黄金尾矿建材化利用的研究现状及展望_孙旭东.pdf

收稿日期2019-07-26 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0703206-03） ， 科技创新服务能力建设-基本科研业务费项目 （编号 PXM2019_014204_ 500032） ， 科技创新服务能力建设-高精尖学科建设项目 （编号 PXM2019_014204_500031） 。 作者简介孙旭东 （1995） ， 男， 硕士研究生。通讯作者潘德安 （1979） ， 博士， 研究员。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 黄金尾矿建材化利用的研究现状及展望 孙旭东刘晓敏龚裕吴玉锋周广礼潘德安 1 （北京工业大学材料科学与工程学院， 北京 100124） 摘要随着黄金开采技术的不断发展， 矿山开采规模不断扩大， 尾矿堆存量日益增加。黄金尾矿含有 80 以上的硅铝氧化物等无机矿物， 其组分接近许多建材产品的原料成分， 添加少量的辅助剂可实现黄金尾矿建材化 利用， 具有可观的经济价值和良好的发展前景。从典型黄金尾矿的主要成分及特点入手， 总结了黄金尾矿制砖、 水 泥、 地聚合物、 混凝土及陶瓷等传统建材的研究现状， 概述了制备微晶玻璃、 轻质陶粒及泡沫陶瓷等高附加值绿色 建材的研发技术， 分析了黄金尾矿制备建材方面可能存在的问题并提出了相应建议， 指出未来不仅要继续提高和 完善现有的以有价元素回收为主的多元综合回收利用技术， 大规模推广工业化生产应用， 而且还要加强黄金尾矿 建材的高值化应用研究， 实现黄金尾矿真正的减量化、 无害化、 资源化。 关键词黄金尾矿建材研究现状高值化利用 中图分类号TD926.4文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-012-11 DOI10.19614/ki.jsks.202003002 Research Status and Prospects for the Utilization of Gold Tailings as Building Materials Sun XudongLiu XiaominGong YuWu YufengZhou GuangliPan Dean2 （College of Materials Science and Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China） AbstractWith the development of gold mining technology and extension of mineral mines scale，the storage of tail- ings increase gradually. Gold tailings contain more than 80 inorganic minerals，such as silicon and aluminum oxides，and component of the tailings is close to the raw materials of many building materials. Adding a small amount of auxiliary agents can realize the building materials utilization of gold tailings，which has considerable economic value and good development prospects. The traditional building materials such as bricks，cement，geopolymer，concrete and ceramic prepared by gold tailings were summarized after the analysis of main conponent and characteristics of the typical gold tailing. Afterwards，the research and development technologies for the