CN115093242A

CN115093242A - 一种高强铜尾矿陶粒及其制备方法

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Publication number: CN115093242A
Application number: CN202210775573.6A
Authority: CN
Inventors: 陈松靖; 张祎斐; 蒙国励; 甘方怡; 陈金萍; 陆丽虹; 吴珺离; 韦春意
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-07-01
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2022-09-23

Abstract

本发明涉及一种高强铜尾矿陶粒及其制备方法，其中，制备陶粒的原材料配比为：铜尾矿90%~100%，粉煤灰0%~10%；制作工艺流程为：将铜尾矿原料晒干，进行筛分，然后烘干至恒重，再按照配合比对铜尾矿和粉煤灰称量，将干料混合均匀后，加入水搅拌均匀，然后手工搓球造粒，再放入烘箱中烘干24h，之后放入高温电炉中，经过预热，焙烧，冷却，制得铜尾矿陶粒，其堆积密度，表观密度，空隙率，吸水率，筒压强度都满足GBT 174311‑2010《轻集料及其试验方法》要求。本发明的制备方法降低了陶粒制备原料的选择标准，烧制出的陶粒的堆积密度、筒压强度等远远超出轻集料标准，能够作为粗骨料制备混凝土。

Description

一种高强铜尾矿陶粒及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料和矿产资源综合利用领域，具体为一种高强铜尾矿陶粒及其制备方法。

背景技术

矿产在经过一系列选别作业处理后，有用金属被提取，再经过中和处理，矿石的次要成分或其它伴生金属也得到回收后剩余的含有用成分很低的这部分产物成为了尾矿。尾矿只有很少一部分会作为填充料被利用，大多数还是堆积储存，利用率极低，我国2015年到2020年尾矿堆积量逐年增多，在2020年达到了 222万吨。堆积起来的尾矿占用了大量的土地，尾矿废物经常含有砷，锌，镉，氰化物等多种有害物质，原有的水资源，动植物，土壤等生态环境和生物都会受到伤害，而且铜尾矿随着风吹飘扬，会对附近的居民生活造成极大的危害，严重的会造成泥石流，矿山溃坝等安全事故。大量的资源开采消耗，产生了关于有效处置，循环利用的问题。

陶粒作为一种新型的人造轻集料，凭借着密度小，强度高，孔隙率低，热导率低，内部多孔等特点。在建筑材料，隔热耐火材料，化工石油，净化水质等多个领域都有使用。在建筑材料方面主要用于保温轻骨料混凝土，结构保温轻骨料混凝土，结构轻骨料混凝土，陶粒混凝土砌块和墙板。现阶段我国高强陶粒的发展迅速，国内的武汉证券大厦64层至68层楼板，珠海国际会议中心，天津永定新河大桥引桥都使用了陶粒作为轻骨料来制作混凝土。国内对陶粒的研究和使用与外国相比还有差距，国外的横滨亮马大厦七层以上楼板、Monbegawa 桥、Hahawa桥、Ogatayama桥都使用高强陶粒制作混凝土用作承重构件。

目前陶粒的研究结果更多的还是停留在轻质的特点，高强陶粒的性能一直没有达到理想要求，以后的研究要更加注重高强，使陶粒能够运用到更多承重结构的方面。

公开号为CN102344296A的中国发明专利申请公开了“一种铜尾矿粉陶粒的制造方法”，以铜尾矿、粉煤灰、煤粉制备陶粒，在烧结过程中，烧结温度都在1250℃以上，最高还达到了1450℃，温度过高，烧结时间长，能耗过大，不利于日常生产，不是一种理想的铜尾矿综合利用的方法。

公开号为CN109437629A的中国发明专利申请公开的“一种复合废弃尾矿多孔材料及其制备方法”以废弃铜尾矿、废弃铁尾矿、碳酸氢钠、水玻璃、玉米淀粉和活性碳粉为原料制备陶粒，公开号为CN104909796A的中国发明专利申请公开的“一种用于高速公路绿化的粘土陶粒”以粘土、铜尾矿、粉煤灰、纸浆废液、砂食盐、白云石、钠长石、稻壳、蔗糖杆、秸秆灰、乙二酸、有机溶液、分散剂和粘结剂制备陶粒，这两种制备方法都是所需的原材料过多，配合比设计麻烦，不够简便，并且吸水率过高，强度无法保证。

