从矿山尾矿中生产人工骨料的工艺，人工骨料，混凝土组成和用途

摘要

本发明涉及一种从矿坝尾矿中生产人工骨料的工艺。将铁矿尾矿砂与粘合剂混合，通过混合和造粒过程，形成人工骨料。这样生产出来的人工骨料具有球状外形，颗粒尺寸较大，表面粗糙，颜色从粉红色到暗红色不等。所述人工骨料可以取代天然骨料，用于制造更高强度的混凝土，适用于公路的基层和底基层，可作为花园和花坛的装饰元素，此外还可以作为一种以球团颗粒形式储存矿坝尾矿的方式，增加尾矿价值，减少采矿对环境的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种从矿坝尾矿中生产人工骨料的工艺。将铁矿尾矿砂与粘合剂混合，通过混合和造粒过程，形成人工骨料。这样生产出来的人工骨料具有球状外形，颗粒尺寸较大，表面粗糙，颜色从粉红色到暗红色不等。所述人工骨料可以取代天然骨料，用于制造更高强度的混凝土，适用于道路的基层和底基层，可作为花园和花坛的装饰元素，此外还可以作为一种以球团颗粒形式储存矿坝尾矿的方式，增加尾矿价值，减少采矿对环境的影响。

背景技术

用于民用建筑和道路基层和底基层的骨料，通常采用来自片麻岩、花岗岩、石灰石采石场以及其他岩石的天然骨料。这些采石场通过获得联邦矿产特许权进行开采。由于采石场开采会对城市社区附近产生环境问题，因此，不允许在大城市内开采矿石。就道路而言，沿道路开采矿石需要获得开采许可证。因此，天然骨料的生产既昂贵又复杂，需要获得许可证，还涉及钻探、爆破、破碎、筛选和清洗等过程。

铁尾矿是工业设施中铁矿石经过选矿和浓缩工艺残留的废弃物。由于矿石类型和选矿工艺不同，尾矿在其诸如粒度、矿物学、密度和颗粒形状等特征上呈现出很大差异。因此，铁尾矿的属性可能会有所不同，从具有极细粒度的高可塑性材料到具有砂质特征的非可塑性材料(MACHADO,W.G.F.(2007)。尾矿拦截坝监测。硕士论文。圣保罗大学理工学院，圣保罗。第155页)。

采矿尾矿已经被用于混凝土生产，作为民用建筑的原材料。Franco和合作者将铁矿坝的泥浆作为人工骨料，以0.5％、5％、10％和50％的比例替代混凝土中使用的天然细骨料(FRANCO,L.C.等，矿山尾矿作为骨料在混凝土生产中的应用。2014年，第56届巴西混凝土大会-Natal/RN.Ed.：IBRACON.ISSN.：2175-8182.葡萄牙语，第561页，2014年)。

由于铁尾矿的相对惰性且粒径明显大于水泥等特征，它可被当作细骨料使用。因此，铁尾矿具有替代天然砂作为细骨料的潜力，是一种更便宜、更环保的替代品(ZHAO,S.；FAN,J.；SUN,W.铁矿石尾矿作为细骨料在超高性能混凝土中的利用。建筑和建筑材料，第50卷，第540-548页。2014年；(HUANG,X.；RANADE,R.；NI,W.；LI,V.C.以铁尾矿作为骨料的绿色工程水泥基复合材料的开发。建筑和建筑材料，第44卷，第757-764页)。

使用铁矿坝尾矿作为原料，尽量将天然材料开采和工程对环境造成的影响降到最低，这无疑是最先进的战略选择。

题为“利用铁矿坝尾矿作为道路基础设施建设的原料”的BR1020130312606号巴西专利申请，报告了通过尾矿和水硬性粘合剂、火山灰、石灰、矿渣、水泥等组成的混合物，以利用铁尾矿作为道路基础设施和城市道路建设原料的一种方法。然而，这种方法涉及到物理混合和机械压实，或者通过化学作用使混合物硬化，或者通过压实机械能，或这两种方法组合使用。

本领域还包含其他技术，涉及应用于混凝土或道路的人工骨料，特别是由工业废料或民用建筑垃圾生产的骨料，以降低工业废料的处理成本和环境负荷。其中，值得注意的有以下几项技术：

题为“利用铝土矿尾渣生产再生骨料的方法”的KR101631276号韩国专利文件，描述了一种人工刚性骨料，该再生骨料通过铝土矿尾渣、水泥、添加剂(包括固化剂和无机粘合剂)组成的混合物的凝固过程，表现出稳定强度水平，可用作土壤改良过程中的排水材料或类似材料。

