石灰石－礦渣基礦山充填膠結(jié)劑的研制及應(yīng)用

楊春保，陳賢樹，朱春?jiǎn)?，?建

(1.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院， 安徽合肥 230051;2.中國新型建材設(shè)計(jì)研究院武漢分院， 湖北武漢 430000)

0 前言

礦山全尾砂充填過去都用水泥做膠結(jié)劑，但水泥生產(chǎn)成本高，一些礦山企業(yè)難以承擔(dān)。同時(shí)水泥充填還普遍存在嚴(yán)重的泌水和離析現(xiàn)象，污染井下環(huán)境，增加排水費(fèi)用，降低了充填體整體強(qiáng)度。因此以礦渣、粉煤灰為特征的新一代礦山充填膠結(jié)劑在近幾年得到了開發(fā)和廣泛的應(yīng)用［1］。但礦渣、粉煤灰完全依賴鋼廠、電廠的供應(yīng)，在一些礦區(qū)存在貨源緊張、運(yùn)輸成本高的情況。石灰石貨源廣泛，且比礦渣、粉煤灰更加低廉，因此，研制以石灰石為主要原料的石灰石—礦渣基礦山充填膠結(jié)劑(以下簡(jiǎn)稱石灰石基膠結(jié)劑)意義重大。

1 石灰石基膠結(jié)劑的研制

本產(chǎn)品的研制以產(chǎn)研結(jié)合的方式進(jìn)行，由合肥水泥研究設(shè)計(jì)院、北京菲恩科技有限公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)工藝、激發(fā)劑配方設(shè)計(jì)和試驗(yàn)室的試驗(yàn)，根據(jù)優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果在安徽某一礦山膠結(jié)劑廠進(jìn)行試生產(chǎn)，根據(jù)應(yīng)用情況逐步完善和提高。該膠結(jié)劑廠原生產(chǎn)配方為:粉煤灰35%、礦渣28%、熟料24%、石渣5%、石膏5%、激發(fā)劑3%。在試生產(chǎn)過程中，采取逐步減少粉煤灰，增加石渣，并調(diào)整其它原料的比例的方法，穩(wěn)步推進(jìn)，將石渣用量比例提高到預(yù)定的水平。

1.1 原 料

石灰石基膠結(jié)劑的生產(chǎn)原料為:石渣、礦渣、熟料、石膏和專用激發(fā)劑等，礦渣來自南京鋼鐵聯(lián)合集團(tuán)公司，其它原料在當(dāng)?shù)鼐徒少彙?/p>

石灰石為礦山開采留下的石渣，主要成份為CaCO3。石膏為脫硫石膏，也可用天然二水石膏。

礦渣的主要成份為:SiO228.22%，AL2O316.46%，F(xiàn)e2O31.2%，CaO 32.21%，MgO 9.34%。

熟料為海螺公司生產(chǎn)(新型干法回轉(zhuǎn)窯)，其28 d標(biāo)砂抗壓強(qiáng)度一般都在60.0 MPa以上。

1.2 研制原理

(1)物理激發(fā)。對(duì)石渣、礦渣、熟料進(jìn)行高細(xì)粉磨，使其表面積和比表面能大大增加，結(jié)構(gòu)趨于無定形化，自由焓提高，降低其反應(yīng)活化能，提高水化能力。高細(xì)粉磨也使石灰石微集料化，大量的試驗(yàn)、研究證明，其微集料效應(yīng)可明顯提高混凝土的強(qiáng)度［2］。

(2)化學(xué)激發(fā)。在石灰石的粉磨過程中加入適量的專用化學(xué)試劑，激發(fā)石灰石、礦渣的潛在水化活性，同時(shí)增強(qiáng)石灰石、礦渣、熟料在水化過程中的互補(bǔ)作用和協(xié)同效應(yīng)，提高其水化產(chǎn)物、硬化漿體的性能和強(qiáng)度。對(duì)礦渣、粉煤灰采用無機(jī)堿、無機(jī)鹽激發(fā)能達(dá)到很好的效果，但對(duì)石灰石來說，還須添加合適的有機(jī)物與之復(fù)合，才能產(chǎn)生快速、強(qiáng)有力的激發(fā)。石灰石、礦渣混合物專用激發(fā)劑的研制，是石灰石基膠結(jié)劑研制的關(guān)鍵，對(duì)其性能、應(yīng)用效果起著至關(guān)重要作用。

