以粉煤灰、铁尾矿为主要原料, 采用高温烧结活化-水热合成工艺制备了新型沸石化陶粒。利用高温烧结得到烧结陶粒的同时对原料中的莫来石等惰性相产生活化作用, 后续采用水热反应对基础陶粒进行沸石化改性, 增加其比表面积及吸附能力。研究表明最佳的制备工艺条件为:m(粉煤灰)∶m(铁尾矿)∶m(石英砂)=7∶1∶2, 烧结温度1 040 ℃, 烧结时间30 min, NaOH溶液浓度1.5 mol/L, 水热温度160 ℃, 水热时间12 h。XRD、SEM、FT-IR和Raman结果表明, 制备的沸石化陶粒的主晶相为P型沸石和方沸石, 其比表面积从基础陶粒的1068 m2/g增加至35.770 m2/g, 同时, 对NH+4-N离子的最大吸附容量由基础陶粒的1.82 mg/g增加至13.34 mg/g, 分别增加至基础陶粒的33.49倍和7.33倍, 结果表明沸石化陶粒在废水处理中具有潜在的应用前景。

尾矿库作为高势能的人造泥石流危险源, 在尾砂含水量过高时有溃坝风险, 低含水量状态下产生扬尘则会危害周围环境。 尾砂含水量实时、 动态监测对于尾矿库安全状况及矿区环境保护具有重要意义。 相比传统采样化验手段, 高光谱遥感拥有观测面积大、 数据实时易获取、 光谱信息丰富的特点, 为快速、 高精度尾矿水分监测提供了手段。 以鞍山-本溪铁矿群中的高硅型铁尾矿为研究区, 实地采集尾砂样品77个, 利用可见光-近红外(350～2 500 nm)光谱仪获取其光谱数据, 分析不同含水率尾砂光谱特征及机理； 引入竞争性自适应加权重采样法(CARS)筛选水分敏感波段, 并基于敏感波段建立三维波段光谱指数(TBI), 结合随机森林(RF)、 粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)及卷积神经网络(CNN)算法建立尾砂水分反演模型, 以国产高分五号高光谱卫星为数据源进行模型应用, 获取尾矿库表层含水时空分布特征。 结果表明: (1)尾砂光谱反射率随含水率升高明显下降, 在1 455和1 930 nm处出现O—H吸收特征, 吸收深度随含水率减小而逐渐减小； (2)基于CARS方法能够对高光谱数据(305波段)有效降维, 筛选出18个水分敏感波段, 进一步利用敏感波段构建不同形式的尾砂含水率TBI指数集, 其中三维差值指数TBI5=(R1 097.47-R1 990.67)-(R1 990.67-R437.39), 与水分含量相关性最高, 达到0.84； (3)对比RF, PSO-ELM及CNN方法以及不同形式的输入数据, 基于尾砂含水率TBI指数联合反射率数据集作为输入数据进行CNN建模, 室内光谱模型达到验证精度R2=0.92, 相对分析误差RPD=3.43, 基于该模型利用高分五号卫星数据反演可获取研究区尾砂含水率空间分布结果, 实地验证R2达到0.79, 相对分析误差RPD=2.20, 获得较好的预测效果。 可为基于高光谱技术的铁尾矿水分含量大面积实时快速监测提供参考。

铁尾矿是我国大宗工业固废的主要组成部分, 库存量大, 若不加以处理, 将会造成环境污染风险和二次资源浪费, 如何高效资源化利用铁尾矿是安全消纳大宗工业固废的重要保障。本文基于铁尾矿的基本性质和利用途径, 以及电磁吸波原理, 主要介绍了铁尾矿及其改性电磁吸波材料研究, 以及铁尾矿在水泥基吸波混凝土和地质聚合物吸波胶凝材料中的研究, 着重阐述了铁尾矿在水泥基混凝土中的吸波性能和机理研究进展, 探讨了通过地质聚合反应制备铁尾矿基地质聚合物吸波混凝土的可行性及其性能, 可为铁尾矿基地质聚合物在多功能建筑材料方面的应用提供借鉴, 为提高铁尾矿固废资源的综合利用率, 解决尾矿堆积、环境污染等问题提供解决思路。本文旨在总结铁尾矿在吸波建筑材料的研究进展并进一步推动地质聚合物吸波建筑材料的发展。

为提高铁尾矿和脱硫灰等工业固废的综合利用, 利用氢氧化钠和硫酸钙作为复合激发剂, 铁尾矿粉、脱硫灰和矿渣微粉为原料, 制备铁尾矿粉-脱硫灰胶凝材料。开展正交试验分析铁尾矿粉掺量、脱硫灰掺量、氢氧化钠掺量和硫酸钙掺量对胶凝材料抗压强度的影响, 并进行配合比优化。结合X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的微观结构进行分析表征。结果表明: 对胶凝材料3 d、7 d和28 d抗压强度影响最显著的分别是氢氧化钠掺量、铁尾矿粉掺量和硫酸钙掺量; 铁尾矿粉、脱硫灰、氢氧化钠和硫酸钙的最佳掺量分别为20%、10%、1%和9%(质量分数), 此时, 胶凝材料3 d抗压强度为4.59 MPa, 28 d抗压强度为18.44 MPa, 微观结构致密, 宏观强度最高。

