硫铁矿尾矿用于辅助性胶凝材料的研究

作     者：曾绍洪 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：殷素红;吴焕勋

授予年度：2022年

学科分类：081902[工学-矿物加工工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：云浮硫铁矿尾矿 辅助性胶凝材料 FeS2氧化 硫赋存状态 煅烧活化 碱激发活化 

摘      要：硫铁矿尾矿是硫铁矿(FeS)浮选过程中被舍弃的低硫连生体。云浮硫铁矿床作为亚洲已探明储量最大的矿床,年开采硫铁矿300万吨,产生约120万吨的尾矿,开采近30年以来尾矿一直未获得有效高消纳量利用,多年堆积使尾矿库不堪重负,浪费资源且严重危害生态环境。故本课题开展云浮硫铁矿尾矿用于辅助性胶凝材料的研究,基于尾矿的理化特性分析和用于辅助性胶凝材料的性能,提出煅烧法和碱激发提高尾矿活性并弱化有害杂质影响的技术路线,以期为云浮硫铁矿尾矿的资源化利用提供理论依据和新途径。论文首先研究了硫铁矿尾矿的理化特性,重点分析了硫和铁的赋存状态及含量。结果表明,云浮硫铁矿尾矿化学成分以Si O、FeO、Ca O、AlO和SO为主,普通尾矿(CT)和压滤尾矿(FT)中总SO含量分别为15.89%、18.27%,属高硫型硫铁矿尾矿。尾矿中的硫(S)以黄铁矿、磁黄铁矿(FeS)、石膏三种矿物形态存在;尾矿中的铁(Fe)主要以黄铁矿、磁黄铁矿和云母类矿物形态存在,部分以风化后的低结晶度矿物形式存在。普通尾矿中总硫含量及石膏含量更少,黄铁矿和磁黄铁矿含量更高;压滤尾矿中则相反。尾矿中黄铁矿和石膏含量较高,可能对水泥基材料产生不利影响。其次,研究了硫铁矿尾矿用于辅助性胶凝材料的性能及及硫赋存状态变化。结果表明,普通尾矿的水化活性高于压滤尾矿;掺30%硫铁矿尾矿的水泥胶砂7d和28d活性指数均高于65%,但28d活性指数不增长甚至下降,180d抗压强度倒缩,用作矿物掺合料会对混凝土或水泥制品体积稳定性和耐久性能产生不利影响,在使用时需加以限制。由于尾矿中含有石膏,可延缓水泥凝结时间,因此将尾矿同时用作水泥混合材和调凝剂,可能是一种更好的利用方式。在硬化水泥浆体中,尾矿中的石膏在28d龄期时大部分已反应生成钙矾石(AFt相);FeS氧化较为缓慢,至180d龄期时氧化程度仍很低。故掺尾矿的水泥胶砂28d活性指数不增长甚至下降及180d抗压强度倒缩主要是由于尾矿中石膏反应生成AFt晶体产生膨胀所致而非FeS氧化所致。当尾矿中FeS掺量高于8.5%时,才会产生由于其氧化导致的水泥胶砂180d抗压强度降低。基于尾矿胶凝活性不高和FeS可能氧化,采用煅烧法去除其中FeS并提高胶凝活性。结果表明,尾矿在800℃下保温0.5 h的煅烧效果最佳,FeS和Ca CO已完全分解,以FeS和FeS赋存的硫(以SO计)约2/3转化为SO逸出,1/3转化为Ca SO残留,煅烧后主要矿物为石英,赤铁矿和硬石膏;煅烧普通尾矿和压滤尾矿(CCT/CFT)中SO含量分别为8.27%、15.51%。煅烧后尾矿活性提高,但由于硬石膏含量多生成更多AFt,导致水泥胶砂的抗压强度比未煅烧的更低,不宜直接用作矿物掺合料,更适宜同时用作水泥混合材和调凝剂,其中硬石膏能达到与等SO含量的石膏类似的缓凝效果;水泥熟料胶砂7d和28d强度满足国家标准规定标号为425普通硅酸盐水泥的强度指标,7d和28d活性指数分别为62%、81%。进一步采用碱激发提高尾矿胶凝活性。结果表明,采用碱激发尾矿能减少硬化浆体中生成的AFt数量,弱化尾矿中石膏(硬石膏)的负面影响。复掺3%水玻璃和5%矿渣碱激发煅烧普通尾矿的效果最好,其用作矿物掺合料,水泥胶砂抗压强度比煅烧普通尾矿更高,7d和28d活性指数均≥70%;同时用作水泥混合材和调凝剂,水泥熟料胶砂7d和28d强度满足国家标准规定标号为425普通硅酸盐水泥的强度指标,活性指数分别为80%、83%,虽延缓水泥熟料凝结时间的程度比未碱激发的减弱,但仍与等SO含量的石膏缓凝效果相近。