1. 引言

    對礦山尾礦的處置一直是一個(gè)世界性的難題。隨著人類對礦產(chǎn)資源的不斷開采，尾礦排放量與日俱增。尾礦的堆積容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，造成大氣、土壤和地下水污染，甚至引起生態(tài)破壞。以低成本安全處置尾礦或使其資源化是人們追求的目標(biāo)。

    利用尾礦砂等固體廢棄物為原料制備礦物聚合材料，旨在取代水泥，減輕區(qū)域環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)礦山尾礦資源化。礦物聚合材料屬堿激發(fā)膠凝材料，是利用硅酸鹽、鋁酸鹽和鋁硅酸鹽(工業(yè)廢渣、礦渣、建筑垃圾、尾礦、高嶺石等與堿性硅酸鹽溶液在20～120℃的低溫條件下成型固化生成的一類“無縫石”。其中的基體相呈非晶態(tài)或半晶態(tài)，強(qiáng)度較低，但與鋁硅酸鹽物質(zhì)形成化學(xué)鍵后即可形成高強(qiáng)材料。產(chǎn)品具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堿金屬離子分布于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間以平衡電價(jià)。聚合作用過程以水為介質(zhì)，聚合后又將大部分水脫除，包括固體硅酸鹽顆粒表面的硅鋁組分在堿溶液中溶解、硅鋁復(fù)雜離子團(tuán)擴(kuò)散到粒子之間、溶液中硅酸鹽與硅鋁復(fù)雜離子團(tuán)形成凝膠相及凝膠排除自由水并固化4個(gè)過程。

    2 礦物聚合材料的性能

    (1)強(qiáng)度高、固化速度快。礦物聚合材料的化學(xué)組成為鋁硅酸鹽，其基體相呈非晶質(zhì)至半晶質(zhì)相，具有[ＳｉＯ4]和[ＡｌＯ4]四面體隨機(jī)分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堿金屬或堿土金屬離子分布于網(wǎng)絡(luò)孔隙之間以平衡電價(jià)。由于礦物聚合材料具有類似有機(jī)聚合物的鏈狀結(jié)構(gòu)，且能夠與礦物顆粒表面的[ＳｉＯ4]和[ＡｌＯ4]四面體通過脫羥基作用形成化學(xué)鍵，因而具有無機(jī)化合物和有機(jī)化合物的共同特點(diǎn):(1)材料強(qiáng)度高、硬化快。其摩氏硬度為4～7，抗壓強(qiáng)度≥15ＭＰａ，抗折強(qiáng)度≥5ＭＰａ，完全可滿足建筑結(jié)構(gòu)材料的要求。采用改進(jìn)的工藝制備的礦物聚合材料,其抗壓強(qiáng)度可達(dá)32～60ＭＰａ，具有更為廣泛的應(yīng)用范圍。碳纖維增強(qiáng)礦物聚合材料的抗彎強(qiáng)度可達(dá)245ＭＰａ，拉伸強(qiáng)度327ＭＰａ，抗剪強(qiáng)度14ＭＰａ，在800℃下，可保持其63%的原始抗彎強(qiáng)度。通常在成型硬化的前4ｈ,礦物聚合材料所獲得的強(qiáng)度即可達(dá)適合終強(qiáng)度的70%，因而類似于快硬水泥，但其物理性能卻優(yōu)于水泥。尤為重要的是，此類材料在用于建筑物后，其強(qiáng)度還會(huì)隨時(shí)間的延長而進(jìn)一步發(fā)展。值得一提的是，礦物聚合材料的成分和礦物組成與古埃及的金字塔的成分極為相似。

    (2)抗凍融性能優(yōu)異，耐酸堿腐蝕性優(yōu)良。此類材料具有較高的密實(shí)度，抗凍融性遠(yuǎn)由于普通硅酸鹽水泥制品。該材料在有機(jī)溶液、堿性溶液和鹽水中也很穩(wěn)定，在濃硫酸中較穩(wěn)定，在濃鹽酸中穩(wěn)定性差。與普通水泥和鈣鋁硅酸鹽水泥相比，礦物聚合材料在5%的硫酸和鹽酸溶液中的分解率適合低。與波特蘭水泥相比，礦物聚合材料不存在堿骨料反應(yīng)的問題，因而耐久性能良好。

    (3)滲透率低，可固化有毒廢物。礦物聚合材料的滲透率與波特蘭水泥接近，可用于固封有毒金屬及放射性核廢料。尾礦和礦泥形成聚合物后,金屬離子的浸出率大大降低。

    (4)低收縮率和低膨脹率。與波特蘭水泥相比，礦物聚合材料的收縮率要低得多。

    (5)耐高溫和低導(dǎo)熱率。礦物聚合材料的耐火度>1000℃,熔融溫度達(dá)1050～1250℃，導(dǎo)熱系數(shù)0.24～0.38Ｗ/ｍＫ，與輕質(zhì)耐火粘土磚相近(0.3～0.4Ｗ/ｍＫ)。所用原料為天然鋁硅酸鹽礦物或工業(yè)固體廢物，因而材料具有良好的防火性能。作為建筑結(jié)構(gòu)材料,可滿足防火阻燃的消防要求。

    (6)生產(chǎn)工藝簡單，能耗極低。礦物聚合材料的制備工藝過程為:天然鋁硅酸鹽礦物原料或工業(yè)固體廢物（粉煤灰、尾礦等）→原料粉體制備→配料(+堿性溶液)→注模或半干壓成型→可溶性物相組分溶解→生成凝膠相→凝膠相固化→制品。其生產(chǎn)過程無需普通粘土磚常用的燒制工序，也無需加氣混凝土制品的蒸氣養(yǎng)護(hù)工序，材料的固化溫度一般在常溫至60℃，依靠各種物料之間的低溫化學(xué)反應(yīng)，即可使凝膠相固化，因而其生產(chǎn)能耗極低。

    (7)原料來源廣,成本低廉。生產(chǎn)原料包括固體鋁硅酸鹽、堿激發(fā)劑和模板材料。其中固體鋁硅酸鹽可采用各種硅鋁質(zhì)礦物和工業(yè)固體廢物，如高嶺石、沸石、粉煤灰、水淬爐渣、火山灰、石英砂、尾礦、活性鋁土礦和建筑廢棄物等。

    3．可行性與建議

    以工業(yè)固體廢物為主要原料制備的礦物聚合材料，是一種新型綠色建筑結(jié)構(gòu)材料，可作為普通粘土磚和部分水泥制品的更新?lián)Q代材料。其生產(chǎn)過程符合高效節(jié)能和“清潔生產(chǎn)”的環(huán)保要求，同時(shí)又可大量消耗已堆存的礦山尾礦（制磚時(shí)可望占磚體總量的80%）和其它工業(yè)固體廢物，消除這類固體廢物造成的大氣浮塵污染源，可顯著減輕生產(chǎn)粘土磚和水泥過程因燃煤而造成的溫室氣體排放、酸雨污染和土地資源浪費(fèi)。

    成本方面：在生產(chǎn)普通標(biāo)磚和砌塊時(shí)，成本與水泥灰砂磚持平，但性能要優(yōu)越的多；在生產(chǎn)高強(qiáng)、保溫、耐侯性強(qiáng)的建材制品時(shí)，成本要比其他膠凝材料低得多。

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