题为“人工骨料”的JP2005104804号日本专利文件，提出了一种通过加热和烧结由煤灰、铝灰、水泥和水组成的模制体形成人工骨料的材料，可用于混凝土生产和铺路材料。

题为“利用建筑垃圾制造人工骨料的方法”的JP2008137842号日本专利文件，提出了一种利用从拆除建筑物中产生的建筑垃圾(如废玻璃、碎石块和混凝土块)生产人工骨料的方法。首先将这些废弃物与水泥和水混合，然后进行造粒过程。

因此，现有技术所包含的人工骨料，其应用仅限于从建筑垃圾或工业废弃物(如铝土矿渣和煤灰)生产的建筑材料。采用铁矿坝尾矿作为道路基础设施建设原材料的引文涉及到道路现场压实混合物，这是一种由各种投入物组成、经过挤压或压实的材料。在现有技术中，尚未有任何技术能够将铁矿坝尾矿作为原料，用于制造能够在诸如民用建筑等应用中后期使用的骨料。

发明内容

本发明公开了一种从铁矿坝尾矿中获得的人工骨料，所述骨料由尾矿细砂和粘合剂(如水泥或沸石)组成，然后经过混合和造粒过程，使产品呈现出球状外形，其颗粒尺寸较粗(4.8～16mm)，表面粗糙，颜色从粉红色到暗红色不等，其物理特性适用于诸如民用建筑、高速公路底基层、以球团颗粒形式储存矿坝尾矿、花园和花坛装饰元件等用途。本发明还描述从铁矿坝尾矿中制造所述人工骨料的一种高效有效工艺，以及使用所述人工骨料作为天然砾石的部分替代物，用于民用建筑的混凝土组合。人工骨料能够取代混凝土中的天然骨料(砾石)，使混凝土在使用天然骨料时具有相容强度(轴向抗压强度-NBR 5739:2007)。

附图说明

附图1示出了本发明提出的用采矿尾矿砂生产人工骨料的工艺流程图。

附图2示出了根据本发明描述的方法生产的人工骨料球团颗粒。

附图3示出了使用天然骨料和混合物I和III的标准形式的混凝土砂浆。

具体实施方式

本发明涉及一种从矿坝尾矿生产人工骨料的工艺。铁矿尾矿砂与粘合剂混合，通过混合和造粒过程，形成人工骨料。这样生产出来的人工骨料具有球状外形，颗粒尺寸较大，表面粗糙，颜色从粉红色到暗红色不等。所述人工骨料可以取代天然骨料，用于制造更高强度的混凝土，适用于公路的基层和底基层，可作为花园和花坛的装饰元素，此外还可以作为一种以球团颗粒形式储存矿坝尾矿的方式，增加尾矿价值，减少采矿对环境的影响。

人工骨料的生产工艺将在室温下进行，包括以下步骤：

a.提供粒度在0.03～11mm之间的采矿尾矿砂；

b.将尾矿砂和粘结剂混合，其中混合物组成比例为65％～85％(重量比)的采矿尾矿和15％～35％(重量比)的粘结剂，混合约30～60分钟，直至混合物均匀为止；

c.在室温下将混合物在造粒机中造粒，以喷雾方式加水；

d.在室温下对球团颗粒进行1～14天的固化。

步骤“a”中提到的采矿尾矿可以是来自铁矿坝的尾矿细砂，含有针铁矿、赤铁矿、石英、高岭石等矿物，优选含三水铝石的矿物。

如果尾矿砂的含水量低于20％，则应在具有以下优选特征的连续作用式搅拌机中混合：带有调节流量隔膜的混合室、中央转子、桨叶式混合工具和侧刮板。根据混合物中水的均匀性，旋转速度应保持在10～45rpm之间。

如果尾矿砂的含水量大于20％(重量比)，则需要在混合和造粒之前，即在步骤“a”之后，进行干燥处理。干燥过程可以是自然的，也可以在用于干燥河道疏浚砂的旋转式干燥机中进行。干燥完成后，可根据步骤“b”将尾矿砂与粘结剂在混合器中混合，或者通过同时添加尾矿砂与粘结剂，可在具有可调边缘的造粒盘中与粘结剂混合。

步骤“b”中提到的粘结剂可以是商业性沸石或在废石煅烧后用采矿废料本身生产的沸石。

粘结剂是通过闪蒸技术，在750～950℃之间煅烧铁矿废石与CPV波特兰水泥混合物从而得到的火山灰，其混合比例为煅烧废石25％～30％(重量比)和CPV波特兰水泥70％～75％(重量比)。

