北斗智库环保管家网讯：

 

 

　　铜是现代工业中不可或缺的基础材料，作为世界上最大的精炼铜生产国，我国每年产出近2000万t铜冶炼渣(以下简称铜渣)。虽然铜渣中含有大量有价金属，但因其综合利用率极低，绝大部分的铜渣露天堆积，占用大量土地。此外，铜渣中含有不可生物降解性的砷、铅等剧毒物质，在堆积过程中会浸入土壤、流入江河，在生物体内积累，导致许多疾病与健康隐患。如何利用铜渣缓解矿产资源压力，实现经济与环境共赢，已成为当下迫切需要处理的难题。

 

　　铜渣富含铁和硅元素，主要由铁硅酸盐和磁铁矿相组成，提取和分离其中的铜、铁等有价元素的工艺不仅能耗高，也达不到无害化和减量化处理的目的。而铜渣能够直接、完全应用于建筑材料的制备，可获得相应高性能的材料，工艺过程环保，是铜渣清洁利用的首选方案。用铜渣取代天然矿物制备的铜渣微晶玻璃与矿渣棉不仅具有与传统微晶玻璃、矿棉相似甚至更优的性能，而且能够减少环境污染，降低工业成本，实现废渣高附加值再利用，具有广阔的市场前景。

 

　　此外，虽然铜渣在建筑、功能材料等领域的应用研究取得了显著成效，但也存在一些不足之处需要进一步研究。例如，利用铜渣制备混凝土时，需要对铜渣的活性进行激发，但物理激发因经济因素导致效果有限，而化学激发不能应用于大规模工程；铜渣制备出的微晶玻璃产品质量不稳定、成品率低、色调单一，不能满足市场需求；铜渣成分复杂且差异较大，严重影响水泥混凝土、微晶玻璃的性能可控性。

 

　　本文综述了不同炼铜工艺所产生的铜渣的物相特征及物理性质，分析了利用选矿及物理化学方法提取铜渣中铜、铁有价金属过程存在的问题，介绍了铜渣直接用于水泥、混凝土、沥青路面等建筑材料以及微晶玻璃、矿渣棉、磨料等功能材料方面的应用研究现状，剖析了铜渣在制备建筑、功能材料方面的清洁工艺中存在的问题和缺陷，并展望了其应用与研究方向。

 

 

　　铜冶炼渣（铜渣）是一种组成极为复杂的冶金炉渣，由多种金属氧化物与少量硫化物、氟化物等物质组成，每年国内产量近2000万t，渣中除了含有铁、铜，以及与铜伴生的贵金属（如金、银等）和稀有金属外，还含有砷、铅等剧毒元素物质。因综合利用率低，产出的铜冶炼渣绝大多数露天堆积，造成严重的资源浪费与环境污染。铜冶炼渣对环境的损害有三个方面:一是铜冶炼渣的粉尘污染大气，毒害人类和动植物，损害人类健康；二是铜冶炼渣的堆放占用了大量土地，堆放过程中有害物质会渗入土壤及流入江河，对生态系统造成损害；三是铜冶炼渣中含有有价元素，造成严重的资源浪费与资源损害。

 

　　我国从20世纪60年代开始研究铜冶炼渣的综合利用问题，已逐渐形成了较成熟的方法和工艺路线。目前，铜冶炼渣的综合利用主要包括三个方面:一是对铜渣进行选矿处理，回收铜和铁金属；二是根据铜渣中所含不同有价金属的理化性质，用高温氧化、还原，或者高酸/碱性体系浸出的物理化学方法提取和分离铜、铁等有价元素；三是直接以铜冶炼渣为原料，利用其独有化学成分和物理性能，开展低能耗、清洁化制备材料方面的应用与研究。由于铜和铁仅是构成铜渣的部分元素，无论是选矿处理还是采用物理化学方法提取和分离铜、铁等有价元素，最终仍然产出结构、性能与处理前大致相当的废弃物，不能完全利用铜渣，达不到最终无害化和完全减量化处理的目的。本文主要综述铜冶炼渣直接用于水泥、混凝土、沥青路面，微晶玻璃、矿渣棉与磨料等建筑及功能材料方面的研究进展，剖析铜渣在制备建筑及功能材料方面的清洁工艺中存在的问题和缺陷，指出其应用与研究的趋势，旨在提高铜冶炼渣的利用率，将低品位废弃铜冶炼渣变废为宝，为铜冶炼渣进一步的资源化利用提供借鉴。

 

 

