資源與環境是當今人類社會面臨的兩大問題，社會的進步和經濟的發展，在消耗了大量資源同時，也造成了嚴重的汙染，金屬礦山尾礦便是其之一。隨著有色金屬開發規模的擴大和開採歷史的延長，尾礦堆積量逐年增加，不僅占用大量的土地，造成庫區周圍環境汙染，而且還需投入大量的資金用於尾礦庫的修築和維護管理，若存放不當，還將造成突發性事故的隱患。
銅尾礦是銅礦石經粉磨、選礦後產生的廢棄物，由矽酸鹽類、碳酸鹽類的非金屬礦物構成，含有生產水泥所需的矽、鐵、鋁等氧化物。本文對改性過的銅渣參與水泥砂漿和混凝土的製備進行了概述，旨在盡可能地消化再利用銅尾礦，減少土地佔用率和節約環保費用，同時也為水泥行業找到一種新的廉價原料[1]。
1、銅渣組成分析
1、1 銅渣的主要礦物組成：
隨著銅冶金技術的不斷發展, 傳統的煉銅技術包括鼓風爐熔煉, 反射爐熔煉和電爐熔煉,正在逐漸被閃速熔煉取代。煉銅爐渣主要成分是鐵矽酸鹽和磁性氧化鐵, 鐵橄欖石(2feo · sio2 )、磁鐵礦( fe3o4 ) 及一些脈石組成的無定形玻璃體[7]。水淬銅渣是熔融態煉銅爐渣在水淬池中經急冷粒化而成的玻璃質材料，外觀呈棕黑色, 質地堅硬,稜角分明,表面光滑。
銅渣主要由鐵矽酸鹽和磁鐵礦相組成，鐵含量在40 % 以上。由於受現代銅冶煉工藝不同的影響, 其所產生銅渣的礦物組成也不同。一般銅渣的主要礦物組分是鐵橄欖石、磁鐵礦、銅梳等[3]。
1. 2 銅渣的主要化學成分
銅的冶煉由於工藝不同所產生銅渣的化學組成也不同。下面是不同冶煉方法產生的銅渣常見的化學成分。
1. 3 銅渣的物理指標
雲南某冶煉廠銅渣的顆粒組成和物理指標見下表。
2、尾礦作水泥混合材使用的可行性分析
水泥混合材長期使用活性材料（如高爐礦渣、粉煤灰、火山灰質材料），由於活性混合材能參與水泥的水化反應，其新增對水泥強度影響較小。[2]
2.1 尾礦作非活性材料的應用試驗：
試驗選取海螺水泥廠熟料、湖南嶽陽石膏、海螺水泥廠石子及煤矸石、銅陵某礦2023年年度平均尾礦樣為混合材粉磨製成水泥樣進行試驗。混合材配比（%）試驗方案見表1表1
檢測結果見表2 表2
結果分析:從上表檢測結果看:t1-t5五組試驗安定性和凝結時間均正常。
t1空白試驗28天的抗壓強度59.5mpa,t2 28天抗壓強度41.5mpa,t3 28天抗壓強度
為69.7%，t3/t1為84%。根據gb12958-1999國家標準附錄a中規定，水泥膠砂28天抗壓強度比大於或等於75%的為活性材料，小於75%的為非活性材料，故粉煤灰為活性材料，所取銅尾礦為非活性材料。
從t4和t5兩組實驗比較也能發現，摻尾礦樣28天抗壓強度為35.2mpa，能滿足國標pc32.5r水泥要求。
因此銅尾礦可以作為非活性混合材生產復合矽酸鹽水泥。
2.2 尾礦作活性材料的應用研究
從地質成礦條件分析，銅礦屬熱成礦，其礦物物性應與火山灰質材料相似。其活性不能表現是因為某種抑制。據此探索有關激發劑對銅尾礦進行改性試驗。
試驗結果:
試驗結果分析:
從檢測報告的檢測結果看：t1-t9九組試驗安定性和凝結時間均正常。
t1空白試驗28天抗壓強度55.8mpa,t2試驗28天抗壓強度45.1mpa,t5試驗28天抗壓強度為81.
36%,t5/t1為73.65%。如按火山灰質矽酸鹽水泥生產，根據gb/t2847-1996國家標準水泥膠砂28天抗壓強度比 62% 的為火山灰質活性材料，62%的為非活性材料，因此，所取尾礦樣為火山灰質活性材料。
有待按該標準附錄a中規定進行火山灰性試驗。
試驗結果評價：
通過本次試驗分析，所選外加劑（激發劑）的摻入能對尾礦進行物理、化學激發改性，可使尾礦活性大為提高，使其具備很好的水化活性，效能類似於高爐礦渣和粉煤灰，且品質穩定，與其它火山灰質材料有一定的相容性，並能吸收游離氧化鈣，並改善水泥安定性。且t5、 t7 、t8、 t9 28天抗壓強度（mpa）達41.1、48.