preparation of high value-added green building，such as glass-ceramics，light- weight ceramsite and foam ceramic materials were reviewed. The possible problems were analyzed and the corresponding sug- gestions were came up. In the end，it is pointed out that its meaningful to improve and perfect the existing comprehensive technology aiming at the recycle of valuable elements，and popularize large-scale industrialized production application. Fur- thermore，its also important to strengthen high value of application research of the gold tailings，which helps to achieve real reduction， harmlessization and reclamation. KeywordsGold tailings， Building materials， Research status， High value application Series No. 525 March 2020 随着人类对黄金资源的不断开发利用， 黄金尾 矿排放量日益增加， 传统的处理方法主要是堆存法， 此方法不仅占用大量土地， 而且容易产生粉尘和渗 漏， 对大气、 水体和土壤等造成严重污染 ［1］。为解决 金尾矿堆积所带来的环境问题， 人们一直在寻求各 种解决方案， 进行金尾矿综合利用研究， 包括金尾矿 中有价元素的提取、 金尾矿矿山回填、 金尾矿复垦 等 ［2］。近年来， 矿山金品位逐渐降低， 尾矿的价值也 越来越低， 人们开始将金尾矿处理重心放在功能化 建材制备上， 包括金尾矿制砖、 水泥、 混凝土、 微晶玻 璃、 陶粒和陶瓷等 ［3-4］， 并且取得了一定的成果。与无 害化处理后的黄金尾矿回填或回收相比， 以黄金尾 12 ChaoXing 矿为主要原料制备建筑材料不仅可以消耗大量工业 固体废弃物， 减轻环境承载压力， 而且具有可观的经 济价值和良好的发展前景， 全量化建材利用刻不容 缓 ［5］。 本文将从典型黄金尾矿的主要成分及特点入 手， 介绍黄金尾矿制备建材的技术现状， 并结合我国 目前的国情政策， 重点对高值环保型绿色建材的制 备进行展望， 以期为黄金尾矿的综合利用提供参考。 1典型黄金尾矿主要成分及特点 金尾矿是通过提金工艺回收金或其他有用成分 后排出的固体废物。一般情况下， 黄金尾矿呈碱性， pH＞10。金尾矿中含有相对较高的二氧化硅和氧化 铝， 同时含有一定量的氧化铁、 氧化钙、 氧化镁、 少量 贵金属 （如金、 银） 、 重金属 （如铜、 铅、 锌） ， 以及残余 氰化物和浮选剂等。由于原矿性质和提金工艺的不 同， 金尾矿中含有价金属元素的矿物性质和含量也 会发生变化， 但也有一定的共性， 如矿物相通常以石 英、 长石、 云母、 黏土和残余金属矿物为主， 矿物粒度 很细， 泥化现象严重等 ［6］。典型黄金尾矿的主要化学 成分见表1 ［7］。 金尾矿主要特点是含有80以上的硅铝氧化物 等无机矿物， 其组分接近许多建材产品的原料成分， 将其混合少量其他辅助添加剂后， 就可用作许多非 金属材料的原料， 再经过一定的技术处理， 便可获得 较理想的建筑材料， 变废为宝， 变害为利。因此， 黄 金尾矿的再生利用符合我国的绿色可持续发展模 式， 具一定的经济效益和环境效益 ［8］。 2黄金尾矿制备传统建材现状 2. 1制砖 传统建筑用砖的原料一直以烧结黏土为主， 占 用了大量土地资源， 中国早在2005年就正式实施了 禁用实心黏土砖的政策， 逐步开展以尾矿、 尾渣等工 业固废为原料生产墙地砖等材料的研究， 进而达到 推进建筑节能的目标。根据不同的工艺， 尾矿制砖 可以分为烧结砖、 蒸养砖和双免砖等 ［9］。 2. 1. 