上述各专利申请使用的主料中硅和铝的含量都非常高，在选择制陶粒原料时，现在都要求原料中SiO₂和Al₂O₃的总量达到60％～70％，这样限制了大量废弃物制陶粒的选择，此方面需要进一步研究调整，使更多的废弃物可以烧制出性能较好的陶粒，进而使废弃物更好的综合利用。

发明内容

本发明目的在于，提供一种解决铜尾矿大量堆积难以消化问题的方案；以简单的原材料组成，并且在原材料化学成分不满足传统烧胀陶粒要求的前提下，依然通过掺入配料调节配合比和铝硅比，调整烧结温度和时间，烧制出性能较好的高强铜尾矿陶粒；并且陶粒的强度良好，能够作为粗骨料替代碎石制备混凝土。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种高强铜尾矿陶粒的制备方法，包括以下原材料配合比和陶粒生产工艺流程。

按总重量百分比计量，所述原材料配合比是200目铜尾矿(90％～100％)和325目粉煤灰(0％～10％)，此配比根据铝硅比调节粉煤灰的含量设计，铝硅比为(0.619～0.474)。

所述铜尾矿原料，其主要化学成分组成：SiO₂(22.9％～23.4％)，Al₂O₃(5.1％～6.0％)， Fe₂O₃(26.2％～27.3％)，CaO(24.0％～25.3％)，MgO(6.0％～6.3％)；

所述铜尾矿比表面积为162.5m²/kg。

所述粉煤灰原料，其主要化学成分组成：SiO₂(52.3％～52.6％)，Al₂O₃(31.2％～31.5％)， Fe₂O₃(5.3％～5.5％)，CaO(3.7％～3.8％)，MgO(0.8％～0.9％)；

所述粉煤灰原料325目，比表面积为319.8m²/kg。

所述高强铜尾矿陶粒的制备方法，包括以下步骤：

(1)铜尾矿原料预处理

将铜尾矿原料自然晒干，过200目筛，然后在108℃烘箱中烘干至恒重，得到200目铜尾矿生料；

(2)造粒成球

将步骤(1)中所得200目铜尾矿生料和325目粉煤灰按照重量比为(9～10):(0～1)的配比称量后混合均匀，然后加入材料总重量(即铜尾矿生料与粉煤灰重量之和)30％的水搅拌均匀，搓球造粒，制成直径在10mm左右的生料球，放入108℃烘箱中烘干24h；

(3)高温电炉焙烧

将步骤(2)中所得生料球放入高温电炉中，以5℃/min的升温速率，升温到350℃预热 35min，继续升温至1197～1200℃烧结3～5min，之后以5℃/min的降温速率冷却至室温，制得高强铜尾矿陶粒。

其中，步骤(2)中，所述200目铜尾矿生料和325目粉煤灰的重量百分比之和为100％，且粉煤灰的重量百分比大于零；优选地铜尾矿的重量百分比为90～95％，粉煤灰的重量百分比为5～10％

优选地，步骤(2)中，所述200目铜尾矿生料和325目粉煤灰的重量比为9:1。

优选地，步骤(2)中，搓球造粒的方式为手工搓球造粒或造粒机造粒，制成直径为10mm 左右的生料球。

本发明还提供一种通过上述制备方法制得的陶粒，所述陶粒的直径为9～11mm，陶粒的筒压强度达到21MPa；所述陶粒能够作为粗骨料用于制作混凝土。

本发明的实质性特点为：

以废弃铜尾矿和粉煤灰作为原料，按照设计配合比加工，制成高抗压强度，可作为粗骨料制备混凝土的铜尾矿陶粒，其特点为：两种原料都是废弃物，废物利用，保护环境；铜尾矿原料中SiO₂和Al₂O₃含量都很低，不符合烧胀陶粒化学元素要求，但依然烧制成功，打破了选择陶粒原料时对化学元素要求的限制；烧制出的陶粒筒压强度可以达到21MPa，颗粒强度可以达到30MPa，是一种高强度的铜尾矿陶粒。试验结果表明，本工艺所生产出来的高强陶粒各性能要求都满足GBT 174311-2010《轻集料及其试验方法》要求，筒压强度远远超过标准，可以作为粗骨料替代碎石制作混凝土。

本发明的有益效果为：

(1)采用铜尾矿和粉煤灰作为原料，属于废物利用，一方面保护环境，一方面大幅度降低成本；

(2)本发明中使用的铜尾矿原料SiO₂和Al₂O₃含量都很低，不同于以往选择陶粒原料的标准，但是通过添加粉煤灰进行调节铝硅比，调整烧结温度和时间，烧制出性能较好的高强陶粒，说明成功烧制陶粒不需要束缚于化学元素范围的限制；本发明的制备方法降低了陶粒制备原料的选择标准，可以使更多废弃物用以制作陶粒，提供了解决废弃物难以消化利用问题的方案；