优选地，在步骤“c”中应具有可调节高度边缘的造粒机。考虑到400公斤的重量，转速应控制在10～25rpm之间，使用40°～50°的圆盘倾角，持续30～70分钟。造粒过程在室温下进行。在步骤“c”的造粒过程中，当混合物含水量低于8％时，应持续喷雾。形成球团的最佳湿度应保持在4％～12％。

最后，如步骤“d”所述，球团颗粒应在室温下进行1～14天的固化处理。

通过所述工艺得到的人工骨料由65％～85％(重量比)的采矿尾矿和15％～35％(重量比)的粘结剂组成，经过混合造粒，产品呈球状外形，具有较大颗粒尺寸(4.8～16mm)，表面粗糙，颜色从粉红色到暗红色不等，优选直径范围介于砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)、砾石00(B00：-9.5mm+4.8mm)或砾石B0/B1(B0/B1：-16mm+9.5mm)之间。

来自于矿坝尾矿的人工骨料可用于混凝土生产，适用于公路基层和底基层；可以作为一种球团颗粒形式储存矿坝尾矿；或作为花园和花坛的装饰元素。

本发明还提出了一种采用人工骨料的混凝土组合物，其特征在于包括：

15.2％～18.6％(重量比)的波特兰水泥；

32.8％～34.3％(重量比)的天然砂；

48.5％～50.4％(重量比)的骨料(仅人工骨料，或人工骨料和天然骨料的混合)。

组合物百分比是指以干基计的质量百分比。为获得混凝土，必须向组合物中加水。

使用人工骨料的混凝土组合物可以只含有人工骨料，也可同时含有人工骨料与天然骨料(砾石)。

在使用人工骨料的混凝土组合物中，骨料重量百分比可分为：25.2％(重量比)的砾石B0/B1(B0/B1：-16mm+9.5mm)和25.2％(重量比)的砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)；或24.3％(重量比)的砾石B0/B1(B0/B1：-16mm+9.5mm)和24.3％(重量比)的砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)；或12.1％(重量比)的砾石00(B00：-9.5mm+4.8mm)和36.4％(重量比)的砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)。

在不限制本发明范围的情况下，通过以下实施例可更好地理解本发明原理。

实施例1-人工骨料生产工艺

获得人工骨料的过程如图1所示。将铁矿尾矿砂与粘结剂混合，通过在室温下的混合和造粒过程，形成能够替代天然粗骨料的人工骨料，为混凝土提供符合NBR 5759巴西标准的机械强度。

铁矿坝中的尾矿砂粒度在0.03～11mm之间。其矿物成分的百分比变化很大，但硅铁矿物组成这一矿物类型恒定。

表1列出了从铁矿坝获得的尾矿样本的矿物成分。需要指出的是，本发明重点关注矿坝尾矿的使用，主要是含有针铁矿、赤铁矿、石英、高岭石，优选含有三水铝石矿物的尾矿细砂，但也可以使用具有合适特性的其他尾矿。

表1-铁矿坝尾矿中矿物成分百分比

人工骨料制造过程的第一步是将铁矿坝的65％～75％的尾矿砂(细粒-中粒)与25％～35％的粘合剂进行混合。

如果尾矿砂的含水量低于20％，则应在具有以下优选特征的连续作用式搅拌机中混合：带有调节流量隔膜的混合室、中央转子、桨叶式混合工具和侧刮板。根据混合物中水的均匀性，旋转速度应保持在10～45rpm之间。

如果矿坝尾矿砂的含水量超过20％，应进行干燥处理。这个过程可以是自然的，也可以是在用于干燥河道疏浚的沙子的旋转式烘干机中。在这种情况下，没有必要使用混合器。优选地，干燥后的尾矿砂与粘结剂应同时添加进具有可调边缘的造粒盘中。

粘结剂应商业性沸石或在废石煅烧后用采矿废料本身生产的沸石。铁尾矿应在750～950℃之间利用闪蒸技术进行煅烧。煅烧废石与CPV水泥的混合物形成的粘结剂，其混合比例为煅烧废石25％～30％(重量比)和CPV波特兰水泥70％～75％(重量比)。

接下来，将均质混合物倒入具有可调高度边缘的造粒机中。带有可调边缘的造粒盘转速应在10～25rpm之间，倾斜度应在40°～50°之间。考虑到400公斤的重量，混合物在造粒机中的停留时间应控制在30～70分钟之间。造粒是在室温下进行的，也就是说，没有后续的造粒燃烧步骤。

在造粒过程中，当混合物的含水量低于8％时，会出现持续喷雾。球团颗粒形成的最佳含水量在4％～12％之间。

所得产品为近似球形的粒料，表面粗糙，尺寸较大，颜色从粉红色到暗红色不等，将作为人工骨料使用。表观密度在1800～2000kg/m

优选地，粒料直径范围应控制在砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)、砾石00(B00：-9.5mm+4.8mm)或砾石B0/B1(B0/B1：-16mm+9.5mm)之间。

