高硫尾砂膠凝材料試驗(yàn)研究

周 宇，孫 達(dá)，謝順來，張 剛

(武漢鋼鐵集團(tuán)開圣科技有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430073)

高硫尾砂膠凝材料試驗(yàn)研究

周 宇，孫 達(dá)，謝順來，張 剛

(武漢鋼鐵集團(tuán)開圣科技有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430073)

某選廠高硫尾砂采用普通硅酸鹽水泥作膠凝材料時(shí)，其充填體抗壓強(qiáng)度在后期出現(xiàn)衰減。針對該高硫尾砂，研制出了2種膠凝材料，并將該2種膠凝材料與普通硅酸鹽水泥進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、坍落度、泌水性等對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，2種新膠凝材料灰砂比為1∶8的膠結(jié)試塊的后期強(qiáng)度持續(xù)增加，90 d抗壓強(qiáng)度可分別達(dá)到3.21 MPa和2.95 MPa，較42.5普通硅酸鹽水泥增加了1～3倍，且充填料漿的坍落度、泌水性等指標(biāo)無明顯變化。

高硫尾砂；膠結(jié)充填；膠凝材料；抗壓強(qiáng)度

MgSO4侵蝕：

3MgSO4+C-S-H(硅酸鈣凝膠)→3CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+2SiO3· H2O；

3MgSO4+3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O(硫鋁酸鈣)→4CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+Al2O3·3H2O

1 尾砂元素及強(qiáng)度試驗(yàn)

對某選廠尾砂進(jìn)行多元素分析，結(jié)果見表1。

尾砂中Al2O3、SiO2、Fe2O3的單鹽或所組成的復(fù)合礦物，具有化學(xué)穩(wěn)定性，對充填體強(qiáng)度的提高有一定的促進(jìn)作用。根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，尾砂中硫含量為4.78%，屬于高硫尾砂。

在充填料漿濃度為67.5%的條件下，采用42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，對不同灰砂比膠結(jié)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表2、圖1和圖2。

表1 尾砂多元素分析結(jié)果 /%

表2 膠結(jié)試塊抗壓強(qiáng)度結(jié)果

圖1 膠結(jié)試塊抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化趨勢

試驗(yàn)結(jié)果表明，膠結(jié)試塊抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加先升高后降低；膠結(jié)試塊在后期出現(xiàn)了明顯的裂紋，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)衰減趨勢。

2 高硫尾砂膠凝材料

2.1 膠凝材料的組份

不同膠凝材料的種類、組份和水化過程都有所區(qū)別。針對高硫尾砂會使充填體后期抗壓強(qiáng)度衰減的特性，對膠凝材料組份進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得膠凝材料在后期進(jìn)行二次水化作用，即初次水化釋放出的氫氧化鈣和其他組份會與膠凝材料中的活性SiO2和Al2O3相互作用，繼續(xù)生成纖維狀的水化硅酸鈣和鈣礬石，使得其充填體較傳統(tǒng)水泥形成的充填體更加致密；并且在較長時(shí)期內(nèi)膠凝材料的水化過程都將持續(xù)進(jìn)行，使得充填體后期強(qiáng)度持續(xù)增長。

圖2 灰砂比為1∶6的試塊在不同齡期的外形變化

2.2 膠凝材料的比表面積

傳統(tǒng)水泥的粉磨細(xì)度一般控制在比表面積為3000～4000 cm2/g，而為了使膠凝材料中的活性物質(zhì)能夠得到充分的發(fā)揮，其粉磨細(xì)度一般要求較細(xì)，在充填中，超細(xì)膠凝材料和其水化產(chǎn)物可以充填于大的顆粒空隙中，降低孔隙尺寸，優(yōu)化水泥硬化體顆粒級配，增加密實(shí)度，產(chǎn)生的孔結(jié)構(gòu)比普通水泥硬化體優(yōu)良，提高充填體的抗壓強(qiáng)度。但是當(dāng)膠凝材料粉磨得過細(xì)、比表面積過大時(shí)，膠凝材料的需水量、干縮性和水化熱都增大，會導(dǎo)致充填料漿坍落度損失，流動性變差，相關(guān)研究表明膠凝材料的比表面積在4000 ～5000 cm2/g的范圍為宜。