(3)根据试验测试结果，本发明制备方法烧制出的陶粒筒压强度可以达到21MPa，颗粒强度可以达到30MPa，远远超出轻集料标准，可以很好的作为粗骨料制备混凝土。

附图说明

图1为本发明的高强铜尾矿陶粒制备工艺流程图。

图2为本发明实施例1中的制备过程的具体温度规划图。

图3为本发明实施例1中烧制成功的陶粒外表面100倍SEM微观图像。

图4为本发明实施例1中烧制成功的陶粒内部10000倍SEM微观图。

图5为本发明对比例1中采用各配比制得的铜尾矿陶粒的成品图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

本发明提供一种高强铜尾矿陶粒的制备方法，按重量百分比计量，该制备方法所需的原材料组成包括：铜尾矿90％～100％(例如91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、 99％)，粉煤灰0％～10％(例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％)。

所述铜尾矿的主要化学组成为：SiO₂(22.9％～23.4％)，Al₂O₃(5.1％～6.0％)，Fe₂O₃ (26.2％～27.3％)，CaO(24.0％～25.3％)，MgO(6.0％～6.3％)；

所述铜尾矿比表面积为162.5m²/kg。

所述粉煤灰的主要化学成分组成为：SiO₂(52.3％～52.6％)，Al₂O₃(31.2％～31.5％)，Fe₂O₃ (5.3％～5.5％)，CaO(3.7％～3.8％)，MgO(0.8％～0.9％)；

所述粉煤灰原料为325目粒径，比表面积为319.8m²/kg。

实施例1

本实施例的高强铜尾矿陶粒的制备方法，包括以下步骤：

(1)铜尾矿原料预处理

将铜尾矿原料自然晒干，过200目筛，然后在108℃烘箱中烘干至恒重，得到铜尾矿生料；

(2)造粒成球

将步骤(1)中所得铜尾矿生料和325目粉煤灰按照重量比为9:1的配比称量后混合均匀，然后加入材料总重量30％的水搅拌均匀，手工搓球造粒，生料球直径在10mm左右，可以搓的陶粒120颗左右，随后放入108℃烘箱中烘干24h；

(3)高温电炉焙烧

将步骤(2)中所得生料球放入高温电炉中，以5℃/min的升温速率，升温到350℃预热 35min，继续升温至1197℃烧结5min，之后以5℃/min的降温速率冷却至室温，制得高强铜尾矿陶粒，陶粒整体制备工艺流程如图1所示，制备温度规划图如图2所示。

按照GB/T 17431.2-2010《轻集料及试验方法第2部分：轻集料试验方法》对制得的陶粒进行性能测试，并且把测试结果对照GB/T 17431.1-2010《轻集料及试验方法第1部分：轻集料》的标准和碎石，测试结果如表1所示。对烧制出的高强铜尾矿陶粒的外表面和内部进行 SEM微观实验，测验结果如图3和图4所示。

表1本发明实施例1铜尾矿陶粒和碎石与性能指标对比

种类	吸水率/％	堆积密度/kg/m<sup>3</sup>	筒压强度/MPa	压碎力/N	粒径/mm
						性能指标	≤10	>1100，≤1200	≥8.0	无	5～25
铜尾矿陶粒	1.4	1197	21.8	4551	10
						碎石	0.3	1603	11.4	4945	5～25

由表1可知，陶粒的各项性能都能满足标准，筒压强度达到21.8MPa，远远超过性能指标，由万能压力机径向压碎力达到4551N，虽然此性能指标没有要求，但是与碎石相比差距不大，完全可以替代碎石作为粗骨料制备混凝土，并且铜尾矿堆积密度小于碎石，比碎石要更轻，在使用该铜尾矿陶粒制备混凝土时自重更低，对结构的静荷载增加少，能增加结构的耐久性。

由图3和图4可知，高强铜尾矿陶粒外表面孔洞较少，降低了吸水率，保证了具有较高的抗压强度；内部莫来石与液相溶解重叠，形成板状晶体，板状物质相互穿插堆叠，紧密排放。产生的液相把各种矿物牢牢地结合在一起，形成结构紧密的集合体，孔洞数量减少，在保证吸水率达到标准的情况下，极大增加了陶粒的颗粒强度。

