高效減水劑對(duì)全尾砂充填料性能的影響

范作鵬 任少峰 張忠輝 蔡夢茜 史 琛 何廷樹

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺(tái) 261441；2.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055)

高效減水劑對(duì)全尾砂充填料性能的影響

范作鵬1任少峰1張忠輝1蔡夢茜2史 琛2何廷樹2

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺(tái) 261441；2.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055)

利用全尾砂作為集料制成全尾砂充填料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，具有性能優(yōu)、尾砂利用率高、能耗少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)某礦山現(xiàn)有充填工藝，采用全尾砂替代分級(jí)尾砂作為充填集料的技術(shù)，優(yōu)化原有的膠結(jié)材料，并將尾砂充填料漿的固體濃度由68%提高到72%，結(jié)合使用減水劑來實(shí)現(xiàn)全尾砂充填料的自流輸送。研究4種減水劑(萘系高效減水劑NSF、聚羧酸高效減水劑PC、氨基高效減水劑ASF以及脂肪族高效減水劑SAF)的不同摻量對(duì)全尾砂充填料漿的泌水率、流變性能和強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，減水劑的加入有效地提高了全尾砂充填料漿的流動(dòng)性能，延緩了凝結(jié)時(shí)間，但卻對(duì)充填體強(qiáng)度有不利的影響。綜合4種減水劑的作用來看，在脂肪族減水劑摻量為1.6%時(shí)，既可以使料漿流動(dòng)性增加幅度較大，又對(duì)充填體強(qiáng)度的不利影響較小。因此，選用脂肪族減水劑可以配制性能較優(yōu)的自流型全尾砂充填材料。

充填材料 全尾砂 高效減水劑 流變性

隨著工業(yè)社會(huì)的飛速發(fā)展，礦產(chǎn)需求量日益增加，對(duì)礦產(chǎn)資源開采利用所引發(fā)的環(huán)境破壞和廢物排放，已成為相當(dāng)嚴(yán)峻的環(huán)境問題[1]。其中一個(gè)很大的影響來自于礦山固體廢料的排放，尤其是礦產(chǎn)資源開發(fā)利用中產(chǎn)生的大量的尾砂。采用礦山廢料膠結(jié)充填的方式可以充分利用尾砂將采空區(qū)填實(shí)，為下一步的回采作業(yè)創(chuàng)造條件。除此之外，利用尾砂進(jìn)行充填還可以有效地減少尾礦占地和尾礦庫投資[2]。因此，尾礦資源綜合利用，對(duì)保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境、提高資源利用效率具有十分重要的意義[3]。

某金礦采用分級(jí)粗尾砂作為骨料，礦粉和以水泥、石膏為主的無機(jī)添加劑作為膠結(jié)材料，制成一種固體濃度為68%，灰砂比為1∶10的充填料。此種料漿含水率較高，可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，3 d強(qiáng)度可以達(dá)到0.56 MPa。但是從性能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)方面來看，粗尾砂充填料又具有以下缺點(diǎn)[4]：①生產(chǎn)粗尾砂需要對(duì)全尾砂進(jìn)行分級(jí)，加大了工藝的復(fù)雜程度，增加了能耗；②分級(jí)產(chǎn)生的細(xì)尾砂多放置在地表，對(duì)環(huán)境造成了極大的污染，并且占用了地表空間；③由于粗尾砂粗顆粒較多，細(xì)顆粒及粉體較少，形成的漿體懸浮性差，易沉降，造成自流輸送的困難；④粗尾砂孔隙率較高，使形成的充填體的密實(shí)度不如全尾砂充填體，故強(qiáng)度低于全尾砂充填體。利用全尾砂進(jìn)行膠結(jié)充填，不僅能將各粒級(jí)尾砂全部利用起來，而且漿體固體濃度較高；同時(shí)，工藝方面節(jié)省了尾砂分級(jí)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)流程簡化，能夠降低投資以及運(yùn)營成本[5]。因此，使用全尾砂膠結(jié)充填材料具有較大的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[6]。本試驗(yàn)針對(duì)該礦山的條件，研究采用投資較小，成本較低的全尾砂充填料代替粗尾砂充填料，實(shí)現(xiàn)提高濃度的自流輸送。

