摘要：為探索秦嶺金礦四范溝尾礦綜合利用方法，以工藝礦物學(xué)特征為基礎(chǔ)，分別進(jìn)行制備燒結(jié)磚和免蒸免燒磚試驗(yàn)。結(jié)果表明：該尾礦礦物組成及粒度適宜制磚；制備燒結(jié)磚最佳試驗(yàn)條件為膨潤土添加量15 %，成型水分7 %，成型壓力15 MPa，升溫速率10 ℃/min，燒成溫度1 050 ℃，保溫時(shí)間2 h，獲得的燒結(jié)磚達(dá)到MU25級(jí)別，可在嚴(yán)重風(fēng)化地區(qū)使用；免蒸免燒磚最佳試驗(yàn)條件為成型壓力25 MPa，成型水分18 %，水泥配比20 %，且各因素對試樣抗壓強(qiáng)度影響程度依次為水泥配比gt;成型壓力gt;成型水分。研究結(jié)果為秦嶺金礦四范溝尾礦制磚及綜合利用提供了依據(jù)與參考。

關(guān)鍵詞：黃金尾礦；工藝礦物學(xué)；燒結(jié)磚；免蒸免燒磚；綜合利用

中圖分類號(hào)：TD926.4 文章編號(hào)：1001-1277（2024）03-0085-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240317

引 言

黃金尾礦是金礦石選冶中提取有價(jià)目標(biāo)組分后排出的廢渣［1］。由于黃金行業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量黃金尾礦，截至2021年底，中國黃金礦山尾礦量已達(dá)15億t以上，但綜合利用率卻不足20 %［1-3］。黃金尾礦堆存至尾礦庫，不僅帶來了嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問題，而且還對周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的安全隱患［4-7］。

從尾礦中綜合回收有價(jià)成分是重要綜合利用手段，但僅適用于部分尾礦［3］，大宗尾礦更適合用作建筑原料，但要看尾礦的成分和粒度［3-4］。從化學(xué)成分上看，黃金尾礦主要含有SiO2；從礦物組成上看，黃金尾礦主要組分為石英、長石、云母和殘余金屬礦物等［8］。目前，由于采選技術(shù)成熟，尾礦中有價(jià)元素含量少，經(jīng)濟(jì)價(jià)值低，且無法大規(guī)模利用［9-11］。大部分黃金尾礦含有80 %以上的硅鋁氧化物成分，其組成與許多工業(yè)建筑材料相似，可用作建筑原料［12-15］，且國內(nèi)外已有許多以黃金尾礦為原料制磚的實(shí)例［12-14］。本文以秦嶺金礦四范溝尾礦為原料，在充分研究其工藝礦物學(xué)特征基礎(chǔ)上，探索其作為建材利用的可能性。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)計(jì)了燒結(jié)磚和免蒸免燒磚制備試驗(yàn)，研究尾礦制磚工藝方法和適宜試驗(yàn)條件，期望為尾礦制磚及綜合利用提供理論依據(jù)和參考。

1 工藝礦物學(xué)特征

尾礦樣品采集于秦嶺金礦四范溝尾礦庫，沿尾礦庫中心線（與尾礦壩垂直），從尾礦壩位置到尾礦庫回水溢流口位置布設(shè)9個(gè)點(diǎn)，采集0～80 cm深的尾礦混合成一個(gè)尾礦樣品，且盡量覆蓋尾礦庫中的粗砂、中砂和細(xì)泥。

1.1 化學(xué)成分分析

對尾礦樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

由表1可知：該尾礦具有典型硅鋁酸鹽特征，屬于多金屬硅鋁酸鹽。尾礦中的主要金屬成分含量均未達(dá)到工業(yè)品位，不適宜提取有價(jià)金屬組分。

1.2 礦物組成

對尾礦樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見表2。

由表2可知：該尾礦主要組分為云母、石英和長石（包括斜長石和鉀長石），這些長英質(zhì)礦物相對含量為88 %。一般來說，熱動(dòng)力條件在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，長英質(zhì)礦物更能保持穩(wěn)定，抗風(fēng)化性能強(qiáng)，尤其是石英［15］，這使得其作為建材利用成為可能。

對尾礦進(jìn)一步進(jìn)行砂薄片和砂光片鑒定，結(jié)果見圖1。由圖1可知，尾礦中黃鐵礦、赤鐵礦等金屬礦物以細(xì)粒、微細(xì)粒嵌布于脈石礦物中，提取利用意義不大。

1.3 粒度分布

對尾礦進(jìn)行粒度篩析，結(jié)果見表3。

由表3可知：尾礦粒度主要集中在-0.038 mm，分布率超過47 ％，而粒度是保證磚體質(zhì)量的基礎(chǔ)，合理的顆粒級(jí)配也是直接壓制成型的主要指標(biāo)之一。顆粒越細(xì)，塑性越強(qiáng)，成型性能越好。綜合考慮，秦嶺金礦四范溝尾礦是制磚的優(yōu)良原料。