造粒过程完成后，粒料应在室温下进行固化处理。粒料具有足够机械强度的固化时间从24小时到21天不等，具体取决于制造直径和预期用途。

实施例2-人工骨料的用途

来自于矿坝尾矿的人工骨料可用于混凝土生产，适用于公路基层和底基层；可以作为一种球团颗粒形式储存矿坝尾矿；或作为花园和花坛的装饰元素。

本发明提出的采用人工骨料的混凝土组合物，其成分包括：15.2％～18.6％(重量比)的波特兰水泥；32.8％～34.3％(重量比)的天然砂；48.5％～50.4％(重量比)的骨料(仅人工骨料，或人工骨料和天然骨料的混合)。

为了获得混凝土，必须向组合物中加水。

在所述混凝土组合物中，骨料重量百分比可分为：25.2％(重量比)的砾石B0/B1(B0/B1：-16mm+9.5mm)和25.2％(重量比)的砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)；或24.3％(重量比)的砾石B0/B1(B0/B1：-16mm+9.5mm)和24.3％(重量比)的砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)；或12.1％(重量比)的砾石00(B00：-9.5mm+4.8mm)和36.4％(重量比)的砾石0(B0：-12.5mm+4.8mm)。

应用于混凝土的本发明人工骨料技术，可以取代天然骨料(砾石)，也可以与天然骨料结合使用。天然骨料与水泥和混凝土之间没有化学亲和力(触变性)。另一方面，人工骨料由于表面粗糙的特性从而提高了混凝土强度。

在道路建设中，来自矿坝尾矿的人工骨料可用于构成道路的基层和底基层。使用时应在土壤中混合人工骨料，然后按照现行技术标准进行压实处理。

人工骨料的球状外形除了能提供更好的储存效果外，还能提供更大的机械强度，因为在堆积排列或存放在露天堆场受雨淋时，球体之间可以通过空隙排水。

采矿坝通常会将泥浆(极细粒度的采矿尾矿)和带水砂堆放在一起，这使得大坝不稳定，存在破裂风险。人工骨料可以无水堆放在所述场地或矿坝内，也可以存放在堆场内。而且，人工骨料还可以用作混凝土骨料，道路基层和底基层的建筑元素，甚至是花园和花坛的装饰元素。

本技术具有高效经济地调动环境责任、增加采矿尾矿价值等优点。除此以外，由于人工骨料是一种球形惰性材料，因此易于储存，并且由于其良好吸水能力，有利于环境湿度调节，非常适合人工骨料在花园和花坛中的应用。

实施例3-抗压强度试验

表2中列出了人工骨料抗压强度与固化时间之间的关系。轴向抗压强度试验应遵循NBR 5739/2007中描述的方法和规范性规定。表2中的结果显示了人工骨料强度随固化时间的变化情况。这种变化达到了石灰石砾石的100％的强度。

表2-抗压强度与固化时间之间的关系

优选地，观察到的固化时间为14天。

图2中显示了通过本发明工艺获得的球团颗粒外观。从图中可以看到，从中心到边缘形成的层是同心的，是同一强度骨架。需指出的是，所述球团颗粒孔隙率非常低，即它们在浸泡时不吸水或不溶解。表观密度在1800～2000kg/m

实施例3-混凝土砂浆的抗压强度试验

在使用人工骨料成型和固化混凝土的过程中，遵循了NBR 5738/2003中描述的方法和规范性要求。图3显示了包含天然骨料和混合物I和III的标准混凝土砂浆。

根据表3所示剂量，通过包含人工骨料在内的不同混合物以标准方式获得的混凝土砂浆。

表3-获得标准混凝土砂浆的材料剂量和使用人工骨料混合物的材料剂量

砂浆压缩试验应遵循NBR 5739/2007-混凝土-压缩试验圆柱形试样中描述的方法和规范规定。表4列出了与标准相比的强度结果。

表4-与标准相比的抗压强度。

使用人工骨料的混合物强度，应至少等于使用天然骨料已达标准强度的同等重量砂浆强度的51.6％。

本发明专利保护范围内允许存在多种变化。本发明涉及的人工骨料具有可替代混凝土组合物中天然骨料的特殊用途。

不仅如此，本发明涉及的人工骨料适用于多种用途，例如道路基层和底基层的建筑元素、以球团颗粒形式储存在坝中的尾矿以及花园和花坛的装饰元素。无论在哪一方面，本发明的实施方式都应被视为仅出于示例目的而非限制目的。