結(jié)合此礦山的具體情況，欲將固體濃度由68%提高到72%，并且依然實(shí)現(xiàn)自流輸送。充填料漿濃度的提高必然會(huì)伴隨著流動(dòng)度的下降，針對(duì)此問題，試驗(yàn)研究利用減水劑來提高充填料漿的流動(dòng)性能。設(shè)計(jì)使用萘系高效減水劑、聚羧酸高效減水劑、氨基高效減水劑以及脂肪族高效減水劑這4種減水劑，研究不同摻量的高效減水劑對(duì)全尾砂充填料漿的凝結(jié)時(shí)間、泌水率、流變性能和強(qiáng)度的影響，從而對(duì)全尾砂充填工藝提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 全尾砂

試驗(yàn)所用尾砂為某金礦全尾砂，其主要的物理性見表1，利用X射線衍射測得主要化學(xué)成分及含量見表2，利用篩分法測得全尾砂粒徑組成見表3。

表1 全尾砂主要物理性能Table 1 Main physical properties of whole tailings

表2 全尾砂主要化學(xué)組成

Table 2 Main chemical compositions and content of whole tailings %

1.2 膠結(jié)材料

原使用的膠結(jié)材料為成品添加劑，主要成分為水泥和石膏，因此對(duì)原有的膠結(jié)材料進(jìn)行改性，使用高爐礦渣、堯柏P.O42.5水泥、石灰、建筑石膏及二水石膏作為膠結(jié)劑。試驗(yàn)采用減水劑性質(zhì)：萘系高效減水劑為粉狀劑；聚羧酸減水劑為液體，固含量10%；氨基磺酸鹽減水劑為液體，固含量30%；脂肪族減水劑為液體，固含量20%。

表3 全尾砂的粒級(jí)組成Table 3 Size composition of whole tailings

1.3 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)采用固體濃度72%，灰砂比為1∶10，膠結(jié)材料由礦渣、水泥、石膏、石灰以及水玻璃組成。具體設(shè)計(jì)減水劑摻量分別為：萘系粉劑摻量0.3%，0.5%，0.8%；聚羧酸液體摻量0.1%，0.3%，0.5%(固體濃度25%，折算為固體摻量分別為0.025%，0.075%，0.125%)；氨基液體摻量0.5%，0.7%，0.9%(固體濃度30%，折算為固體摻量分別為0.15%，0.21%，0.27%)；脂肪族液體摻量0.8%，1.2%，1.6%(固體濃度30%，折算為固體摻量分別為0.24%，0.36%，0.48%)。

2 試驗(yàn)方法

將上述各原材料按照設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行稱量，精確至0.01 g。將稱量好的各種原料倒入混合容器中，使用JJ-5型砂漿攪拌機(jī)對(duì)料漿進(jìn)行拌制，形成均勻充填料漿。將攪拌好的全尾砂充填料漿倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模中。用保鮮膜包裹試模，再將試樣放置于與實(shí)際工程相似的條件(溫度24±1 ℃，濕度控制在90%以上)下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.1 泌水率的測定

在測定泌水率時(shí)，取450 mL的全尾砂充填料漿盛入500 mL的玻璃量筒中，待沉降完全后，將量筒中的漿體放置24 h以后，測其泌出的水量與總漿體量的比值，即為全尾砂充填料漿的泌水率[7]。

2.2 流動(dòng)度的測定方法

由于尾砂充填料漿的固體濃度比較低(72%)，已經(jīng)不適用坍落度筒法來測定流動(dòng)度，因此，采用Marsh筒法對(duì)全尾砂充填料漿流動(dòng)性進(jìn)行測試。本試驗(yàn)采用《GB/T 25182—2010 預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》規(guī)定的水泥漿稠度漏斗作為Marsh筒，對(duì)流動(dòng)時(shí)間進(jìn)行測量。Marsh筒的規(guī)格如圖1所示。

圖1 Marsh筒規(guī)格Fig.1 Specifications of marsh cone1—點(diǎn)測規(guī)；2—漿體表面；3—不銹鋼(厚3 mm)