针对微表处路面耐久性不足、尾矿综合利用率低以及钢渣长期堆放造成环境污染等一系列问题，讨论了不同粒径钢渣及铁尾矿替代传统优质集料的可行性，利用材料分析技术及物理力学性能测试，揭示了不同粒径钢渣及铁尾矿的材料特征，制备了铁尾矿-钢渣集料微表处混合料。以混合料的黏聚性、耐磨耗性能、水稳定性、抗滑性能及抗车辙性能作为评价指标，分别采用黏聚力试验、湿轮磨耗试验、冻融循环湿轮磨耗试验、长期抗滑性能试验及轮辙变形试验对铁尾矿-钢渣集料微表处混合料的耐久性进行评价。结果表明：铁尾矿和钢渣对微表处混合料的耐磨耗性能、长期抗滑性能以及抗车辙性能具有显著增强作用；铁尾矿的掺入会对混合料黏聚性和抗水损害性能产生不利影响，且在20%(质量分数)掺量时加剧，但钢渣的掺入可以有效改善铁尾矿导致的黏附性差的问题；使用钢渣粗集料替代传统集料，同时掺入15%（质量分数）的铁尾矿细集料可以有效提升微表处路面的耐久性，从而延长微表处路面的使用寿命。

为促进铁尾矿工程应用, 以辽宁本溪高硅型铁尾矿为例, 研究机械活化方式和活化时间对铁尾矿形貌及活性的影响。通过粒度分析、胶砂试验和石灰吸附测试等, 探究机械活化对铁尾矿粒径分布、比表面积、活性指数和火山灰活性的影响; 通过X射线衍射和扫描电镜分析, 探究胶凝体系的水化反应机理。结果表明: 机械活化可以优化铁尾矿粒径, 提高颗粒圆度, 降低颗粒表面结晶度, 且粉磨40~60 min效果最佳; 湿磨活化50 min时, 活性指数达96.6%, 火山灰活性大幅提升, 湿磨活化效果显著优于干磨; 机械活化促进了铁尾矿与水泥的二次水化反应, 提升了胶凝体系性能。

以铁尾矿多孔陶瓷为载体, 通过自发浸渗法成功制备出了添加石墨烯的复合相变储能材料, 并对该材料热学性能及稳定性进行测试。结果表明: 通过改变载体孔隙率, 可以制得导热系数为0.41~0.59 W/(m·K)、潜热为69~120 kJ/kg、热学稳定性良好的导热增强复合相变储能材料。通过拟合, 复合相变储能材料的导热系数与多孔载体的孔隙率呈线性关系, 且经100次热循环后材料熔化潜热和导热系数分别降低了3.2%和16.7%。本研究为固废铁尾矿在蓄热、储能领域的应用提供了新思路。

利用固体废弃物制备透水材料是海绵城市发展新方向, 而力学性能差成为固废基透水材料应用的难点之一。为解决该问题, 设计了一类用铁尾矿砂作为骨料, 环氧树脂作为胶凝材料的聚合物透水材料, 研究了环氧树脂含量对透水材料力学性能和透水性能的影响, 并探讨了纳米SiO2、TiO2、Al2O3和硅烷偶联剂KH-560等有机-无机材料对透水材料力学性能的影响。结果表明: 当环氧树脂质量分数为6%时, 可以得到兼顾力学性能和透水性能的透水材料, 抗压、抗折强度和透水速率分别为17.5 MPa、5.3 MPa和1.12 mm/s; 同时, 当纳米SiO2、TiO2、Al2O3的添加量分别为环氧树脂的3%、4%、4%(质量分数)时, 对透水材料力学性能的提升分别为33.1%、30.5%、28.6%, 其原因是纳米粒子在透水材料受压过程中会吸收树脂基体中的部分能量, 抑制或消除树脂中微裂纹的扩散; 当硅烷偶联剂KH-560的添加量为环氧树脂的0.9%(质量分数)时, 透水材料的强度可提升36.5%。SEM和FTIR分析表明, 硅烷偶联剂KH-560对改善铁尾矿砂与环氧树脂界面具有显著作用。该研究对研发高性能的固废基透水材料具有重要意义。

为提升寒冷地区建筑结构的实时损伤监测效果, 研究了硫酸盐-冻融循环作用下采用短切碳纤维与铁尾矿作为导电材料制备的自感应水泥砂浆的耐久与压敏性能。利用质量损失、相对动弹性模量及抗压强度损失为依据探讨耐久性能变化规律, 以电阻率变化率-压应力的相关关系反映硫酸盐-冻融循环作用下压敏性能发展规律并解释其导电机理, 并采用平均应力敏感系数评价硫酸盐-冻融循环作用下压敏性能稳定性。结果表明, 碳纤维体积掺量为0.4%、铁尾矿替代率为30%(质量分数)组合掺入水泥砂浆时,其耐久性能与压敏性能均达到较高水平, 但硫酸盐-冻融循环造成的孔洞与裂缝会导致铁尾矿碳纤维水泥砂浆电阻率变化率-压应力呈一阶指数衰减关系, 可采用Plane模型来反映平均应力敏感系数衰减程度与冻融循环次数、铁尾矿替代率之间良好的相关关系。