3、44.5、41.3，比國標火山灰質矽酸鹽水泥32.
5# 水泥28天抗壓強度32.5mpa的指標尚高9、15.8、12、8.
8mpa。。因此尾礦作火山灰質活性混合材使用摻量可超過30%。但尾礦作火山灰質活性混合材使用必須按gb/t2847-1996 標準附錄中規定進行火山灰性試驗且合格，並作為水泥新型混合材報省級建材主管部門審批[2]。
3、銅渣活性激發
3.1 熱激發
將銅渣分別於850，900，950，1 000，1 050 ℃進行了煅燒，**銅渣在不同溫度和不同煅燒時間下的晶體變化，為銅渣的綜合利用提供可靠的基礎資料。採用xrd 法和sem/edx 法表徵了銅渣在不同煅燒溫度和不同煅燒時間下的晶相結構和顯微結構。實驗結果表明：
隨著煅燒溫度的提高和煅燒時間的延長，銅渣中組分晶相發生如下轉變過程：2feo·sio2+0. 5o2→α － fe2o3 + sio2和fe3o4→γfe2o3→αfe2o3． 氧化煅燒處理可以實現銅渣中主要晶相鐵橄欖石離解，氧化鐵的富集和析出[8]。
3.1 機械激發
銅渣雖然含有c2s、c3s 活性體, 具有膠凝活性,但相比於水泥活性很低, 在水泥中應用通常通過機械或化學的方式對銅渣的活性進行激發。機械激發是指通過機械粉磨以增加銅渣的細度提高比表面積, 破壞銅渣中的玻璃體, 將包裹在裡面的矽酸鹽和鋁酸鹽等活性礦物暴露出來, 增加與水的接觸面積。銅渣的細度越大, 活性越大,當比表面積達到400-550m2/kg 時, 活性被充分激發出來,之後活性增加不再明顯,並且粉磨難度增大,存在破碎一團聚平衡, 成本增加[3]。
3.2 微波激發
礦石中有用礦物(不含鹵化物)主要分為兩大類:硫化礦和氧化礦。前人的研究結果表明,大多數硫化礦物和部分氧化礦物在微波場中的公升溫速率很快,而二氧化矽等脈石礦物在微波場中的公升溫速率均較慢,甚至不公升溫。
根據微波的選擇性加熱和快速加熱的特點,對礦石進行微波處理,由於加熱的不均勻,使礦石內部的應力狀況發生改變,達到一定程度,礦石上就出現微裂紋,這不僅使有用礦物暴露出來,同時也降低了礦石的硬度。這對於硬度較大的礦石的破碎、研磨和低品位複雜多金屬礦石的礦物解離意義重大[9]。
sw kingman等人還在2023年研究了微波預處理對鉛鋅礦石破碎程度的影響。預先進行了鉛鋅礦石經微波處理的硬度試驗。礦石硬度的變化由礦石在微波場中的停留時間決定,並且進行了經微波處理的樣品與未經微波處理的樣品的硬度變化比較。
利用一台多模式諧振腔微波加熱器進行試驗,結果發
現,當所用微波功率為15kw、輻射時間為0. 5 s時,礦石硬度明顯降低,對於粒度14. 53mm的礦石,礦石硬度降低40%以上。
在該型別加熱器腔體中,利用低功率進行試驗,輻射效果不明顯。單模腔體初步試驗在微波功率為10kw、停留時間0. 1 s下進行,礦石硬度降低50%。
試驗結果表明,高電場強度對礦石的破壞有重要意義。初級能量平衡試驗表明,單模加熱對礦石硬度降低更有好處。
3.3 銅渣冷卻方式與活性的關係
銅渣的冷卻速度對銅渣的活性起著決定性作用。目前, 銅渣冷卻方式有自然冷卻、水淬、保溫冷卻加水淬三種冷卻方式。銅渣中銅礦物結晶粒度大小和銅渣的冷卻速度密切相關, 銅渣緩慢冷卻有利於銅相粒子遷移聚集長大和改善渣的可磨性
, 這是銅渣浮選的關鍵。在銅渣的緩冷過程中, 銅渣熔體的初析微晶可通過溶解一沉澱形式成長, 形成結晶良好的自形晶或半自形晶,同時有用礦物擴散遷移、聚集並長大成相對集中的獨立相,易於磨礦單體解離和分別**。急速冷卻會使銅渣形成非晶質構造,這種非晶質構造會阻止微晶粒析出和遷移聚集, 進而阻止析出的銅相粒子的長大, 使銅渣中的銅粒子晶粒細而分散, 既使細磨也很難使其達到單體解離,致使銅渣中的銅難以浮選**。