1烧结砖 与传统烧结砖用黏土相比， 金尾矿粒度更细， 在 降低研磨成本的同时利于特定烧结砖的制备。此 外， 金尾矿含有大量铝硅酸盐及少许微量组分， 可替 代大部分传统制砖原料的同时， 拓宽烧结砖的烧成 温度范围。对金尾矿和其他添加剂等原料组分的比 例适当加以调控， 便可获得各种性能的烧结砖。 粒度控制方面， 张金龙等 ［10］用金尾矿代替长石 通过低温快速烧制烧结瓷砖。尾矿中的石英和长石 等约占总重量的70， 经过除杂处理后， 可作为优质 陶长石的替代原料。研究结果表明， 当金尾矿掺量 控制在50、 尾矿粒度为100～200目时， 烧制得到的 陶瓷墙地砖符合质量要求。杨永刚等 ［11］以黄金尾矿 为主要原料， 通过干压硬塑成型制成生坯， 然后烧结 制成普通烧结砖。结果表明， 小于0.075 mm的金尾 矿颗粒约占总量的 79.57， 尾矿的最大掺量高达 100， 试验最佳成型压力为 15 MPa， 最佳成型水分 为8～9， 烧结温度为1 050 ℃， 保温时间为60 min， 可以获得抗压强度达到MU10的烧结砖， 不会出现石 灰爆裂和泛霜。微量元素调节方面， 彭建军等 ［12］利 用贵州高钙高镁低硅的卡林型金矿尾矿制备烧结 砖。结果表明， 该金尾矿中的高钙/镁和低硅特性利 于拓宽烧结砖烧结温度范围， 有效避免烧结砖爆裂 和泛霜问题。此外， 烧结砖原料组分调节方面， 梁国 海等 ［13］以黄金尾矿为原料， 与红陶土、 黄土和铁尾矿 混合制成生坯， 经过工艺处理后制备烧结砖。结果 表明， 金尾矿红陶土黄土的比例为541时， 添加5 铁尾矿的混合料具有较好的制坯性能。将混合材料 的含水量控制在20后， 陈化24 h， 手工练泥后， 在2 MPa的成型压力下制成坯料。在阴凉处自然干燥5 d 后， 可以满足烧结工艺要求。在1 020 ℃烧结2 h， 缓 慢冷却后， 可生产出外观色泽和质量良好、 达到 MU15强度等级的优良烧结砖。李国昌等 ［14］以金尾 矿为主要原料， 煤矸石为造孔剂， 采用模压成型和挤 压成型的方法， 在1 250 ℃烧结80 min后， 制备出性 能良好的多孔透水砖。结果表明， 通过调整原料组 分， 可以制备不同性能的透水砖， 满足不同用途的需 要。对于压制成型工艺， 挤压成型过程中适宜的原 料配比为尾矿82， 煤矸石10， 膨润土8， 高分子 聚合物0.1； 对于挤出成型工艺， 适宜的原料配比为 尾矿 75， 煤矸石 10， 膨润土 15， 高分子聚合物 0.1。 上述研究表明， 黄金尾矿烧结砖符合循环经济 理念， 是一种替代粘土砖的绿色建筑材料。它可以 替代大部分原材料， 制备出吸水率低、 强度高、 耐酸 碱、 耐急冷急热、 抗冻性优异等特点的烧结砖。但是 在实际生产中， 烧结砖需要的能耗、 热耗高， 窑炉设 备的定期维护， 导致成本高， 产品效益低， 限制了烧 2020年第3期孙旭东等 黄金尾矿建材化利用的研究现状及展望 13 ChaoXing 结砖的发展。总的来说， 金尾矿制备烧结砖不仅可 以减少矿山开采， 保护生态环境， 提高矿产资源的高 值化利用， 同时制备出的烧结砖能给企业带来良好 的经济效益。 2. 1. 2蒸养砖 蒸养砖适用于各类民用建筑、 公用建筑和工业 厂房的内、 外墙， 以及房屋的基础。其最大的特点是 利用蒸汽养护工艺， 无需烧结， 可以作为一种烧结砖 的替代产品。黄金尾矿制备蒸养砖是实现尾矿综合 治理利用、 消除环境污染、 节约土地资源的一条重要 途经。 刘心中等 ［15］利用黄金尾矿、 生石灰， 采用蒸压养 护工艺生产高质量的砌筑砖。试验结果表明， 黄金 尾矿中的石英相在高温高压碱性溶液中有很大的溶 解度和溶解速率， 从而形成水化产物。大量的水化 产物将石英颗粒连接在一起， 使砖整体具有一定的 强度。该工艺可用于生产强度达到MU20及以上的 砖。朱敏聪等 ［16］将自然粒级的金尾矿与石灰和石膏 按一定比例混合， 采用高温蒸压养护工艺对蒸压砖 墙材料进行试验研究。结果表明， 得到的蒸压砖密 度为 1 900～2 000 kg/m3， 抗压强度符合国家标准 MU15级砖的要求。袁善磊等 ［17］利用工业废金矿尾 矿和粉煤灰为原料， 配合其他添加剂加水混合压制 生坯， 经蒸压养护工艺后， 制备金矿尾矿粉蒸压砖， 中试产品通过吉林省建材商品质量监督检验站检 验， 满足MU15.0砖的要求， 这为我国冶金行业黄金尾 矿的综合利用提供了新技术。 