创新实验研究报告

锂渣矿渣复合胶凝效应理论研究

研究报告

摘要：

锂作为重要的战略和稀缺能源金属，是国民经济和国防建设中具有重要意义的战略物资，但其生产过程中会产生大量的尾渣。为将锂渣大掺量、高效应用，本课题将锂渣复合矿渣应用于水泥基材料中，并对其复合胶凝效应机理进行了探讨，研究结果表明，随着锂渣-矿渣复合胶凝材料掺量增加,锂渣-矿渣复合胶凝体系对水泥胶砂强度的效率值降低,凝结时间延长；不同锂渣-矿渣配伍的水泥砂浆和水泥混凝力学性能随锂渣掺量增加呈现先增大后降低的趋势；水化产物的XRD、SEM分析结果表明，锂渣的掺入，水化产物中Ca(OH)2的取向度更好，含量更低，晶体尺寸相对更小，有利于浆体与集料界面间的粘结强度的改善。

关键词：锂渣、矿渣、复合胶凝效应、耐久性

一、前言

1.选题背景及意义

锂作为重要的战略和稀缺能源金属，是国民经济和国防建设中具有重要意义的战略物资，也是与人们生活息息相关的新型绿色能源材料，广泛用于核能、军事、航空、化工、能源、医药等领域。但其生产过程中会产生大量的尾渣，研究资料表明，硫酸盐焙烧法、硫酸焙烧法、石灰石烧结法等多种锂及其化合物提取工艺，所产生的废渣均占矿物总量的95%以上，而且含有大量的水分，呈泥浆状，回收利用非常困难。以江西赣锋锂业股份有限公司开发的“食盐压煮法”锂云母提锂工艺为例：其原料为宜春钽铌矿伴生锂云母精矿，含锂量约4%~5%，提锂量约3%~4%，考虑综合提取锂云母中钾、锂、铷、铯等其它有价金属后，仍有90%以上为工业废渣，尽管采用食盐压煮法提锂可以提升锂的浸出率，但仍会产生大量的锂渣。该公司第一期建设年产2000吨碳酸锂生产线，每年产渣约3万吨；第二期拟建设年产20000吨系列锂盐生产线，年产渣量约为30万吨。目前，锂渣的处理方法基本上是采取填埋和筑坝堆存。这样的处理方式不仅浪费而且对环境有害，造成土地、空气和地下水污染，大量锂

渣的产生一直困扰着锂金属生产企业。

锂渣的主要化学组成为SiO2、Al2O3、Na2O和CaO，其组成与建筑材料的原料成分很相似，在对锂渣-矿渣复掺于水泥胶砂实验研究中，发现其早期7d强度增强较大，且28d强度增强也十分明显，其性能甚至优于矿渣激活剂的效果。为将锂渣资源化利用，本文提出了对锂渣-矿渣复合胶凝效应机理进行研究，在此基础上对其配伍设计方法进行深入探讨，以期对锂渣综合利用与矿渣的激活提供科学的参考。

目前，我国矿渣绝大部分都用于水泥混凝土行业，随着矿渣在水泥混凝土中应用的深入, 大掺量矿渣混凝土具有广阔的发展前景。化学激活、机械激活和热激活等研究虽然取得了一定进展, 但是国内外对这三种活性激发方式的激活效果尚未达成共识，有待进一步研究。如能通过锂渣与矿渣的复合胶凝效应提高其在水泥混凝土中的掺量，无论是对降低水泥消耗量，推动建材行业的节能减排，还是实现锂渣的资源化利用都具有十分重要的意义。