研究表明,1000 ℃ 以上的銅渣冷卻, 其冷卻速度以不大於1 一3 ℃/ m in 為宜, 此時銅渣中基本上沒有相變發生, 即採用緩慢冷卻; 1000 ℃ 以下採用自然冷卻或噴水冷卻不會對銅渣的可磨性和浮選效能產生太大影響。對於建築材料中選用的銅渣, 最好選1000 ℃ 以下噴水冷卻的銅渣, 這樣既可保證銅渣的可磨性, 也可保證銅渣的活性[3]。
4、生料的易燒性
4.1 水泥生料易燒性
在理論上是指該生料組分是容易轉變成水泥熟料相物質的數量, 而實際上通常用生料按一定制度煅燒後, 熟料中f 一ca o 含量來衡量。因此,為了研究銅尾礦全代鐵粉配料的生料易燒性, 將率值相同的兩組配料在相同煅燒條件下進行煅燒, 用甘油酒精法測f 一ca o 含量, 試驗結果見表4
由表4 及表5 結果發現, 無論是在相同煅燒溫度下, 還是在相同保溫條件下, 率值相同時, 用銅尾礦全代鐵粉緞燒的b 組熟料的f 一ca o 含量都低於鐵粉配料的a 組熟料, 這說明用銅尾礦配料的生料易燒性較好。
眾所周知, 熟料的最低共熔溫度與液相粘度決定於系統組分的性質和數量。由於銅尾礦中有fe o 的加入, 使熟料液相組成發生變化, 而fe o 的熔點低於fe 2 o 3 , 使熟料最低共熔物的熔點降低, 液相提前出現,液相粘度降低, 從而促進固相反應, 加速熟料的生成,降低了f 一c a o 的含量; 另外, 銅尾礦中還含有豐富的微量元素, 因其本身的熔點很低, 於10 0 0 ℃ 左右即開始熔融, 所以對水泥熟料的低溫鍛燒將產生積極作用。
此外, 銅尾礦全代鐵粉配料, k h = 0 . 88 時f -c a o 含量較相同煅燒條件下k h = 0 .92的低。
這是由於k h 值減小, 相應生料中c ao 含量減少, sio2 含量
相對提高, 阿利特形成過程中有更多的sio2與ca o飽和, 使f 一c ao含量較低[4]。
4.2 熟料游離鈣與銅尾礦摻入量的關係[5]
熟料f-c ao >3.5% , 會造成水泥安定性不良, 要使其小於3.5 % , 就必須找出銅尾礦摻量與熟料f-c a o 之間的定量關係。
我們選用了兩種游離鈣不同的熟料, 分別按一定比例摻入銅尾礦, 進行游離鈣的測定，其結果見表4 。
從以上試驗看, 銅尾礦摻入量每增加5 % , 熟料中的f-c a oo可降低0. 2% 左右。當摻量增加到15% -20 % , 兩組熟料f-c a o 可降至3 .
5 % 以下。當然, 此關係也並非固定不變。
5、銅尾渣對水泥砂漿和混凝土強度及耐久性影響[6]
一項實驗調查研究了銅渣作為細骨料對水泥砂漿和混凝土的效能的影響。用不同比例的銅渣從0%（用於控制混合物）到100%作為細骨料替換，製備了各種砂漿和混凝土混合物。水泥砂漿混合物用抗壓強度評估，而混凝土混合物用和易性、密度、抗壓強度、抗拉強度、彎曲強度和耐久性來評估。
水泥砂漿的結果顯示所有混合了不同比例的銅渣的混合物取得了比參照物可比或更高的抗壓強度。同時，在銅渣的替代量達到50%時，砂漿的抗壓強度與參照物相比改善了超過70%。混凝土的實驗結果顯示，隨著銅渣含量的增加，混凝土的密度以將近5%的速率輕微增加，然而與參照物相比其和易性隨著銅渣比例的增加而顯著提高。
銅渣作為砂子的替代物，當替代量達到40-50%時，其混合物與參照物相比顯出了可比的強度。然而，新增更多的銅渣會導致混合物的強度降低，因為混合物中自由水含量的增加。同時，結果已被證實，隨著銅渣含量增加，其替代量達到50%前，混合物對表面水的吸收量不斷降低。
超過50%後，吸收速率會迅速增加，體積的滲透空隙率與參照物的不相上下。因此，建議40-50%（重量的砂）的銅渣作為細骨料的替代品以獲得乙個具有良好強度和耐久性的混凝土的需求。
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