蒸压砖是在高温高压条件下制成的， 水化反应 比较充分， 砖体的强度和性能比较稳定， 属于低能 耗、 环保型新型建材， 同时具备节能、 节土的优点， 其 缺点也较为明显， 蒸压砖对高温蒸压工艺的参数条 件要求更严苛， 产品的成型条件更高。总的来说， 金 尾矿蒸压砖也是实现金尾矿建材化利用的一条重要 途径。 2. 1. 3双免砖 相比蒸养砖复杂的工艺技术而言， 双免砖生产 工艺和设备较为简单， 原料经过搅拌后只需自然养 护， 工艺简单易行， 流水作业， 一次压制成型， 免烧免 蒸， 节约大量能源。因此， 用黄金尾矿制备双免砖投 资少， 经济效益显著， 发展前景广阔。 钱玲 ［18］以黄金尾矿为主要原料， 按照金尾矿石 屑胶结料为15 ∶ 3 ∶ 2的配方， 采用半干法高压成型方 法， 经自然养护制备金尾矿双免砖。结果表明， 该双 免砖强度可达 C15， 耐久性良好。Malatse M 等 ［19］采 用不同比例的金尾矿、 水泥和水进行混合， 砖坯分别 采用晒干、 360 ℃烘干和24 h水环境养护3种不同方 法进行养护， 结果表明， 尾矿砖最佳养护体系为水环 境下， 最高抗压强度达到530 kN/m2。崔瑞等 ［20］根据 河南灵宝矿金尾矿的基本特征， 分别对利用尾矿制 备烧结砖和免蒸免烧结砖进行了试验研究， 探索了 性能的影响因素， 并阐述了制砖机理。结果表明， 在 制备免蒸免烧砖的过程中， 对砖试样抗压强度的影 响顺序为 水泥比＞成型压力＞成型水分。 以上研究表明， 利用金尾矿制备双免砖最值得 关注的问题是， 由于所使用的尾矿材料缺乏塑性， 需 要添加更多的水泥等胶凝材料提高其塑性， 这也增 加了部分尾矿砖的成本， 因此， 应开发具有高塑性或 高粘结性能的廉价添加剂来代替水泥。综上所述， 利用黄金尾矿作为制砖材料在环境保护和降低废物 管理成本方面具有很大潜力。 2. 2制备水泥 黄金尾矿在水泥制品方面的应用较多， 例如利 用金尾矿生产水泥熟料、 发泡水泥等。黄金尾矿粒 度细且较均匀， 具有较高的表面能和反应活性， 加入 到水泥中能起到微集料效应， 能够加快水泥水化， 提 高密实度和强度， 可用作水泥混合材， 适量添加可以 降低水泥生产成本， 改善水泥性能 ［7］， 而且目前相应 的研究也较为成熟， 面对着巨大市场需求， 金尾矿水 泥制品的发展也有着非常好的前景。 2. 2. 1水泥熟料 水泥熟料是以石灰石和黏土、 铁质原料为主要 原料， 按适当比例配制成生料， 烧至部分或全部熔 融， 并经冷却而获得的半成品。绝大多数金矿尾矿 中不仅含有钙、 硅、 铝等水泥熟料必有的元素， 还含 有大量的微量元素氧化物， 利于水泥原料煅烧。此 外， 其潜在活性可起到增加水泥强度、 减缓凝结时 间， 以及改善水泥的稳定性的作用， 具有制备水泥熟 料的潜力。 张国强等 ［21］以黄金尾矿和石灰石为原料， 煅烧 制备富含高贝利特相的混凝土掺合料， 并研究了以 该掺合料制备C80高性能混凝土与普通C80混凝土 耐久性能的差别。结果表明， 该掺合料替代30的 P II 52.5R级水泥， 生产得到的混凝土产品具有更高 强度， 不倒缩， 而且具有较强的抗冻融破坏能力和耐 硫酸盐腐蚀性能。 虽然目前尾矿制备水泥的工艺已经较为成熟， 但是由于氰化提金工艺的普遍应用， 导致金尾矿作 为一种比较特殊的尾矿， 其残留的氰化物在制备水 泥制品时需要重点考虑。桑义敏等 ［22］在水泥窑中进 行了含氰金尾矿渣回收共处置的研究， 探讨了将含 金属矿山2020年第3期总第525期 14 ChaoXing 氰金尾矿渣代替水泥原料的可行性。结果表明， 金 尾矿的组成与水泥厂水泥原料的组成相似， 从材料 组成上看， 用金尾矿替代部分水泥原料是可行的。 同时， 该方法有一定的氰化物解毒效果， 高温处理能 有效去除金尾矿中的氰化物， 处理后尾矿中的残留 氰化物浓度符合 展览用地土壤环境质量评价标准 （HJ 3502007） 的相关标准要求。 以上研究表明， 黄金尾矿资源化替代部分水泥 原料是可行的， 利用黄金尾矿等原料烧成胶凝性能 优良的水泥胶凝材料， 为黄金尾矿的综合利用创造 了条件。这不仅为矿山企业节省尾矿排放、 土地占 用和环境保护等方面的费用， 同时还为水泥制备相 关企业提供了一种价廉物美的原材料。 2. 2. 2发泡水泥 发泡水泥是一种性能优异的泡沫状保温建筑材 料， 是将发泡剂用机械方式充分发泡， 与水泥浆混合 均匀后成型养护而成。