3 新膠凝材料的抗壓強(qiáng)度及性能試驗(yàn)

針對某選廠高硫尾砂的特性，研制出膠凝材料ks-01和膠凝材料ks-02，在濃度67.5%的條件下，對ks-01、ks-02、42.5普通硅酸鹽水泥3種膠凝材料進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、坍落度、比表面積和泌水率等對比試驗(yàn)。

3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

不同灰砂比料漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

(1) 膠凝材料ks-01和ks-02膠結(jié)試塊的后期抗壓強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加而增強(qiáng)，并未出現(xiàn)強(qiáng)度降低；

(2) 膠凝材料ks-02膠結(jié)試塊具有早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度穩(wěn)定的特點(diǎn)，膠凝材料ks-01膠結(jié)試塊具有后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，礦山可根據(jù)井下采礦的作業(yè)制度進(jìn)行相應(yīng)的選擇。

(3) 膠凝材料ks-01和ks-02膠結(jié)試塊的抗壓強(qiáng)度較42.5普通硅酸鹽水泥增加了1～3倍。

表3 膠結(jié)試塊抗壓強(qiáng)度結(jié)果

圖3 3種膠凝材料在灰砂比為1∶6時(shí)隨時(shí)間變化趨勢

3.2 比表面積測定

對3種膠凝材料進(jìn)行比表面積測定，結(jié)果見表4。

表4 膠凝材料的比表面積測定結(jié)果

膠凝材料ks-01和膠凝材料ks-02比表面積均在4000 ～5000 cm2/g，可以使膠凝材料中的活性物質(zhì)能夠得到充分的發(fā)揮。

3.3 坍落度試驗(yàn)

不同灰砂比料漿的坍落度試驗(yàn)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3種膠凝材料充填料漿的流動性能接近，膠凝材料ks-01充填料漿的流動性稍弱于42.5普通硅酸鹽水泥和膠凝材料ks-02。

3.4 泌水率試驗(yàn)

不同灰砂比料漿的泌水率試驗(yàn)結(jié)果見表6。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3種膠凝材料充填料漿的泌水性能接近，膠凝材料ks-01和ks-02充填料漿的泌水率略優(yōu)于42.5普通硅酸鹽水泥。

表5 3種膠凝材料膠結(jié)充填料漿坍落度試驗(yàn)結(jié)果

表6 3種膠凝材料膠結(jié)充填料漿泌水率試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 某礦山在膠結(jié)充填法采礦中，作為充填骨料的尾砂含硫較高，采用42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其充填體抗壓強(qiáng)度在后期出現(xiàn)衰減。

(2) 改進(jìn)后的新型膠凝材料有效地解決了高硫尾砂對充填體的負(fù)面影響，膠凝材料ks-01和ks-02在灰砂比為1∶8的條件下，后期強(qiáng)度持續(xù)增加，在90 d時(shí)分別可達(dá)3.21 MPa和2.95 MPa。

(3) 膠凝材料ks-02膠結(jié)試塊具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度穩(wěn)定的特點(diǎn)，膠凝材料ks-01膠結(jié)試塊具有后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，礦山可根據(jù)井下采礦的作業(yè)制度進(jìn)行相應(yīng)的選擇。

(4) 膠凝材料ks-01和ks-02膠結(jié)試塊的抗壓強(qiáng)度較42.5普通硅酸鹽水泥增加了1～3倍，且充填料漿的坍落度、泌水性等指標(biāo)無明顯變化。

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2015￣03￣20)

周 宇(1990-)，男，湖北武漢人，主要從事礦山充填和選礦試驗(yàn)研究工作。