2 試驗(yàn)方法及流程

根據(jù)尾礦工藝礦物學(xué)特征，尾礦樣品中沒有組分達(dá)到綜合回收標(biāo)準(zhǔn)，且礦物組成及粒度適宜制磚，因此分別進(jìn)行燒結(jié)磚和免蒸免燒磚制備試驗(yàn)，探索制磚最佳工藝和試驗(yàn)條件。

2.1 燒結(jié)磚制備

燒結(jié)磚是一種經(jīng)成型和高溫焙燒而制得的建筑砌筑材料，其性能取決于制磚原料的化學(xué)成分和粒度。對于燒結(jié)磚原料，二氧化硅可使磚體結(jié)構(gòu)均勻、密實(shí)的同時(shí)不會(huì)發(fā)生局部體積膨脹［16］；燒制原料粒度較細(xì)會(huì)起到助熔作用，提高磚體整體凝聚力和成型強(qiáng)度。從工藝礦物學(xué)特征來看，秦嶺金礦四范溝尾礦中石英相對含量為36 %，粒度集中在-0.038 mm，基本滿足以上要求。該尾礦含F(xiàn)e元素（8.91 %），其在燒結(jié)過程中被還原為二價(jià)鐵的還原反應(yīng)的生成物會(huì)與二氧化硅形成共熔物，該共熔物可起到降低焙燒溫度和助熔的作用［17］，從而進(jìn)一步提高磚體成型強(qiáng)度。

燒結(jié)磚制備工藝流程（見圖2）為：將尾礦與膨潤土按照一定配比干混10 min，然后加入一定量水濕混10 min，陳化后，以一定的壓力壓制成型，在電熱恒溫干燥箱中90 ℃下干燥一定時(shí)間，送箱式電阻爐，以一定的升溫速率升至燒成溫度，并保溫一定時(shí)間，最后自然冷卻至室溫。按照GB/T 2542—2012 《砌墻磚試驗(yàn)方法》［16］中方法測定燒結(jié)磚吸水率、抗壓強(qiáng)度、密度等，按照GB/T 5101—2017 《燒結(jié)普通磚》［18］中方法測定燒結(jié)磚綜合性能指標(biāo)。

2.2 免蒸免燒磚制備

免蒸免燒磚是一種無需高溫焙燒，僅經(jīng)壓制即可成型的建筑材料［19］。其在制備過程中會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)形成氫氧化鈣溶液，該溶液與尾礦中SiO2反應(yīng)生成具有黏結(jié)性的水化產(chǎn)物，這些結(jié)晶度高的水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)將物料黏結(jié)起來，從而與三硫型水化硫鋁酸鈣共同組成磚體骨架結(jié)構(gòu)，承受載荷，使磚體強(qiáng)度大大提高［19］。

免蒸免燒磚制備工藝流程（見圖3）為：將尾礦與水泥按照一定配比干混10 min，然后加入一定量水濕混10 min，用液壓機(jī)以一定壓力壓制成型，進(jìn)行常溫常壓養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d、14 d、28 d。對免蒸免燒磚進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試［18-19］。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 燒結(jié)磚試驗(yàn)

3.1.1 膨潤土添加量

通過調(diào)節(jié)膨潤土添加量，即改變尾礦與膨潤土配比來制備燒結(jié)磚，考察膨潤土添加量對燒結(jié)磚性能的影響，結(jié)果見圖4。試驗(yàn)條件：成型水分7 %，成型壓力10 MPa，磚坯90 ℃下干燥12 h，之后以10 ℃/min的升溫速率升至燒成溫度850 ℃，保溫2 h，自然冷卻后測定吸水率與7 d抗壓強(qiáng)度。

由圖4可知：隨著膨潤土添加量的增加，燒結(jié)磚吸水率先上升后緩慢下降，抗壓強(qiáng)度持續(xù)升高。未添加膨潤土?xí)r，燒結(jié)磚有深裂紋，極易破碎；當(dāng)膨潤土添加量為5 ％時(shí)，燒結(jié)磚棱角有輕微剝落；當(dāng)膨潤土添加量為10 ％時(shí)，燒結(jié)磚均規(guī)則完整；當(dāng)膨潤土添加量達(dá)到15 %時(shí)，抗壓強(qiáng)度gt;15 MPa，吸水率降至18.64 %，達(dá)到燒結(jié)普通磚MU15級(jí)別。因此，確定最佳膨潤土添加量為15 %。