由于发泡水泥的均匀多孔结 构使得其与普通水泥制品相比， 具有更好的轻质、 隔 热、 隔音、 防水性能。有研究发现， 将金尾矿作为掺 料加入到发泡水泥中可优化孔结构， 进而提高发泡 水泥的性能。 郭家林等 ［23］以金尾矿和水泥为主要原料， 双氧 水作为发泡剂， 辅以其他添加剂， 制备发泡水泥， 利 用正交实验法确定最优配比。结果表明， 最优的配 方为双氧水量4.5， 母料量0.44， 水料比0.45， 金尾 矿添加量15， 制备的发泡水泥性能优异， 28 d抗压 强度达到0.52 MPa， 容重小于300 kg/m3， 按照国家建 筑工业行业标准 泡沫混凝土 （JG/T 2662011） 对 金尾矿发泡水泥制品进行测试， 为较佳等级A03级。 褚会超等 ［24］以二氧化硅基金尾矿为掺料添加到发泡 水泥中， 制备得到性能更加优异的轻质发泡水泥。 结果表明， 用适量的金尾矿代替粉煤灰可以减小发 泡水泥的孔径， 提高孔的浑圆度和孔壁的密实度， 达 到提高水泥抗压强度的效果。与空白样品相比较， 掺入10比表面积为233 m2/kg的尾矿可将28 d抗压 强度提高84； 掺入10比表面积为1 161 m2/kg的尾 矿可将 28 d抗压强度提高 133。许辉 ［25］将干燥后 的黄金尾矿直接用于制备干混砌筑砂浆和发泡水 泥。结果表明， 以20的掺量取代水泥粉混合制备 干混砌筑砂浆， 可以制备出满足抗压强度要求的M5、 M10、 M20砌筑砂浆。同时， 用金尾矿部分替代硅酸 盐水泥， 可以制备干密度为A05级， 满足强度和导热 性能要求的发泡水泥。 发泡水泥作为一种新型节能环保材料， 以其轻 质高强、 保温节能、 成本低、 易于施工等优点备受行 业关注。目前已经被广泛应用于建筑材料领域， 具 有巨大的市场需求和广阔的推广应用前景。如果能 在保证产品性能的条件下尽可能多得掺入金尾矿， 可为金尾矿的综合利用提供新的方向。 2. 3制备地聚合物 地聚合物是一种碱激活的胶凝材料， 由于其特 殊的无机缩聚三维氧化物网络结构， 使其具有优良 的性能， 可以作为水泥的替代品， 其研究逐渐受到了 世界各国的广泛关注。地聚合物生产典型工艺流程 如图1所示， 与传统的水泥相比， 地聚合物不仅可以 完全利用黄金尾矿等工业固体废弃物作为生产原材 料， 而且在常温下就能直接反应生产， 减少大量的 CO2产生， 在诸多性能上表现出优越性， 但是利用金 尾矿制备地聚合物的难点在于要合理利用碱激发剂 以最大限度发挥尾矿的作用。 Jenni Kiventer等 ［26］研究了黄金尾矿的地聚合作 用， 利用氢氧化钠溶液对某金矿的硫化物尾矿进行 活化处理， 采用磨碎高炉矿渣粉用作复合粘结剂， 可 作为矿山回填料或建筑行业的原材料。结果表明， 纯金尾矿试样的无侧限抗压强度在 1.3～3.5 MPa 之 间。混合料中矿渣粉含量为5时， 无侧限抗压强度 增大， 透水性降低。通过优化氢氧化钠浓度和矿渣 粉含量， 试样的无侧限抗压强度最高能达到25 MPa。 Erich Caballero等 ［27］利用金矿废弃物碱活化制备地聚 合物。这些金矿废弃物的矿物学和物化特征表明， 它们具有作为地聚合物前驱体的巨大潜力， 可以开 发碱活化环保型粘结剂。试验表明， 矿渣碱活化制 备的地聚合物抗压强度高于普通硅酸盐水泥， 在 70 ℃下固化 12 h， 其抗压强度值升高。Walter Par- dav等 ［28］以哥伦比亚桑坦德省金矿尾矿为原料， 配 合纯高岭土和矾土制成前驱体材料， 在600 ℃预热处 理后放置一小时， 以质量比为7 ∶ 3的氢氧化钠和硅酸 钠混合物为活化剂， 与前驱体材料混合后， 通过机械 搅拌， 在90 ℃下初始固化24 h， 在实验室条件下合成 胶凝性地聚合物。研究结果显示， 该胶凝性地聚合 物的抗压强度可以达到P I型硅酸盐水泥的强度水 平。在工程应用中， 使用这种地聚合物替代硅酸盐 水泥， 不仅可以减少硅酸盐水泥生产对环境的污染， 而且可以减少金矿开采对环境的污染。 综上， 利用金尾矿生产地聚合物可以将这些金 2020年第3期孙旭东等 黄金尾矿建材化利用的研究现状及展望 15 ChaoXing 矿废弃物转化为具有高机械强度、 高化学惰性和高 耐久性的材料， 为矿业副产品带来了高附加值。此 外， 利用金尾矿废渣制备的地聚合物具有生产成本 低、 抗压强度高、 经久耐用等特点。这不仅为地聚合 物的生产提供了一条新思路， 还能通过矿物资源化 处置来解决环境问题。 