2 生產(chǎn)與性能試驗(yàn)

2.1 生產(chǎn)工藝過程

濕礦渣由堆場(chǎng)經(jīng)皮帶秤計(jì)量輸入高效回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)，烘干后存入干渣庫儲(chǔ)存?zhèn)溆?。其它物料分別入庫備用。采用開流高細(xì)管磨系統(tǒng)對(duì)物料進(jìn)行粉磨，再通過輸送設(shè)備輸送至成品庫，之后由氣力輸送設(shè)備送至充填站儲(chǔ)庫備用。粉磨工藝流程見圖1。

圖1 粉磨工藝流程

2.2 石渣、礦渣、熟料、石膏高細(xì)粉磨

生產(chǎn)原料按質(zhì)量百分比為石渣20% ～35%、礦渣20% ～36%、粉煤灰 0% ～20%、熟料20% ～30%、石膏5% ～7%、激發(fā)劑2% ～4%進(jìn)行配料，共同在Φ3.2 m×14 m高細(xì)管磨機(jī)中混合粉磨。成品細(xì)度控制比表面積為430～480 m2/kg，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量34.0 ～38.0 t/h，粉磨電耗 43.2 ～48.5 kWh/t。

3 石灰石基膠結(jié)劑的性能試驗(yàn)

3.1 膠結(jié)劑膠標(biāo)砂強(qiáng)度

參照國標(biāo)GB175－2007，對(duì)石灰石基膠結(jié)劑進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 膠結(jié)劑膠砂強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明，用石灰石代替粉煤灰后，膠標(biāo)砂強(qiáng)度略有提高，并且都達(dá)到了普通硅酸鹽水泥32.5等級(jí)。

3.2 全尾砂強(qiáng)度

尾砂取自安徽某礦業(yè)公司，其粒度分布如表2所示。

特征粒徑:D10=6.72 μm，D50=51.84 μm，D90=123.14 μm，平均粒徑 Dp=60.22 μm。

表2 尾砂粒度分布

對(duì)石灰石基膠結(jié)劑進(jìn)行全尾砂強(qiáng)度試驗(yàn)，并與32.5普通水泥進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 全尾砂強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果顯示，在相同的試驗(yàn)條件下，石灰石基膠結(jié)劑－全尾砂的強(qiáng)度明顯高于水泥－全尾砂強(qiáng)度。

3.3 凝結(jié)時(shí)間

參照國標(biāo)GB/T 1346－2001進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

結(jié)果表明，石灰石基膠結(jié)劑的凝結(jié)時(shí)間符合通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)(GB 175－2007)。

3.4 流動(dòng)度

將石灰石基膠結(jié)劑與水泥進(jìn)行膠尾砂流動(dòng)度對(duì)比試驗(yàn)。參考水泥膠砂流動(dòng)度檢測(cè)方法:膠結(jié)劑用量250 g，用水量162 mL，膠結(jié)劑∶尾砂=1∶3。水泥也在相同方法下進(jìn)行。結(jié)果如表5所示。

可見，石灰石基膠結(jié)劑－全尾砂比水泥－全尾砂流動(dòng)度高約44%。

表4 石灰石基膠結(jié)劑凝結(jié)時(shí)間

表5 擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果

3.5 坍落度

坍落度試驗(yàn)方法參照GBJ80，灰砂比為1∶6，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

一般認(rèn)為，坍落度達(dá)到220 mm即可滿足全尾砂的結(jié)構(gòu)流自流輸送［3］。從試驗(yàn)結(jié)果來看，在濃度高達(dá)75%時(shí)，石灰石基膠結(jié)劑－全尾砂的坍落度依然達(dá)到了246 mm。較高的坍落度的一個(gè)重要原因是石灰石基膠結(jié)劑中的有機(jī)激發(fā)劑，也是較好的表面活性劑，增加了全尾砂漿的流動(dòng)性。

表6 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

3.6 石灰石基膠結(jié)劑粒度分析

試驗(yàn)采用CILAS1180型粒度分析儀(干法)，測(cè)量范圍 0.04 ～ 2500.00 μm，光學(xué)模型:Fraunhofer。石灰石基膠結(jié)劑的粒度檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