　　铜渣为冶炼铜时熔炼渣出炉后经水淬急冷产出的工业废弃物，是一种外表呈黑色的玻璃相炉渣。大部分铜矿渣致密、坚硬、耐磨，密度随渣中铁含量的不同而变化。由于冶炼方式不同，铜渣的成分也不尽相同。但无论采取何种冶炼工艺，铜渣富含铁和硅元素，主要由铁硅酸盐和磁铁矿相组成。由于铜渣具有磁性，磁选技术无法制备出合格的铁精矿，限制了铜渣应用于炼铁生产。此外，即便铜渣的含铜品位高，但铜元素以辉铜矿(Cu2S)、金属铜、氧化铜的形式共存，且结构复杂，不论采用单一的浮选、重选或者磁选，还是联合工艺，选矿加工皆难获得合格的铜精矿。近年来，随着铜冶炼技术的发展，铜精矿等原料日渐匮乏，铜渣中金属铜的回收研究取得长足进步。将熔融态的铜渣缓冷后再进行浮选，渣中70%的铜得到回收，尾渣含铜量能控制在0.30%以内，但除铜含量有所降低外，尾渣的物相结构与浮选前无差异，对环境的威胁仍然存在。

 

　　国内外学者针对铜渣在建筑材料方面的应用研究，主要集中在直接应用于混凝土、水泥、沥青混合料等方面。

 

 

　　铜渣具有耐磨性、稳定性和流动性良好的优点，有作为细骨料的潜质。研究表明，铜渣混凝土的pH值、物理性能与普通砂配制的混凝土相似，铜渣对混凝土性能的影响集中在力学性能、耐久性能、脆性方面。同时，由于铜渣中含有的活性成分SiO2能够与水泥水化产物Ca(OH)2发生弱火山灰反应，生成具有一定强度的胶凝性物质---水化硅酸钙，因此铜渣的掺入使混凝土内部结构更加密实，也可以在一定程度上提高混凝土的强度。此外，铜渣粒径较小，将其作为细骨料掺入混凝土时，可以优化粉体的粒径分布，分散粉体颗粒，填充混凝土间的空隙，形成致密的网状结构，从而提高混凝土的力学性能。张雅娟等用铜渣完全代替建筑用砂制作混凝土的研究表明，含铜渣混凝土制成的试块能够同时满足平均强度与设计强度的要求，混凝土早期强度增长较快，抗压、抗弯强度更高，工程性能更好。Mirhosseini等用铜渣作细骨料，探究不同配比下铜渣对混凝土力学性能的影响，在标准条件下养护7d、14d、28d及42d后，对含铜渣混凝土的力学性能进行测试，结果表明，随着铜渣添加量的增加，混凝土的强度增加，在铜渣含量小于40%时，混凝土具有最佳的力学性能。Wu等[17]与Al-Jabri等也研究了不同铜渣加入量对混凝土的影响，通过静、动态压缩实验和弯曲拉伸试验等对混凝土的力学性进行测试，结果表明，随着铜渣添加量的增加，铜渣混凝土的强度也增加，当铜渣含量在40%左右时，混凝土具有较好的力学性能。

 

　　铜渣耐磨性、稳定性好，作为细骨料掺入混凝土后，碳化深度下降，混凝土耐磨性、抗硫酸盐侵蚀性显著提高。宗力将铜渣作为细骨料掺入混凝土中，研究不同配比下矿渣混凝土的耐久性能，结果表明，铜渣作为混凝土的细骨料可以满足自然级配的要求，在正常设计和施工条件下，经过多年使用的铜渣混凝土结构仍能正常使用，未发现任何耐久性问题。Geetha等将铜渣、粉煤灰等掺入混凝土中，采用中心复合设计法进行了试验研究，并进行了吸附试验和快速氯离子渗透试验，结果表明，铜渣混凝土的抗压强度、抗折强度等性能优于常规混凝土，氯离子的渗透性降低，铜渣的加入增强了混凝土的火山灰活性，从而在混凝土表面形成致密微观结构，增加强度和提高耐腐蚀性，在海洋环境中具有广阔的应用前景。黄小青等发现活性激发后的铜渣能与水泥水化产物发生化学反应，生成的水化硅酸钙可提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。Sharma及Najimi等在水胶比恒定的情况下，配制出不同比例的铜渣混凝土，并进行硫酸盐侵蚀、加速碳化、超声脉冲等一系列的耐久度实验，结果表明，铜渣的掺入对降低碳化有显著作用，含铁量越高，混凝土混合料的碳化深度越小；当铜渣的含量为60%时，混凝土具有最好的耐久度。