2. 4制备混凝土 2. 4. 1砂浆混凝土 砂浆混凝土是建筑领域最为常见的建筑材料， 由胶凝材料、 骨料和水按一定比例配制而成。近年 来建筑市场的巨大需求推动了砂石市场的快速发 展， 然而持续过度地开采导致天然砂石资源逐渐减 少， 成本走高， 利润低。同时， 为了维护自然景观， 保 护生态平衡， 我国已经大规模禁止采矿。大部分金 尾矿已达到建筑用骨料的粒度标准， 稍加处理即可 制备机制砂， 所以利用尾矿制备机制砂逐渐占据市 场， 并成为砂浆混凝土原料的最佳来源之一。许多 混凝土和砂浆企业已开始在生产中用机制砂替代天 然砂， 并取得了良好的经济效益。 张旭等 ［29］利用金矿尾矿制备新型砂浆。结果表 明， 当灰砂比为1 ∶ 4时， 可制备出强度等级为M15的 砂浆。其性能与相同配合比下的天然砂浆并无明显 差别。尾矿对强度和收缩性影响不大， 既节约了天 然砂资源， 又消耗了大量的废料。Kubra Kunt等 ［30］研 究了帕加马金尾矿作为一种添加剂在硅酸盐水泥生 产中的应用， 以硅酸盐水泥和干金尾砂为原料， 制备 了水泥砂浆。研究表明， 金尾矿适合做砂浆骨料， 掺 量为5时， 产品的抗压和抗折强度能达到比较好的 效果。N. Parthasarathi 等 ［31］对用金尾矿代替河砂生 产混凝土进行了相关研究。结果表明， 通过适当比 例的碎石或人工砂进行改良， 金尾矿可以达到要求 的细集料级配限制。将处理后的金尾矿替代河砂， 当替代量为30时， 所得混凝土强度比普通河砂混 凝土强度高， 不仅节约了天然河砂的使用， 而且消纳 了大量固体废弃物。Preethi A ［32］将金矿尾矿作为混 凝土生产中河砂的部分替代品。分别用 5、 10、 15、 20、 25的金尾矿代替河砂， 配制混凝土细骨 料， 并与常规混凝土进行对比。结果表明， 添加一定 量的金尾矿可以替代细骨料， 金矿尾矿可以作为一 种较细的能降低混凝土孔隙度的材料， 对混凝土的 力学性还有一定的增强作用。采用金尾矿代替细集 料达到20时， 取得了较为满意的效果。 以上研究表明， 为了满足砂浆和混凝土中细骨 料对颗粒级配的要求， 可以利用各种废弃物资源配 合尾矿砂， 通过机制砂设备进行适当的加工处理后 制成人工砂石。根据颗粒级配理论将机制砂或天然 砂组成混合砂， 可用于制备不同强度等级的混凝土 制品， 其工作性能、 力学性能和耐久性满足现代施工 技术的要求。这不仅解决了金尾矿堆积造成地环境 污染问题， 而且实现了尾矿资源的再利用目标， 机制 砂代替天然砂将成为今后发展趋势。 2. 4. 2加气混凝土砌块 与发泡水泥相比， 二者的本质区别是发泡方式 不同。加气混凝土砌块也是一种胶结材料， 尾矿中 添加适量的水、 造气剂等添加剂， 经养护制成， 其具 有轻质、 多孔、 隔热、 防火性能好、 可钉性、 可锯性、 可 刨性和一定的抗震性能， 可以广泛应用于工业和民 用建筑， 逐渐取代实心粘土砖成为一种具有生命力 的新型墙体材料。 丁亚斌等 ［33］研究了利用黄金尾矿生产加气混凝 土砌块的可行性。制备过程采用高温高压饱和水蒸 气介质条件下进行蒸压养护， 该工艺技术成熟、 装备 先进、 安全可靠、 资源产出率高， 有利于保护环境， 变 废为宝， 资源优化。陈伟等 ［34］以山东招远金矿金尾 矿为主要原料， 研究了石膏含量和钙/硅比对加气混 凝土制品强度和容重的影响， 并用XRD和SEM对加 气混凝土制品进行了分析。结果表明， 石膏可以调 节加气混凝土的凝结时间， 提高坯体的前期强度， 但 对制品的绝对干强度没有显著影响， 适宜的掺量为 总质量的3； 托贝莫来石结晶的程度和数量决定了 加气混凝土制品的强度， 其结晶的程度和数量又受 原料钙硅比的影响， 试验确定的适宜钙/硅比为0.7。 陈鳌聪等 ［35］以河北某金矿浮选尾矿为硅质原料， 对 黄金尾矿制备加气混凝土进行了试验研究， 并详细 研究了蒸压制度对产品性能的影响。结果表明， 在 升温时间为 2 h， 保温时间为 8 h， 恒温压力为 1.48 MPa， 恒温195 ℃， 冷却时间为3 h的条件下， 制备的 金尾矿加气混凝土抗压强度可达到5.81 MPa， 干密度 590 kg/m3， 满足GB 119682006中A5.0、 B06级蒸压 加气混凝土砌块优等品的要求。 综上， 在黄金矿产资源开采中， 金矿石品位低， 经选矿生产工艺产生大量尾矿。