測試時(shí)，將適量的充填料漿裝入Marsh筒中，測試料漿從下嘴部開始流出至完全流盡時(shí)所用的時(shí)間T(s)，以此來表征其流動(dòng)性能。流出時(shí)間越短，則表明充填料漿的流動(dòng)性越好。按照某礦山原始配合比(粗尾砂充填料漿，固體濃度68%，灰砂比1∶10)配制的充填料漿，測得Marsh筒流動(dòng)時(shí)間為11.43 s。

2.3 抗壓強(qiáng)度測試方法

使用壓力測試機(jī)測定不同齡期全尾砂充填體試樣抗壓強(qiáng)度，每3塊為1組，取其平均值作為該齡期抗壓強(qiáng)度值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 減水劑對(duì)全尾砂充填料漿泌水率、凝結(jié)時(shí)間及流動(dòng)性能的影響

試驗(yàn)測得不同減水劑在不同摻量下的泌水率見表4。

表4 減水劑對(duì)全尾砂充填料凝結(jié)時(shí)間與泌水率的影響Table 4 Effects of superplasticizers on setting time and bleeding rate of the whole tailing backfilling materials

泌水率可以反映砂充填料漿管流泌水和穩(wěn)定性情況，其值越小，穩(wěn)定性越高[8]。對(duì)比4種減水劑對(duì)全尾砂充填料漿泌水率的影響，看出脂肪族減水劑使得料漿泌水率有所下降，其他3種均有不同和程度的增加，但影響幅度均較小。由表中所得數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于摻入不同摻量減水劑的充填料漿來說，減水劑的摻量越大，泌水率越大，這是由于在固體濃度一定的情況下，摻入越多的減水劑，減水作用越明顯，導(dǎo)致泌出的水量越大。

圖2為利用Marsh筒法測定的不同減水劑在不同摻量下對(duì)全尾砂充填料漿的流動(dòng)度即時(shí)間T(s)的影響。

圖2 減水劑對(duì)全尾砂充填料漿流動(dòng)性的影響Fig.2 Effects of superplasticizers on the fluidity of the whole tailings backfill slurry■—萘系減水劑；●—聚羧酸減水劑； ▲—氨基減水劑；◆—脂肪族減水劑

利用Marsh筒法對(duì)全尾砂充填料漿流動(dòng)性進(jìn)行測試，時(shí)間T越短，充填料漿的流動(dòng)性越好。高效減水劑摻量對(duì)全尾砂充填料漿流動(dòng)性有較大影響，在一定范圍內(nèi)，減水劑的摻量越多，漿體流動(dòng)性越大[9]。

隨著減水劑摻量增加，對(duì)應(yīng)全尾砂充填料漿的流動(dòng)度也增加，但其增加有一定的范圍，減水劑增加流動(dòng)度的能力與減水劑的種類和摻量有關(guān)，減水劑對(duì)于流動(dòng)性能的影響通過其吸附分散作用，降低膠結(jié)充填料的表面能并提高其分散度，從而提高充填料的流動(dòng)性和充填體的強(qiáng)度[10]。

由圖2中可以看出，隨萘系減水劑摻量的增加，全尾砂充填料漿的流動(dòng)性呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，在摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值；在摻入聚羧酸減水劑0.1%時(shí)，對(duì)流動(dòng)度的貢獻(xiàn)不大，但在摻量為0.3%時(shí)，流動(dòng)度突然增大，且與摻量為0.5%時(shí)的流動(dòng)度相差不大；氨基摻量為0.5%與0.7%時(shí)，料漿流動(dòng)性相差較小，在0.9%摻量時(shí)流動(dòng)度突增；對(duì)于脂肪族減水劑，摻量越大充填料漿的流動(dòng)性越好。綜合來看，減水劑對(duì)于全尾砂充填料漿流動(dòng)性能的影響并不是摻量越大越好，摻量較少時(shí)，不能夠起到很好的減水作用，摻量較大時(shí)，由于競爭吸附反而使得流動(dòng)性能得不到優(yōu)化，所以減水劑的摻量實(shí)際存在一個(gè)最優(yōu)值。在萘系摻量0.5%、氨基摻量0.9%、脂肪族摻量1.6%時(shí)，全尾砂充填料漿的流動(dòng)性能較好，均能滿足自流輸送的要求。