2.锂渣的研究现状

国内生产锂盐最早的企业新疆锂盐厂，早在20世纪60年代中期开始，便与许多单位合作，先后对碱法锂渣的综合利用进行了大量的试验研究和技术开发工作，取得了大量成果[1]。从1987年开始转入稳定和正常生产后，酸法锂渣的利用被提到议事日程。经新疆锂盐厂申请，新疆有色公司批准，把解决锂渣对占地与环境的污染和探索大量综合利用锂渣的可能性列入“八五”计划中环境重点攻关项目，并上报中国有色金属工业总公司[1]。1990年总公司下达了以锂渣为混凝土原料的研究课题，由北京矿冶研究总院承担，新疆锂盐厂参与合作，经过三年多的试验研究，完成了课题任务，取得了重大进展[2,3]。1996年3月,总公司组织并通过了成果鉴定，认为利用锂渣作混凝土活性掺料，既消除了废渣对环境的污染，又开辟了混凝土作为掺合料的一条新的途径[1]。虽然取得了一定的成果，但实际利用却并不如意，据报道，新疆锂盐厂现每年排放锂渣5万吨，堆存的废渣仍有近110万吨，占地1.3万平方米[1, 4]。

在此之后的十几年时间里，众多学者对于锂渣或锂渣与其它工业废渣复掺作为掺合料配制混凝土的研究做了大量的工作：

1998年新疆农业大学的朱永斌[5]对新疆锂盐厂磨细锂渣及Ⅱ级锂渣（原形锂渣）在高低水胶比及不同替代量、替代方式下的形态效应进行了研究。新疆锂盐厂李春红、新疆天山水泥股份公司费文斌[6-9]等人对锂渣用途做了较为系统的阐述。重庆大学的张兰芳、陈剑雄等

人[10-17]围绕单掺锂渣、锂渣与粉煤灰、锂渣与矿渣粉、锂渣与石粉复掺高性能混凝土的工作性能、强度性能、抗碳化、抗冻性能等耐久性指标做了大量的试验研究工作，并取得了丰硕成果。清华大学土木工程系的赵若鹏教授通过将锂渣和硅粉进行复掺配制出了强度高达100MPa的大流动性混凝土[18]。

3.矿渣的研究现状

将矿渣用于制备胶凝材料起源于碱激发制备胶凝材料。碱激发胶凝材料是指利用碱性激发剂将具有潜在水硬性或火山灰活性的原材料进行化学激发而制得的一类胶凝材料。碱激发胶凝材料的发展过程可划分为三个历史阶段。第一阶段是1940 年比利时的Purdon 首次对碱及碱性盐激发矿渣粉制备胶凝材料进行了广泛的研究。第二阶段始于20 世纪80 年代，法国的J.Davsdovits 利用碱激发煅烧的偏高岭土制备了新型胶凝材料并获专利，1978 他将此类胶凝材料命名为“地质聚合物胶凝材料”。第三阶段是在20 世纪90 年代，研究人员在对碱矿渣胶凝材料和地质聚合物胶凝材料得出的成果基础上，开始了多组分复合高性能胶凝材料的研究工作。

在研究水化机理方面，，将水化过程分为了水化初期、水化早期以及水化后期三个阶段。潘庆林[21]研究矿渣在单一的水作用下的水化机理，得知矿渣微粉的早期水化是矿渣中的阳离子与水中离子之间不断发生置换，溶液的pH值不断升高，进而促进矿渣微粉加快溶解的过程。李立坤[22]则认为该体系水化存在溶解-沉淀和固相水化两种不同的反应。Krizan和Zivanovic[23]经研究表明水化首先是矿渣中的Ca-O，Mg-O，Si-O-Si，Al-O-Al以及Al-O-Si 键的断裂，接着在矿渣的颗粒表面形成Si-Al层，最后形成水化产物。

4.国内外研究存在的问题

对于利用矿渣生产胶凝材料方面国内外关于取得了大量的研究成果，包括矿渣活性激发、配方设计等研究，在探讨水化产物、水化机理以及胶凝材料耐久性方面也获得了一些进展。但其中仍有诸多争议：如国内外对矿粉的活性激发方式的激活效果尚未达成共识，对于其水化机理也有一定的分歧。国内对于锂渣作为胶凝材料的研究已取得一定的成果，但真正高效、高值化利用锂渣还难以达到。国内外将锂渣、矿渣复合来制备胶凝材料的研究较少，对于锂渣-矿渣复合胶凝体系的耐久性研究更少

5.课题理论意义和实际应用价值