集轻质、 保温、 防 火、 吸声、 环保等诸多优点的加气混凝土砌块成为了 十分重要的建筑材料， 被广泛应用。将如此次大量 的金尾矿替代细砂生产加气混凝土， 也是黄金尾矿 开发利用的重要方式之一。 2. 5制备传统陶瓷 陶瓷是以天然粘土以及各种天然矿物为主要原 料经过粉碎混炼、 成型和煅烧制得的材料的各种制 品， 其生产工艺如图2所示。黄金尾矿陶瓷与普通陶 金属矿山2020年第3期总第525期 16 ChaoXing 瓷相比， 成分相似， 烧结温度更低， 可以利用其制备 陶瓷墙地砖等建筑用陶瓷及工艺品陶瓷等传统陶瓷 制品。金尾矿部分替代坯体原料可以节约天然矿物 资源， 降低能耗， 在解决尾渣堆存问题和减轻环境压 力的同时， 陶瓷的性能也有了显著的提高， 相应的研 究应用逐渐占据市场。 黄菲等 ［36］以湖北省的矽卡岩金尾矿为原料， 根 据成陶要求设计的坯料与水混合制成坯体。在氧化 气氛中， 980～1 000 ℃条件下烧结15 h得到陶瓷坯体 材料。结果表明， 生坯烧结后形成稳定的钙长石等 新矿物相， 内部结构致密， 吸水率为7.46， 硬度为5.5～ 6， 满足工艺陶瓷坯体的性能要求。然而， 烧结坯体 中仍然存在裂纹和孔洞。需要进一步优化工艺过 程以提高坯体性能。刘振华等 ［37］利用山东某黄金 厂排出的氰化尾矿， 添加莱阳土等黏土材料， 经高 温烧结制备绿色建筑陶瓷。结果表明， 氰化尾渣的 化学成分与陶瓷坯相近， 而且粒度细， 流动性好， 坯 体干燥收缩率小， 干燥敏感系数小， 干坯体强度高。 在 1 120 ℃的条件下烧制15 min， 得到的建筑陶瓷吸 水率低至1.00， 抗折强度高至56.7 MPa。在高温烧 成过程中， 氰化物分解脱除， 重金属被烧结固化， 有 效实现了含氰金尾矿渣的无害化建材利用。金尾矿 陶瓷相较于传统的烧结陶瓷， 需要的烧结温度更低， 有利于节能降耗， 同时， 高温烧结情况下， 可以去除 掉黄金尾矿中有害的残留药剂和氰化物等， 是一种 非常有效的处理危险废渣的途径。 此外， 工艺陶瓷属于烧结陶瓷一种， 金尾矿陶瓷 属于废弃物再生制品， 将其用于工艺陶瓷和陶瓷釉 料的制备是一种较好的应用方式。由于黄金尾矿中 含有丰富的微量金属元素， 这些金属元素在不同的 矿物成分及烧成条件下能产生丰富的窑变现象， 非 常适合生产工艺陶瓷釉料。苏俊基 ［38］利用金尾矿为 原料制备了装饰艺术釉。结果表明， 以金尾矿为基 础釉料可以开发出陶瓷行业常用的具有特殊装饰效 果的艺术釉， 坯体中金尾矿的最大掺量可达到56， 釉料中金尾矿的最大添加量可达27。陈瑞文等 ［39］ 以金尾矿为主要原料开发了系列窑变色釉。通过对 生产工艺的研究， 使其适合大规模生产。研究发现， 黄金尾矿在坯料中的加入量可达到20～30， 釉料 中更可达到50～85。 综上， 黄金尾矿生产的陶瓷坯体和釉料不仅可 以实现固体废弃物综合利用， 减少环境污染， 还可以 降低窑炉变色釉料陶瓷的生产成本， 为黄金尾矿的 综合利用开辟了一条新途径， 具有广阔的开发应用 前景。 3黄金尾矿制备高附加值绿色建材 目前， 黄金尾矿作为制砖、 水泥、 混凝土等传统 大宗建材的原料已经达到一定的规模。不过， 受运 输成本和销售半径的限制， 较成熟的传统建材仍存 在附加值低、 应用水平不高和形式单一等问题。虽 然一些研究人员和企业利用黄金尾矿生产建筑材 料， 但数量少、 规模小， 仍未达到减排和回收利用的 目的。为推动黄金行业技术工艺改革， 向黄金尾矿 真正的减量化、 无害化、 资源化方向发展， 进行高档 次、 高附加值绿色建材的技术开发和应用将会是黄 金尾矿未来发展的方向。 3. 1制备微晶玻璃 微晶玻璃作为一种新型无机非金属材料， 与普 通玻璃和陶瓷有所不同， 其具有玻璃和陶瓷的双重 特性。微晶玻璃比陶瓷的亮度更高， 比玻璃韧性强。 金尾矿的组分主要包括 SiO2、 Al2O3、 CaO和 Fe2O3， 以 及少量MgO、 Na2O、 K2O和TiO2等氧化物， 其中Fe2O3、 TiO2等氧化物可以作为有效的晶核剂， 促进玻璃形核 和后期析晶， 提高微晶玻璃的致密度和强度， Na2O、 K2O 和部分微量元素可以作为助熔剂， 降低烧成温 度， 促进玻璃形成 ［40］。因此， 以黄金尾矿为主要原 料， 通过合理配料可以制备性能良好的微晶玻璃。 微晶玻璃常用的制备方法为高温熔融法和烧结法， 其流程如图3所示。