978
0.457
3.37
15.65
降磷矿
13.77
18.81
22.18
3.24
12.76
2.89
0.17
0.49
0.15
0.964
1.34
4.85
17.81
综合矿
12.08
15.60
25.89
6.90
12.46
3.76
0.25
1.02
0.15
0.962
0.957
4.34
17.12
表2 尾矿样品的矿物组成（%）
样 品
菱铁矿
赤铁矿
磁铁矿
黄铁矿
碳酸盐
磷灰石
石 英
透辉石
绿泥石
粘 土
其 它
重选矿
14.0
7.0
3.4
1.7
11.3
2.5
16.5
7.4
17.1
15.5
3.6
降磷矿
27.6
16.6
0.2
1.8
10.2
7.3
16.0
4.0
10.4
3.1
2.8
综合矿
22.8
12.4
1.4
1.8
10.6
5.2
16.2
5.1
12.8
8.8
2.9
表3 尾矿样品的物理性质
样 品
比重(g/cm3)
容重(g/cm3)
比表面积(m2/g)
重选矿
2.87
1.21
15.81
降磷矿
3.13
1.27
7.07
综合矿
3.01
1.17
10.44
表4 尾矿样品的粒度组成（%）
样 品
>0.1mm
0.075~0.1mm
<0.075mm
重选矿
7.36
5.53
87.11
降磷矿
29.71
3.22
67.07
综合矿
21.88
3.67
74.45[next]
由上面数据可见，梅山尾矿含铁量较高，氧化硅和氧化铝总和与其它尾矿相比偏低，同时含有较高的氧化钙和氧化镁。这样一个特点决定了该尾矿用于制备蒸养砖氧化硅含量偏低，而制备烧成砖，由于建筑用砖的烧成温度比较接近尾矿中碳酸盐（铁白云石和方解石）分解温度，为此可能存在氧化钙和氧化镁对烧成砖抗石灰爆裂性的影响。另外，尾矿与一般建筑用粘土相比密度偏高，尾矿粒度较细对成型会有一定影响。由于尾矿中含有一定量的粘土，所以具有较好的可塑性和结合性。带着这些利与弊，我们进行了蒸氧制砖和烧成制砖的研究。2 制砖结果与分析2.2.1 免烧砖的制备与实验结果 免烧砖制备工艺如下： 尾矿细化→配料（尾矿+粉煤灰+水泥）→混练（粉料+水+高效减水剂+激发剂）→压制成型→室温自然养护24小时→80℃蒸养8小时→成品→检验。 实验结果见表5。
表5 水泥含量对免烧砖强度的影响
编 号
粉煤灰加入量（%）
水泥加入量（%）
抗压强度(MPa)
颜色
M1
10
3
3.1
淡红
M2
10
6
7.4
淡红
M3
10
10
10.2
淡红
由上表可见，当水泥含量达到10%时，抗压强度可达到MU10建筑用砖的强度要求。2.2.2 烧成砖的制备与实验结果 研究了配料组成、成型压力和烧成温度对烧成制品性能的影响。配料组成见表6。实验结果见表7、表8。由上面结果可见当尾矿利用率在80%以上时即可制得烧成品强度满足建筑用砖在MU10以上标号的强度要求。但尾矿烧成品体积密度、气孔率和吸水率高于普通建筑粘土烧结砖。随着烧成温度的提高，烧成品的抗压强度提高。在1150℃可以制得强度高于MU30强度指标的烧成品，1100℃可以制得强度高于MU25强度指标的烧成品，1000℃可以制得强度高于MU15强度指标的烧成品。通过调整烧成温度和成型压力可以达到调节烧成品强度的目的，并且同时调整烧成温度和成型压力对烧成品强度的影响更大，见表8。
表6 烧成砖的配料组成（%）
编号
尾 矿
粘 土
S1
100
0
S2
95
5
S3
80
20
表7 配料组成和烧成温度对烧成制品性能的影响
编 号
烧成温度(℃)
体积密度(g/cm3)
气孔率(%)
吸水率（%）
抗压强度(MPa)
颜色
S11
1000
1.92
44.6
21.3
16.4
朱红
S21
1000
1.94
44.3
20.2
17.8
朱红
S31
1000
1.90
43.9
19.9
19.1
朱红
S12
1100
1.96
44.3
21.4
28.0
淡红
S22
1100
1.96
39.8
22.1
26.4
淡红
S32
1100
1.94
38.7
19.4
29.8
淡红
S13
1150
2.01
39.4
19.6
42.1
棕红
S23
1150
1.99
38.9
19.5
44.5
棕红
S33
1150
1.95
36.7
19.2
26.5
棕红
注：成型压力61.4 MPa。[next]
表8 成型压力对烧成品性能的影响
编 号
烧成温度(℃)
成型压力(MPa)
体积密度(g/cm3)
吸水率（%）
抗压强度(MPa)
颜色
S22
1100
32.3
1.90
22.1
15.8
淡红
S32
1100
32.3
1.84
21.1
18.1
淡红
S24
1100
61.4
1.96
21.4
26.4
淡红
S34
1100
61.4
1.94
19.4
29.8
淡红
S23
1150
61.4
1.99
19.5
44.5
棕红
S33
1150
61.4
1.95
19.2
26.5
棕红
S3组配料烧成品强度随烧成温度的变化与其它两组不同，其它两组强度随烧成温度的提高而提高；而S3当烧成温度高大1150℃时强度有所降低，这是由于在该温度下，烧成品出现较长的裂纹，影响抗压强度，开裂原因有待进一步研究。 由于梅山地处江苏省，属非严重风化区；同时由于该地区平均气温较高，最低温度很少低于零下10度，为此可以不进行冷冻试验检验。 由于原料中含有较高的方解石和铁白云石，在低于烧成温度已发生分解，游离氧化钙和氧化镁可能对烧成品的抗石灰爆裂性能产生影响。为此对烧成品进行X-射线衍射分析，结果见图1和图2。由图可见在1000℃已没有方解石和铁白云石，说明已发生分解，同时未见方镁石。氧化镁和氧化钙与氧化硅发生反应生成透辉石。1000℃烧成品两个星期浸泡试验，试样没有任何变化。因此不论从物相组成还是浸泡实验，均说明烧成品抗石灰爆裂性能良好。
[next]
图1 梅山铁矿尾矿衍射图
图2 1000℃烧成制品衍射图
3 结论 利用梅山铁矿尾矿进行了制备免烧砖和烧成砖的研究，研究了配料组成、成型压力以及烧成温度对制品性能的影响，结论如下：（1）利用尾矿借助于蒸养可以得到强度满足MU10强度指标的免烧砖；（2）烧成制品尾矿利用率大于80%；（3）通过调整烧成温度、成型压力和组成可以得到符合烧结砖系列标号强度指标的烧成品；（4）1000~1150℃随烧成温度的变化烧成品的颜色有朱红到淡红到棕红；（5）由于在烧成时生成透辉石，氧化钙和氧化镁不会对烧成制品的抗石灰爆裂性造成不利影响。（6）烧成制品的体积密度、气孔率和吸水率与粘土烧结砖相比偏高。