 

　　普通混凝土强度越高，脆性越大。但将铜渣作为细骨料加入混凝土中，可以在控制强度的前提下降低混凝土的脆性。宋旭艳等将不同的矿物掺合料掺入混凝土中，利用平板法研究各掺合料混凝土的脆性，研究表明铜渣的掺入能够使整个混凝土体系早期水化程度降低，从而降低混凝土的脆性。宋军伟等的研究表明，随着铜渣掺量的增加，混凝土的强度呈下降趋势，但降幅不大；随着混凝土强度的增大，其脆性系数也增大；铜渣掺量为5%时，脆性系数相比原生混凝土略有增长，但随着铜渣掺量的增大，其脆性系数下降，10%掺量下的脆性系数与原生混凝土相当，15%掺量下的脆性系数比原生混凝土低。考虑到铜渣掺量不同时混凝土的力学性能、耐久性能与脆性会发生变化，在铜渣含量为40%～50%时，混凝土有较好的应用前景。该比例的铜渣混凝土具有比普通混凝土更优良的物理性能，可用于各种结构的施工，如地基、大坝、高层建筑、桥梁和桥墩等。

 

　　铜渣粒径较小，将其掺入混凝土时，能够优化粉体的粒径分布，充分分散粉体颗粒，填充混凝土间的空隙，形成致密的网状结构，从而提高混凝土的力学性能。杜海云等研究了铜渣胶凝材料的力学性能，结果表明铜渣的掺入使水泥胶凝材料内部结构更加密实，在一定程度上提高了水泥胶凝材料的强度。Al-Jabri等的研究表明，当铜渣取代水泥量在13.5%以下时，混凝土具有较好的力学性能。宋军伟等也对不同配比下铜渣混凝土的强度进行实验，发现当铜渣掺量为10%时，混凝土具有较好的抗拉和抗折强度。

 

　　目前铜渣用作胶凝材料的研究多集中于混凝土宏观力学性能方面，而关于铜渣的活性激发研究深度和广度不够。虽然铜渣中含有C2S和C3S活性体，但其含量很低，导致活性较低，作为胶凝材料应用于制作混凝土时，需要通过物理或者化学的方法对其活性进行激发。

 

　　2   铜渣水泥

 

　　铜渣中所含SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3与硅酸盐水泥熟料所需要的矿物成分基本相同，将铜渣作为主要原料，掺入石膏和水泥熟料等激发剂，充分细磨，均匀混合后可制成矿渣水泥。也可将铜渣作为火山灰质混合材生产火山灰水泥。铜渣中的SiO2活性较高，易与熟料中的CaO充分反应，有效降低熟料中游离CaO的含量，通过合适的配比，铜渣配制的生料具有较好的易烧性，煅烧出的水泥熟料结晶均匀、发育程度好、强度高、性能良好。

 

　　铜渣具有较好的易磨性和稳定性，属于低钙高硅熟料，可以直接作为铁质原料配制熟料和水泥材料混合材。Alp等对铜渣进行物理力学实验，结果表明，铜渣是生产硅酸盐水泥熟料的合适铁源。铜渣主要由铁橄榄石与磁铁矿组成，铁元素以氧化亚铁的形式富集在矿渣中。氧化亚铁可以与熟料中的SiO2、CaO等矿物在高温熔融情况下形成固熔物，从而降低烧成物料的最低共融温度；与此同时，Fe2+可降低熔体的粘度，对固相反应有促进作用，从而改善生料的易烧性。秦守婉等采用铜渣作为铁质原料，配以石灰石和粉煤灰作为生料，研究不同温度梯度下的煅烧情况，研究表明当煅烧温度为1350℃时，所得熟料中游离氧化钙已接近零，说明在该煅烧温度下熟料基本烧成；当煅烧温度为1450℃时，所得熟料具有形状较规则、中间相分布较均匀的岩相结构。利用铜渣配料，可以生产出28d强度为61.42MPa的熟料。邓玉莲等采用铜渣、转炉渣、硫酸渣作为铁质和硅质原料，配以石灰石和砂岩作为生料，研究不同原料下水泥熟料的煅烧效果，结果表明，铜渣水泥的抗压强度和抗折强度均高于其他两种水泥，并且铜渣水泥28d抗压强度达67.6MPa。水泥中掺入铜渣后，生料易磨性提高，煅烧时矿物共融温度下降，熟料矿物晶体结晶程度提高且自形程度较好，C3S矿物含量增加，能够产生较好的煅烧效果。

 