金尾矿微晶玻璃的研究在国外 起步较早， 近些年在我国开始兴起。目前， 微晶玻璃 的生产主要是利用矿渣及其他玻璃原料混合熔化后 烧制成晶化微晶玻璃， 经过磨抛工艺处理后， 制作成 具有不同纹路的微晶玻璃装饰材料。 熔融法制备方面， 陈维铅等 ［41］以金矿尾矿和方 解石为主要原料， 采用熔融法制备主晶相为辉石和 透辉石固溶体， 次晶相为铁钾硅酸盐CaO-Al2O3-SiO2 2020年第3期孙旭东等 黄金尾矿建材化利用的研究现状及展望 17 ChaoXing 系微晶玻璃。结果表明， 最佳的晶化条件为950 ℃保 温3 h。微晶玻璃的热膨胀系数、 弯曲强度和密度分 别可达到 68.710-7/℃、 122 MPa和 2.836 g/cm3。其 热膨胀系数较小， 弯曲强度远高于建筑装饰微晶玻 璃标准， 可应用于建筑装饰和机械工业领域。张圣 斌 ［42］以金渣和赤泥为原料， 加入一定量的添加剂， 通 过高温熔融法制备微晶玻璃。结果表明， 该产品的 致密性良好， 晶粒分布均匀， 抗压强度达到167 MPa， 两种固体废弃物的添加量最高可达 85， 为两种固 体废弃物的资源化处理开辟了一条新途径。胡文广 等 ［43］以钢渣和金尾矿为主要原料， 通过高温熔融制 备微晶玻璃。研究表明， 两种固体废弃物的处理比 例可达90。当钢渣掺量为70， 金尾矿掺量为20 时， 微晶玻璃的抗压强度可达171.7 MPa， 具有优异的 力学性能， 可应用于建筑装饰等领域。Liang K等 ［44］ 用金尾矿熔融制备堇青石基微晶玻璃。结果表 明， 该微晶玻璃具有良好的力学性能， 硬度可达到 6 55098 MPa， 弯曲强度达到 977 MPa， 密度为 2.460.09 g/cm3， 优于工业堇青石。彭飞等 ［45］研究了 以黄金尾矿为原料制备微晶玻璃及其形核析晶动力 学， 其晶化后的SEM照片如图4所示， 结果发现， 黄金 尾矿中的Fe2O3、 TiO2等氧化物有助于晶核的形成， 晶 粒快速生长， 相遇后停止生长， 这样可以得到纳米级 晶粒的微晶玻璃， 有助于提高微晶玻璃的弯曲强度 等力学性能。 与熔融法不同， 烧结法温度低、 熔化时间短， 更 易晶化， 且不需要添加形核剂， 节能降耗。邢军等 ［46］ 在金矿尾矿中加入适量的镁、 铝材料和网络结构调 整氧化物， 烧结得到以堇青石、 尖晶石及顽火辉石固 溶体为主要晶相的微晶玻璃。其特点是引入离子半 径小、 场强大的阳离子氧化物， 使离子聚集紧密， 形 成的配位多面体牢固， 有助于提高材料的强度和化 学稳定性。刘心中等 ［47］以金尾矿为主要原料， 辅以 钙镁原料， 制备CaO-Al2O3-SiO2体系微晶玻璃。并且 在此基础上， 通过添加各种着色剂和其他添加剂， 制 得各种颜色的微晶玻璃花岗岩。结果表明， 与传统 装饰材料相比， 该制品的理化性能高于天然花岗岩， 成本较低， 市场需求广阔。刘瑄等 ［48］以焦家金矿尾 矿为基本原料， 通过控制最高烧结温度和结晶保温 时间来控制结晶量， 从而制备出以硅灰石为主晶相 的微晶玻璃。研究发现， 金尾矿的最大利用率可达 60， 综合利用率近90， 原料成本降低30， 综合成 本降低20， 产品指标符合国家建材行业 “建筑装饰 微晶玻璃” 的质量标准。在制备过程中加入着色剂， 制备得到的微晶玻璃可呈现黄色、 绿色和灰色等不 同花色， 能够用于装饰行业微晶玻璃板的工业化生 产。曹耀华等 ［49］以灵湖金尾矿为主要原料， 按一定 比例与氢氧化铝、 碳酸钠、 氧化钙和氧化锌混合， 通 过熔融、 水淬和热处理制取以β硅灰石为主晶相的微 晶玻璃产品。结果表明， 最佳的热处理制度是烧结 温度892 ℃， 结晶温度976 ℃， 所得产品结构更加致 密， 抗弯强度更高。 利用金尾矿制备微晶玻璃， 在其制备过程中同 时可以消纳大量粉煤灰、 废玻璃等其他工业固废， 不 仅解决了大量固废带来的环境问题， 还能提高产品 附加值。但是， 由于金尾矿成分复杂， 还需要进一步 加强形核及晶化机理的研究， 形成配套的产业化技 术。综合利弊， 微晶玻璃将会成为金尾矿处理的一 种重要形式， 其板材产品会在建筑领域得到更多应 用。 3. 2制备陶粒 陶粒是一种在回转窑中经发泡生产的轻骨料。 它具有球状的外形， 表面光滑而坚硬， 内部呈蜂窝 状， 有密度小、 热导率低、 强度高的特点， 其典型生产 工艺如图5所示。作为一种陶质颗粒， 其制备原料与 金尾矿成分相近。因此， 利用