3.2 減水劑對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度的影響

根據(jù)上述配比制備全尾砂充填體試件，進(jìn)行不同齡期充填體力學(xué)性能試驗(yàn)，得到4種減水劑在不同摻量下對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度的影響如圖3～圖6。

圖3 萘系減水劑對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of NSF on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不摻減水劑；●—0.3%萘系；▲—0.5%萘系；◆—0.8%萘系

圖4 聚羧酸減水劑對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of PC on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不摻減水劑；●—0.1%聚羧酸；▲—0.3%聚羧酸；◆—0.5%聚羧酸

圖5 氨基減水劑對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度的影響Fig.5 Effects of ASF on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不摻減水劑；●—0.5%氨基；▲—0.7%氨基；◆—0.9%氨基

由圖3中看出，對(duì)于不摻減水劑的空白組(Q-0)而言，其各齡期強(qiáng)度呈現(xiàn)直線增長的關(guān)系。萘系減水劑的摻入使得全尾砂充填體的7 d強(qiáng)度增長較快，略高于空白組，但早期3 d和后期28 d強(qiáng)度均有所降低，這是由于減水劑延緩了早期強(qiáng)度的形成[5]，使得早期3 d強(qiáng)度偏低，在7 d時(shí)發(fā)展較快，但后期強(qiáng)度增長較慢，28 d低于空白組?？傮w來看，摻量為0.3%萘系減水劑的全尾砂充填體3 d和28 d強(qiáng)度較摻量0.5%和0.8%時(shí)高。

圖6 脂肪族減水劑對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度的影響Fig.6 Effects of SAF on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不摻減水劑；●—0.8%萘系；▲—1.2%萘系；◆—1.6%萘系

如圖4所示，由于聚羧酸減水劑的引氣作用，會(huì)使得全尾砂填充體的強(qiáng)度相對(duì)于空白組有所下降。對(duì)于摻0.3%聚羧酸(Q-22)的全尾砂充填體，其強(qiáng)度發(fā)展趨勢與空白組相似，且28 d強(qiáng)度高于摻0.1%(Q-21)與0.5%(Q-23)全尾砂充填體。Q-21與Q-23強(qiáng)度發(fā)展趨勢相似，且各齡期強(qiáng)度也較接近，早期3 d和后期28 d強(qiáng)度均低于空白組及Q-22。由此可以看出，摻入0.3%的聚羧酸比較合理，所得到的強(qiáng)度較高。

如圖5中所示，氨基減水劑摻量為0.5%(Q-31)時(shí)，全尾砂充填體強(qiáng)度較低，28 d只達(dá)到了空白組強(qiáng)度的73%。氨基摻量為0.7%時(shí)，得到的充填體3 d及28 d強(qiáng)度均高于其他摻量，且相對(duì)于Q-0而言，強(qiáng)度損失也較少。

由圖6可以看出，脂肪族減水劑的加入不同程度的降低了全尾砂充填體的強(qiáng)度。不同摻量的脂肪族減水劑對(duì)充填體3 d與28 d強(qiáng)度的影響一致，摻量越大，對(duì)強(qiáng)度降低的影響越小。

比較不同減水劑在最優(yōu)摻量(萘系減水劑0.3%、聚羧酸減水劑0.3%、氨基減水劑0.7%、脂肪族減水劑1.6%)時(shí)對(duì)全尾砂充填體不同齡期強(qiáng)度的影響如圖7。

由圖7中可以看出，高效減水劑的加入在提高流動(dòng)性能的同時(shí)，卻對(duì)于充填體強(qiáng)度有略微不利的影響，影響規(guī)律較為一致：3 d及28 d的強(qiáng)度均低于不摻減水劑的空白組，但7 d強(qiáng)度接近于空白組，即在3～7 d時(shí)強(qiáng)度增長較快，后期強(qiáng)度增長緩慢。其中，氨基摻量為0.7%時(shí)，強(qiáng)度最高。