3.1.2 成型水分

試驗(yàn)條件：膨潤土添加量15 %，成型壓力10 MPa，磚坯90 ℃下干燥12 h，之后以10 ℃/min的升溫速率升至燒成溫度850 ℃，保溫2 h，自然冷卻后測定吸水率與7 d抗壓強(qiáng)度，考察成型水分對燒結(jié)磚性能的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知：隨著成型水分的增加，燒結(jié)磚吸水率呈下降趨勢，抗壓強(qiáng)度逐漸升高。當(dāng)成型水分為7 %時(shí)，吸水率降至18.63 %，抗壓強(qiáng)度gt;15 MPa，達(dá)到MU15級(jí)別。因此，成型水分取7 %。

3.1.3 成型壓力

試驗(yàn)條件：膨潤土添加量15 %，成型水分7 %，磚坯90 ℃下干燥12 h，以10 ℃/min的升溫速率升至燒成溫度850 ℃，保溫2 h，自然冷卻后測定吸水率與7 d抗壓強(qiáng)度，考察成型壓力對燒結(jié)磚性能的影響，結(jié)果見圖6。

由圖6可知：隨著成型壓力的增加，燒結(jié)磚吸水率逐漸降低，抗壓強(qiáng)度逐漸升高。當(dāng)成型壓力從10 MPa升高到15 MPa時(shí)，燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度gt;20 MPa，吸水率降至16.05 %，達(dá)到MU20級(jí)別；再繼續(xù)增加成型壓力，燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)提高，但意義不大，因此成型壓力取15 MPa。

3.1.4 升溫速率

試驗(yàn)條件：膨潤土添加量15 %，成型水分7 %，成型壓力15 MPa，磚坯90 ℃下干燥12 h，以不同升溫速率從室溫升至燒成溫度850 ℃，保溫2 h，自然冷卻后測定吸水率與7 d抗壓強(qiáng)度，考察升溫速率對燒結(jié)磚性能的影響，結(jié)果見圖7。

由圖7可知：隨著升溫速率的提升，吸水率先降低后升高；當(dāng)升溫速率為10 ℃/min時(shí)，吸水率lt;17 %，抗壓強(qiáng)度gt;20 MPa。為了提高生產(chǎn)效率，節(jié)約時(shí)間，選取升溫速率為10 ℃/min。

3.1.5 燒成溫度

試驗(yàn)條件：膨潤土添加量15 %，成型水分7 %，成型壓力15 MPa，磚坯90 ℃下干燥12 h，升溫速率為10 ℃/min，從室溫升至不同燒成溫度并保溫2 h，自然冷卻后測定吸水率與7 d抗壓強(qiáng)度，考察燒成溫度對燒結(jié)磚性能的影響，結(jié)果見圖8。

由圖8可知：隨著燒成溫度的升高，吸水率下降，抗壓強(qiáng)度升高。當(dāng)燒成溫度為1 050 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度在25 MPa以上，吸水率降至13.68 %。綜合考慮，燒成溫度取1 050 ℃。

3.1.6 保溫時(shí)間

試驗(yàn)條件：膨潤土添加量15 %，成型水分7 %，成型壓力15 MPa，升溫速率為10 ℃/min，燒成溫度1 050 ℃，磚坯90 ℃下干燥12 h，保溫不同時(shí)間，自然冷卻后測定吸水率與7 d抗壓強(qiáng)度，考察保溫時(shí)間對燒結(jié)磚性能的影響，結(jié)果見圖9。

由圖9可知：隨著保溫時(shí)間的延長，吸水率先降低后升高，抗壓強(qiáng)度先升高后降低；延長保溫時(shí)間并不利于燒結(jié)磚質(zhì)量的提高，因此選取保溫時(shí)間為2 h。

綜上，該尾礦制備燒結(jié)磚的最佳試驗(yàn)條件為：膨潤土添加量15 %，成型水分7 %，成型壓力15 MPa，升溫速率10 ℃/min，燒成溫度1 050 ℃，保溫時(shí)間2 h，此條件下制備的燒結(jié)磚達(dá)到MU25級(jí)別，可在嚴(yán)重風(fēng)化地區(qū)使用。

3.2 免蒸免燒磚試驗(yàn)

免蒸免燒磚的抗壓強(qiáng)度影響因素分別為水泥配比、成型水分及成型壓力。采用L16（43）正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來研究各因素對磚體強(qiáng)度影響。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為水泥配比（A）5 %、10 %、15 %、20 %，成型水分（B）10 %、13 %、15 %、18 %，成型壓力（C）10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa，空白（D）參照列。正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知：隨著水泥配比升高，抗壓強(qiáng)度也隨之升高；水泥配比為5 %、10 %、15 %、20 %時(shí)，平均抗壓強(qiáng)度為4.48 MPa、12.43 MPa、20.35 MPa、24.95 MPa。成型壓力越大，抗壓強(qiáng)度越高，但其增長速率減緩。