表7 石灰石基膠結(jié)劑的顆度分布

特征粒徑:D10=1.43 μm，D50=11.22 μm，D90=48.91 μm，平均粒徑為 18.86 μm。

石灰石基膠結(jié)劑D10、D50、平均粒徑都比普通水泥要低，這將增加充填結(jié)構(gòu)流體中超細(xì)物的含量，有利于在壓力作用下于管壁外形成潤(rùn)滑層，可減少沿管道的阻力。

4 應(yīng)用效果

石灰石基膠結(jié)劑在安徽某礦業(yè)公司完全替代了粉煤灰基膠結(jié)劑和普通水泥，經(jīng)過近半年的充填應(yīng)用，效果良好。用石渣代替粉煤灰生產(chǎn)膠結(jié)劑，不但緩解了粉煤灰供應(yīng)緊張的問題，而且大幅節(jié)省了生產(chǎn)成本。目前該公司粉煤灰進(jìn)廠價(jià)格為140元/t(含運(yùn)費(fèi))，石渣進(jìn)廠價(jià)格為20元/t(含運(yùn)費(fèi))，考慮生產(chǎn)原料配比變化所導(dǎo)致的綜合原料的成本改變，實(shí)際原料成本降低了18元/t。再綜合其余成本因素(煤、電、工資、折舊等)，實(shí)際生產(chǎn)成本降低了15元/t。如按該公司生產(chǎn)能力30萬t/a計(jì)算，可節(jié)省生產(chǎn)成本450萬元/a。

與用水泥作膠結(jié)劑比較，石灰石－礦渣基膠結(jié)劑具有以下突出優(yōu)點(diǎn):

(1)節(jié)省了充填費(fèi)用，主要原因是灰砂比降低，在相同的充填料強(qiáng)度時(shí)，可少用膠結(jié)劑20% ～40%;

(2)提高了充填質(zhì)量，水泥膠結(jié)充填普遍存在嚴(yán)重離析現(xiàn)象，使充填體出現(xiàn)凝結(jié)緩慢、強(qiáng)度差的薄弱層，破壞了充填體的均一性，降低了其整體強(qiáng)度，而石灰石基膠結(jié)劑具有良好的抗離析作用，因而可以提高充填體質(zhì)量;

(3)方便施工，改善了施工環(huán)境，水泥膠結(jié)充填普遍存在嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象，不但降低充填體強(qiáng)度，而且污染礦井環(huán)境，增加排水費(fèi)用，而用石灰石基膠結(jié)劑的尾砂漿流動(dòng)性好，坍落度高、抗離析、泌水少而清，方便了施工，改善了施工環(huán)境。

5 結(jié)論

石渣過去一直作為礦山開采后的廢料而被拋棄，用作混合材生產(chǎn)膠結(jié)劑時(shí)，其摻量一般在5%左右，主要是其活性難于激發(fā)，高比例摻加時(shí)會(huì)大幅降低膠結(jié)劑的強(qiáng)度。本研究和應(yīng)用證明，通過機(jī)械和化學(xué)的雙重激發(fā)，石渣可以代替粉煤灰高比例地?fù)郊佑谀z結(jié)劑之中，用于礦山充填時(shí)，不但其強(qiáng)度不降低，而且有抗離析、增稠等作用，可謂是價(jià)廉物美，經(jīng)濟(jì)效益突出，因此，值得推廣應(yīng)用。

石渣的主要成份是CaCO3。對(duì)其物理、化學(xué)激發(fā)后在膠結(jié)劑中的作用機(jī)理目前還沒有完全弄清楚，有待進(jìn)一步研究。特別是對(duì)其水化產(chǎn)物及其與膠結(jié)劑中的其它組份的水化產(chǎn)物在硬化過程中的相互作用的研究，目前尚無這方面的報(bào)道，本文也未作深入的研究，可作為今后研究的重點(diǎn)，以期在理論上有更大的突破，為進(jìn)一步提高其在膠結(jié)劑中的摻加量和膠結(jié)劑的性能，打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

［1］付 毅，王吉力.新一代礦山充填材料［J］.有色金屬(礦山部分)，2010(1):51-54.

［2］劉仁越，王 珊，張同生，等.消石灰、無水石膏與石灰石粉對(duì)礦渣水泥性能的影響［J］.水泥，2009(8):4-6.

［3］周愛民.礦山廢料膠凝充填(第二版)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010:163.