铜镍水淬冶炼渣制备充填胶凝材料的工艺研究

铜镍水淬冶炼渣制备充填胶凝材料的工艺研究

精炼渣是金属氧化物在精炼过程中产生的废物。在中国，有大量的沉积，导致土地和水环境问题，如铬污染。已有研究表明利用冶炼渣与其他固废协同制备低成本充填胶凝材料，可以促进有色冶炼渣等矿冶固废的资源化利用，同时降低充填采矿成本，具有一定的经济效益和环境效益。孙双月等本文针对某铜镍矿冶炼厂产出的铜镍水淬冶炼渣，以碱激发的思路开展用于制备充填胶凝材料的实验室研究，探索低火山灰活性的有色冶炼渣的充填应用途径。1实验过程1.1实验材料1.1.1化学元素分析本研究中铜镍水淬冶炼渣是新疆某铜镍矿经贫化电炉冶炼排出的废渣，其化学元素分析结果见表1，粒度分布见表2。使用电烘箱对铜镍水淬冶炼渣进行烘干，然后使用球磨机进行粉磨，参考薛杉杉等1.1.2水泥本实验使用水泥为新疆富蕴县屯河水泥厂生产的P.O42.5水泥。1.1.3高炉矿渣的碱度和活性系数本实验使用尾砂为该铜镍矿选矿产生的全尾砂，全尾砂元素分析结果见表4，参照《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046—2008）可计算出冶炼渣的碱度系数、活性系数和质量系数分别为0.2、0.06、0.31，属于低活性的酸性渣，粒度分布如图2所示。1.1.4海岸的平衡本研究使用拌合水为自来水。1.1.5激励剂本研究使用的碱性激发剂主体成分为模数为1的粉末状硅酸钠。1.2试块制作与养护选取冶炼渣细度、冶炼渣掺量和激发剂掺量三个因素，每个因素选取3个水平，各因素和水平信息见表5，选取四因素三水平正交表L以C1～C10为胶凝材料，参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T346—2001），制作水灰比为1∶2的净浆试块，养护28d后在无水乙醇中浸泡1d以终止水化，然后取微观试样45℃低温烘干后进行SEM测试。以C1～C10为胶凝材料，以全尾砂为充填骨料，配制浓度为68%，砂灰比为4.24（此时水泥充填单耗为250kg/m1.3测试测试1.3.1单轴抗压强度试验使用压力机进行单轴抗压强度试验，压力机加载速率设定为0.5kN/s，对所有试块的28d强度进行测试。1.3.2sem测试使用MLA(mineralliberationanalyser）矿物自动分析仪对试样进行微观测试与分析。2结果与分析2.1实验组试块强度图3是全尾砂胶结充填体试块28d单轴抗压强度结果，从图3中结果可以观察到，9组实验组试块强度均低于对照组W10，其中实验组试块较对照组7d强度降低34%～76%,28d强度下降26%～60%，这说明本研究中使用的铜镍冶炼渣火山灰活性较低。2.2冶炼渣掺量对胶凝性能的影响对各组试块28d抗压强度结果进行直观分析，可以得到各因素在不同水平的均值和极差，见表7。根据极差结果可知，在实验中，影响试块强度最显著的因素是冶炼渣掺量。根据各因素均值可得到正交分析效应曲线图，如图4所示。由图4可知：(1)试块强度随冶炼渣粉磨时间的延长呈现出先下降后上升的趋势，说明冶炼渣的最佳粉磨时间为50min;(2)试块强度随冶炼渣掺量升高呈显著下降趋势，说明冶炼渣的胶凝活性低，掺量越高则胶凝材料的胶凝性能越低；(3)试块强度随激发剂掺量升高显著下降的趋势，该趋势说明该激发剂对本研究中冶炼渣无显著激发作用。2.3sem结果分析图5是各组养护历龄期为28d的尾砂胶结试样SEM结果，通过不同放大倍数的照片可以观察到各组试样的微观形貌以及具有典型特征的矿物。通过观察W1、W2、W3和W10四个试样的SEM结果可以发现，各组试样中均出现了六方形薄片状氢氧化钙晶体（CH）、絮状的水合硅酸钙凝胶（CSH）和针状的钙矾石（Aft）矿物。其中，W3试样中的钙矾石量明显多于其他组，说明冶炼渣的掺入引起了钙矾石生成量的增加，这说明虽然该铜镍冶炼渣的活性较低，但是也与水泥发生了生成钙矾石的水化反应，其机理可解释为发生了式（2）和式（3）的反应过程。冶炼渣的水化反应首先是矿渣中活性部分SiO在含有硫酸盐的体系中，铝酸钙可以进一步生成钙矾石，见式（3）。2.4净浆试块的微观形貌图6中显示了净浆试块C3的微观形貌，分析能谱结果可知，图6(a）中选取的矿物主要为CSH凝胶，而通过图6(d）中谱结果中铁元素显著可以证明图6(c）中标记的颗粒为冶炼渣。图7和图8显示了净浆试块C5和试块C6的微观形貌，根据能谱结果同样可以确认图中标记点为冶炼渣颗粒。对比试块C3、试块C5和试块C6三组试块SEM结果可以发现，试块C3中的冶炼渣颗粒表面发生了微弱溶蚀现象，而试块C5和试块C6中的冶炼渣颗粒表面溶蚀现象则相对试块C3更为明显。这个现象说明，冶炼渣的细度对其参与水化反应的程度有非常密切的关系。一般而言，冶炼渣越细，越容易参与反应，即表现为冶炼渣表面的溶蚀现象更为明显。该现象再次说明，本研究中使用的铜镍冶炼渣，虽然火山灰活性较低，但是在一定的粉磨条件下，仍可与P.O42.5水泥发生反应，引起钙矾石生成量的增多。3碱激发铜镍水淬冶炼渣1）该铜镍矿冶炼厂产出的铜镍水淬冶炼渣火山灰活性较低，质量系数仅为0.31，随着粉磨铜镍水淬冶炼渣在水泥中掺量的升高，充填体试块强度逐渐降低。2）实验室配制的碱激发剂对该铜镍水淬冶炼渣激发作用不明显。3）利用碱激发铜镍水淬冶炼渣