利用铁矿山尾矿制备可持续粘土砖：微观结构、力学与热学性能研究

《Clay Minerals》：Iron Mining Waste as sustainable material for producing bricks: microstructure, mechanical and thermal properties.

本研究针对传统粘土砖生产导致的原材料枯竭及环境污染问题，探讨了将El Ouenza矿山的铁矿山尾矿(IMW)作为添加剂制备可持续粘土砖的可行性。通过将不同比例(10-50 wt%)的IMW与粘土混合，并在850°C和950°C下烧结，系统评估了砖块的物理、力学及热学性能。结果表明，添加30 wt% IMW可显著提升砖块的抗压强度(59.17 MPa)和抗折强度(10.06 MPa)，同时降低线性收缩率、吸水率和孔隙率，且其导热系数(0.45-0.56 W·m-1·K-1)符合隔热材料标准。毒性浸出实验(TCLP)证实重金属浸出浓度低于美国环保署(USEPA)限值。该研究为工业废料的资源化利用提供了新途径，对推动建筑材料的可持续发展具有重要意义。

　　

在全球快速城市化和工业化背景下，建筑行业对粘土砖等传统材料的需求持续增长，但传统砖块生产不仅消耗大量粘土资源，还会在烧结过程中释放温室气体，导致生态环境破坏。如何通过废物资源化利用减少对自然资源的依赖，并降低生产过程中的环境负荷，已成为建筑材料领域亟待解决的关键问题。铁矿山尾矿(Iron Mining Waste, IMW)作为铁矿开采过程中产生的主要固体废弃物，其化学组成与粘土相似（富含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等），具备作为砖块添加剂的潜力。然而，目前对IMW在粘土砖中规模化应用的系统研究仍较为缺乏，特别是在微观结构演化、力学性能优化及环境安全性评估方面尚需深入探索。

为此，Hadjer Bouzeriba等研究人员以阿尔及利亚El Ouenza矿山的IMW为对象，开展了将其用于粘土砖制备的综合性研究。该团队将IMW按0、10、20、30、40及50 wt%的比例与粘土混合，通过烧结成型（温度分别为850°C和950°C），系统分析了砖块的物理性能（如线性收缩、表观密度、孔隙率、吸水率）、力学性能（抗压与抗折强度）、热学性能（导热系数）以及微观结构特征，并采用毒性浸出程序(TCLP)评估其环境安全性。相关成果发表于《Clay Minerals》期刊，为工业废料的高附加值利用提供了重要实验依据。

本研究主要依托以下关键技术方法：首先通过X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)分析原材料及烧结砖的化学与矿物组成；利用热重-差示扫描量热法(TGA/DSC)表征材料的热行为；采用液压压制（压力20 MPa）成型砖坯，并经干燥与烧结工艺处理；通过扫描电子显微镜(SEM)观察砖体微观结构；依据ASTM标准测试力学性能（如抗压强度、抗折强度）及物理参数（如吸水率、孔隙率）；采用热线法测定导热系数；最后通过TCLP评估重金属浸出风险。所有实验均以阿尔及利亚Bouteldja地区粘土及El Ouenza矿山的IMW为原料。

表征原材料

化学与矿物分析显示，IMW中SiO₂(49.29%)、Fe₂O₃(14.67%)及碳酸盐矿物（如方解石，24%）含量较高，而粘土则以高岭石(43%)和伊利石(20%)为主。IMW的灼失量(LOI, 13.75%)高于粘土(10.36%)，与其富含碳酸盐及铁羟基氧化物有关。热分析表明，IMW在783°C出现碳酸盐分解吸热峰，而粘土在513°C附近发生高岭石脱羟基反应。这些特性为后续烧结工艺设计提供了基础。

烧结砖的物理性能

线性收缩率随IMW添加量增加（≤30 wt%）而降低（850°C时从6.95%降至4.15%），归因于IMW中石英的“瘦化剂”作用抑制了砖体收缩。当IMW添加量超过30 wt%时，因碳酸盐分解及气体释放，孔隙率上升，收缩率反而增大。表观密度在30 wt% IMW添加量时最高（950°C烧结达2.26 g/cm3），得益于Fe₂O₃等助熔剂促进玻璃相形成，填充孔隙。过量IMW（40-50 wt%）则因未充分烧结导致密度下降。

烧结砖的矿物组成与微观结构

XRD显示，烧结砖主要物相为石英、赤铁矿、钙铝黄长石及钙长石。在30 wt% IMW添加量下，950°C烧结时石英峰强度减弱，而钙长石等晶相增多，表明玻璃相生成量增加。SEM观察发现，未添加IMW的砖体（MB0）孔隙较多，而添加30 wt% IMW的砖体（MB30）结构致密，玻璃相包裹晶粒；当IMW添加量达40 wt%时，因CaO水化等反应产生微裂纹，孔隙率显著升高。

力学与热学性能

抗压强度与抗折强度均在30 wt% IMW添加量时达到峰值（950°C烧结分别为59.17 MPa和10.06 MPa），较对照组（27.53 MPa和3.28 MPa）显著提升，归因于玻璃相形成致密化效应。过量IMW添加则因孔隙增多导致力学性能下降。导热系数随IMW添加量增加而上升（30 wt% IMW砖块达0.56 W·m^-1·K^-1），但仍低于标准红砖(0.6 W·m^-1·K^-1)，具备隔热潜力。

环境评估

TCLP结果显示，所有砖块的重金属浸出浓度（如Zn、Ni、Pb、Fe）均低于USEPA限值，且高温烧结（950°C）进一步降低了重金属迁移性，证明IMW在砖体中被玻璃相有效固定。

本研究证实，铁矿山尾矿(IMW)可作为可持续建筑材料用于粘土砖生产，其中30 wt%为最优添加比例。该比例下砖体兼具高力学强度（抗压强度59.17 MPa）、低孔隙率及优良隔热性能（导热系数0.56 W·m^-1·K^-1），且环境风险可控。通过将工业废料转化为高附加值建材，不仅缓解了矿山废弃物堆存引发的环境问题，还为建筑行业提供了低碳转型路径，符合循环经济与可持续发展原则。未来研究可进一步探索IMW在其他陶瓷材料中的应用潜力，以扩大其资源化利用范围。