為得到試驗(yàn)最佳因素和因素水平組合及檢驗(yàn)主體間效應(yīng)，以7 d抗壓強(qiáng)度為結(jié)果變量和因變量，對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析［20-21］，結(jié)果分別見表5、表6，試驗(yàn)因素與衡量指標(biāo)趨勢見圖10。

由表5、圖10可知：對試驗(yàn)影響最顯著因素為水泥配比，其次是成型壓力。推薦最佳試驗(yàn)條件為成型壓力25 MPa，成型水分18 %，水泥配比20 %。由表6可知：水泥配比的偏差平方和最大，是抗壓強(qiáng)度最重要影響因素，成型壓力次之。而F檢驗(yàn)顯示，水泥配比F值遠(yuǎn)大于臨界值，成型壓力F值也大于臨界值;說明在置信度內(nèi)，水泥配比（顯著性遠(yuǎn)小于0.05）與抗壓強(qiáng)度非常顯著，成型壓力（顯著性小于0.05）為顯著影響，成型水分（顯著性大于0.05）無顯著影響。綜合來看，方差分析與極差分析結(jié)果一致，各因素對試樣抗壓強(qiáng)度的影響程度依次是水泥配比gt;成型壓力gt;成型水分。

4 結(jié) 論

1）工藝礦物學(xué)特征顯示，秦嶺金礦四范溝尾礦為多金屬硅鋁酸鹽尾礦，主要礦物為云母、石英、斜長石，次要礦物為鉀長石、方解石、黃鐵礦等，且尾礦礦物組成及粒度適宜制磚。

2）制備燒結(jié)磚最佳試驗(yàn)條件為膨潤土添加量15 %，成型水分7 %，成型壓力15 MPa，升溫速率10 ℃/min，燒成溫度1 050 ℃，保溫時(shí)間2 h，制備的燒結(jié)磚達(dá)到MU25級(jí)別，可在嚴(yán)重風(fēng)化地區(qū)使用。

3）制備免蒸免燒磚最佳試驗(yàn)條件為成型壓力25 MPa、成型水分18 %、水泥配比20 %。各因素對試樣抗壓強(qiáng)度的影響程度依次是水泥配比gt;成型壓力gt;成型水分。

4）根據(jù)最佳試驗(yàn)條件制備的燒結(jié)磚和免蒸免燒磚均可滿足建筑用磚的標(biāo)準(zhǔn)。由于制作工藝和材料不同，燒結(jié)磚強(qiáng)度大、成本高，免蒸免燒磚更具經(jīng)濟(jì)性，具體可根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的制備工藝。

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Experimental study on brick making from Sifangou tailings in Qinling Gold Mine

Gao Xiaojie1，2，Ma Xiao1，2，Xu Yajuan3，4，Zhang Yali3，4，Liu Lei3，4

（1.Henan Academy of Geology;2.Ministry of Natural Resources，Zhongyuan Urban Agglomeration

Multi-element Urban Geological Big Data Engineering Technology Innovation Center;

3.Geological Disaster Prevention and Control Center of Henan Provincial Bureau of Geology;

4.Henan Province Geological Environment Ecological Restoration Engineering Technology Research Center）

Abstract：In order to explore the comprehensive utilization method of Sifangou tailings，Qinling Gold Mine，tests on the preparation of sintered brick and steam-free and baking-free brick based on the process mineralogical characteristics were carried out.The results show that the composition and particle size of the tailings makes them suitable for brick making;the optimal test conditions for sintered brick preparation are 15 %bentonite ratio，7 %molding moisture，15 MPa molding pressure，10 ℃/min heating rate，1 050 ℃ sintering temperature and 2 h heat preservation time.The sintered brick can reach Grade MU25 and can be used in severe weathering regions;the optimal test conditions for steam-free and baking-free brick preparation are 25 MPa molding pressure，18 % molding moisture，and 20 % cement ratio.The influence of each factor on the compressive strength of the sample is as follows：cement ratio＞molding pressure＞molding moisture.This paper provides a basis and reference for tailings brick making and comprehensive utilization of Sifangou tailings in Qinling Gold Mine.

Keywords：gold tailings;process mineralogy;sintered brick;steaming-free and baking-free brick;comprehensive utilization

收稿日期：2023-11-04; 修回日期：2024-01-04

基金項(xiàng)目：河南省地質(zhì)研究院科研項(xiàng)目（2023-331-XM027-KT02）；2022年度河南省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（221111320600）

作者簡介：高曉杰（1987—），女，工程師，碩士，從事地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)勘查研究工作；E-mail：8487455@qq.com

*通信作者：劉 磊（1987—），男，高級(jí)工程師，碩士，從事地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)勘查研究工作；E-mail：527237217@qq.com