　　戴映清等研究了不同掺量下铜渣水泥的性能，获得了符合硅酸盐水泥标准的铜渣水泥，而且随着铜渣掺量的增加，水泥耐磨性提高，凝结时间缩短。由于铜渣水泥水化产物与普通的硅酸盐水泥水化产物不同，因此与其他水泥相比，铜渣水泥具有后期强度高、水化热低、耐腐蚀和耐磨损的特点。铜渣水泥生产工艺简单，且铜渣用量较大（用渣量占水泥的60%～70%），极大降低了水泥生产成本与水泥生产企业能耗，从而使水泥生产企业获得良好的经济效益。我国铜陵有色金属公司、原沈阳冶炼厂、原云南冶炼厂等利用铜渣生产的铜矿渣水泥符合国家标准，产品被应用于抹灰砂浆、低标号混凝土、空心小型砌块等制品的制作上。

 

 

　　铜渣含FeO、SiO2、Al2O3、CaO等物质，且铁氧化物与二氧化硅含量达70%～80%，具有较好的摩擦与粘结性能，可以应用于沥青混合料的生产。铜渣作为骨料生产沥青混合料时，每一粒矿渣颗粒都能够被沥青粘结剂覆盖，所有空隙都能够被密封，从而提升了沥青混合料的稳定性；铜渣含有少量毒害元素时，所产生的含有砷、铅、汞等有毒金属的渗滤液与覆盖在沥青膜上的沥青中和后，毒性降低，对环境相对安全。

 

　　Pundhir等将铜渣作为细集料应用于沥青混合料，发现在混合料中加入铜渣后，沥青混合料的体积参数和力学性能明显改善。Raposeiras等利用含铜渣的摩擦和粘结性能，研究了铜渣作为骨料对再生沥青路面(RAP)的影响，经过马歇尔稳定度、间接拉伸强度、弹性模量、动态模量和水稳性试验的验证，表明随着铜渣添加量的增加，RAP流动值提高但稳定性降低，铜渣添加量为35%是最有利的条件。尚庆芳等研究了铜渣在再生混合料的级配方面取代骨料石灰岩的可能性，结果表明，铜渣的使用提高了沥青路面的马歇尔稳定强度与拉伸强度。将铜渣应用于再生沥青路面时，因其具有较好的嵌挤力和优良的物理性能，所生产的铜渣沥青比传统混合物沥青的使用效果更好、稳定性更高。Lidelow等研究了铜渣沥青路面有毒物质的浸出情况，结果表明铜渣沥青路面中大部分有毒物浸出在第二年达到顶峰，然后随着时间的推移逐渐减少，铜矿渣沥青路面对环境造成的危害在可以接受的范围之内。

 

 

　　铜渣既是大宗的工业固体废弃物，又是一种具有极高利用价值的矿物资源。清洁、高效地利用铜渣，既可取得较好的经济效益，也解决了铜渣堆积对人类、生态及环境的污染问题，而且能够节约工业原料、降低成本，获得性能优良的绿色材料，促进废渣的高附加值再利用，实现炼铜地区经济与社会的可持续发展。

 

　　将铜渣直接用于混凝土、水泥、沥青混合料及耐磨料时，充分利用其特殊的力学及物理化学性能，获得相应的高性能材料，具有其他原料不可比拟的优势，且利用过程无额外的能耗，也不产生二次污染，是铜渣清洁利用的首选方案。研究铜渣制备的混凝土、水泥及耐磨料的新用途和特殊用途，是铜渣清洁利用的重要途径。此外，利用铜渣制备混凝土时，物理激发因经济因素导致效果有限，而化学激发不能应用于大规模工程，应加强铜矿渣的活性激发工艺的研究。

 

　　低品位的铜渣以及环境中堆存的铜渣可直接用于制备混凝土、水泥及沥青混合材料等建筑材料，也可直接用于制备磨料功能材料。冶金流程新产生的熔融态高品位铜渣应首先进行缓冷，获得颗粒及晶型粗大的、易于选矿处理的缓冷渣，回收铜后得到的尾渣再用于制备建筑材料及功能材料。此外，虽然铜渣在建筑、功能材料等领域的应用研究取得显著成效，但铜渣成分复杂且不同地区成分差异较大，严重影响水泥混凝土、微晶玻璃性能的可控性，特别是在工业化生产的工艺控制以及理论研究方面仍然不完善，制约了其大规模工业生产的应用。今后，随着理论研究的不断深入及生产工艺、技术的不断创新，铜渣的清洁利用将有更广阔的前景。

 

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