圖7 最優(yōu)摻量的不同減水劑對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度的影響Fig.7 Effects of the optimal amount of different superplasticizers on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不摻減水劑；●—0.3%萘系；▲—0.3%聚羧酸； ▼—0.7%氨基；?—1.6%脂肪族

減水劑對(duì)于全尾砂充填體的強(qiáng)度影響，歸結(jié)于在固體濃度固定時(shí)，加入減水劑，起到了減水的作用，使得實(shí)際摻入減水劑的全尾砂充填料漿的固體濃度相對(duì)于不摻加減水劑的料漿濃度有所降低，相應(yīng)的強(qiáng)度也降低。在此基礎(chǔ)上，若使用摻加減水劑的全尾砂充填料漿時(shí)，可以適當(dāng)提高固體濃度來達(dá)到要求。

4 結(jié) 論

(1)利用全尾砂作為充填集料，不需要分級(jí)和脫泥，大大降低了能耗，形成的全尾砂充填體粒級(jí)分布均勻，整體性好，穩(wěn)定性高。相對(duì)于某礦山原使用的分級(jí)尾砂充填料而言，尾砂利用率高，流動(dòng)性好，強(qiáng)度高。

(2)減水劑有效地提高了全尾砂充填料漿的流動(dòng)性能，延緩了凝結(jié)時(shí)間。減水劑的摻量并不是越大越好，存在一個(gè)最適宜的摻量。4種不同減水劑對(duì)于料漿流動(dòng)性影響不同，在萘系摻量0.5%、氨基摻量0.9%、脂肪族摻量1.6%時(shí)，全尾砂充填料漿的流動(dòng)性能最好，均能滿足自流輸送的要求。

(3)減水劑對(duì)于全尾砂充填體的強(qiáng)度有不利的影響，不同程度地降低了充填體3 d和28 d的強(qiáng)度，摻量不同，影響效果不同。根據(jù)4種減水劑在不同摻量下對(duì)強(qiáng)度的影響，得出在萘系減水劑0.3%、聚羧酸減水劑0.3%、氨基減水劑0.7%、脂肪族減水劑1.6%這幾組的摻量下，全尾砂充填體強(qiáng)度降低幅度較小。

(4)綜合減水劑對(duì)流動(dòng)性和強(qiáng)度這2方面性能的影響，即既可以使流動(dòng)性增加幅度較大，又對(duì)強(qiáng)度的不利影響較小，建議選用脂肪族減水劑摻量為1.6%最為合理。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Effects of Superplasticizers on Properties of Whole Tailing Backfilling Materials

Fan Zuopeng1Ren Shaofeng1Zhang Zhonghui1Cai Mengqian2Shi Chen2He Tingshu2

(1.JiaojiaGoldMine，ShandongGoldMining(Laizhou)Co.，Ltd.，Yantai261441，China;2.CollegeofMaterials&MineralResources，Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi′an710055，China)

The mined-out areas were filled with aggregates of whole tailings backfilling materials with excellent performance，high utilization rate of tailings，low energy consumption and low cost.According to the existing filling process of a mine，the aggregate fill technology in which the whole tailings replace the grade tailings can optimize the original cementing material and increase the solid concentration of tailings backfill slurry from 68% to 72%.The self-flowing transportation of whole tailings backfill material can be realized with the combination of superplasticizer.The effects of different dosage of four superplasticizers (naphthalene superplasticizer，polycarboxylate superplasticizer，aminosalfonic superplasticizer and aliphatic amino superplasticizer) on bleeding rate，rheological property，and strength of the whole tailings backfill slurry were investigated.The experiment results showed that the addition of superplasticizers effectively improved flow property and retard setting time，but it was disadvantageous to compressive strength.On the whole，SAF with the content of 1.6% not only substantially increased the flow property but also had little negative effect on compressive strength.SAF is the best superplasticizer to prepare the whole tailings backfilling materials and realize the self-flowing transportation.

Backfilling materials，Whole tailings，Superplasticizer，Rheological property

2014-02-08

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB08B00)。

范作鵬(1967—)，男，高級(jí)工程師，博士。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-05-040-05