实施例2

如图1所示，本实施例的高强铜尾矿陶粒的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)铜尾矿原料预处理

(2)造粒成球

将步骤(1)中所得铜尾矿生料和325目粉煤灰按照重量比为9.5:0.5的配比称量后混合均匀，然后加入材料总重量30％的水搅拌均匀，手工搓球造粒，生料球直径在10mm左右，可以搓的陶粒120颗左右，随后放入108℃烘箱中烘干24h；

(3)高温电炉焙烧

将步骤(2)中所得生料球放入高温电炉中，以5℃/min的升温速率，升温到350℃预热 35min，继续升温至1200℃烧结3min，之后以5℃/min的降温速率冷却至室温，制得高强铜尾矿陶粒。

本实施例制得的铜尾矿陶粒的各项相关性能略弱于实施例1的成品性能，但同样满足标准，具有较高的抗压强度。

对比例1

在实施例1的基础上，改变步骤(2)中铜尾矿生料和粉煤灰的重量比，进行了三组对比试验，三组对比试验中铜尾矿生料和粉煤灰的重量比分别为7:3，8:2和10:0；制得的铜尾矿陶粒成品图如图5所示。

按照GB/T 17431.2-2010《轻集料及试验方法第2部分：轻集料试验方法》对三组对比试验中制得的陶粒进行了相关性能测试，测试结果如表2所示。

表2各配比铜尾矿陶粒性能指标对比

配比	吸水率/％	堆积密度/kg/m<sup>3</sup>	筒压强度/MPa	压碎力/N	粒径/mm
						7：3	0.5	1320	4.8	370	13
8：2	0.6	1270	5.2	410	12
						9：1	1.4	1197	21.8	4551	10
10：0	0.3	988	6.0	1577	11

由表2和图2可以看出，本发明的制备方法采用的原料配比为最优选择，能够制备出符合标准的高强度铜尾矿陶粒，实现废弃物的再利用。

综上所述，本发明的制备方法采用铝硅比较低的原材料成功制备出较高强度的铜尾矿陶粒，采用的原材料均为难以再利用的废弃物，其中铜尾矿原料掺入占比达90％以上，能够使更多废弃物得以利用，极大地减轻了尾矿堆积压力，有利于资源的循环利用以及环境的改善。且该方法原材料少，制备难度低，能够降低生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强铜尾矿陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)铜尾矿原料预处理，将铜尾矿原料自然晒干，过200目筛，然后在108℃烘箱中烘干至恒重，得到200目铜尾矿生料；

(2)造粒成球，将步骤(1)中所得200目铜尾矿生料和325目粉煤灰按照重量比为(9～10):(0～1)的配比称量后混合均匀，然后加入材料总重量30％的水搅拌均匀，搓球造粒，制成直径为9～11mm的生料球，并放入108℃烘箱中烘干24h；

(3)高温电炉焙烧，将步骤(2)中所得生料球放入高温电炉中，以5℃/min的升温速率，升温到350℃预热35min，继续升温至1197～1200℃烧结3～5min，之后以5℃/min的降温速率冷却至室温，制得高强铜尾矿陶粒。

2.根据权利要求1所述的高强铜尾矿陶粒的制备方法，其特征在于，按总重量百分比计量，制备高强铜尾矿陶粒的原料组成包括：铜尾矿90～95％，粉煤灰5～10％。

3.根据权利要求1所述的高强铜尾矿陶粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述200目铜尾矿生料和325目粉煤灰的重量比为9:1。

4.根据权利要求1所述的高强铜尾矿陶粒的制备方法，其特征在于，所述铜尾矿原料的主要化学成分组成为：SiO₂(22.9％～23.4％)，Al₂O₃(5.1％～6.0％)，Fe₂O₃(26.2％～27.3％)，CaO(24.0％～25.3％)，MgO(6.0％～6.3％)；所述铜尾矿原料的比表面积为162.5m²/kg。

5.根据权利要求1所述的高强铜尾矿陶粒的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰原料的主要化学成分组成为：SiO₂(52.3％～52.6％)，Al₂O₃(31.2％～31.5％)，Fe₂O₃(5.3％～5.5％)，CaO(3.7％～3.8％)，MgO(0.8％～0.9％)；所述粉煤灰原料的比表面积为319.8m²/kg。

6.一种根据权利要求1～5中任意一项权利要求所述制备方法制得的陶粒，其特征在于，所述陶粒的直径为9～11mm，陶粒的筒压强度达到21MPa。