新型工業(yè)廢渣-尾礦基膠結(jié)充填材料的抗壓性能研究

楊明錄　劉允秋

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

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·材料·裝備·

新型工業(yè)廢渣-尾礦基膠結(jié)充填材料的抗壓性能研究

楊明錄1,2,3劉允秋1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

為緩解高爐渣、尾礦等工業(yè)廢渣的大量堆存對(duì)環(huán)境的危害，降低礦山開采膠結(jié)充填成本，探討以尾礦和高爐渣、石膏、赤泥等工業(yè)廢渣為主要原材料，以固體水玻璃為激活劑，制備新型工業(yè)廢渣-尾礦基膠結(jié)充填材料的試驗(yàn)。得出最佳配方為：漿料濃度70%、灰砂比1∶3.89，高爐渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固體水玻璃7.41%，并對(duì)高爐礦渣在膠結(jié)充填中的膠凝機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)尾礦資源再利用及工業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

膠結(jié)充填尾礦高爐渣正交試驗(yàn)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展加速了對(duì)礦產(chǎn)資源需求，導(dǎo)致了日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題和資源短缺問(wèn)題[1]。提高資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦資源的綜合利用，不僅可以減少尾礦對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，也減少建設(shè)尾礦庫(kù)占用土地及企業(yè)投資，提高企業(yè)的利潤(rùn)空間。目前我國(guó)各地積存數(shù)以百億噸計(jì)的尾礦，利用率極低。

尾礦膠結(jié)是提高尾礦資源利用率的有效途徑之一，尾礦膠結(jié)充填材料大多都是以水泥作為膠結(jié)劑[2]，但充填成本過(guò)高。為降低尾礦膠結(jié)充填成本，本文探索利用高爐渣、石膏、赤泥等工業(yè)廢渣，制備工業(yè)廢渣-尾礦基新型膠結(jié)充填材料。

1　原材料與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)采用高爐礦渣、石灰、石膏、赤泥、姑山礦鐵尾礦和固體水玻璃為原材料，制備尾礦膠結(jié)充填材料。其中高爐礦渣取自于馬鞍山市中天新型建材有限公司，其生產(chǎn)的礦渣微粉符合《GB/T18046—2008》標(biāo)準(zhǔn)中S95級(jí)別要求。各原材料的化學(xué)組成見表1。

表1　各原料的化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2試驗(yàn)設(shè)備

JJ-5型水泥砂漿攪拌機(jī)；振動(dòng)臺(tái)，振幅0.3～0.6mm，振動(dòng)頻率2 860次/min；SHBY-40B型數(shù)控水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱；QJ-211S電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；模具，尺寸為20mm×20mm×20mm六聯(lián)；電子稱，1 000g/0.1g。

1.3試驗(yàn)方法

分別稱取一定量的尾礦、赤泥、石膏、高爐礦渣、石灰、固體水玻璃和水，加入到水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌，在砂漿混合均勻之后加入到20mm×20mm×20mm的六聯(lián)模具中，放在震動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)成型，將模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h，脫模后在常溫下養(yǎng)護(hù)至3,7,28d后檢測(cè)其抗壓性能。尾礦砂漿充填材料試塊的制備及抗壓強(qiáng)度檢測(cè)工藝流程見圖1，試塊制作、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試過(guò)程見圖2。

圖1　尾礦膠結(jié)充填材料試塊制備及抗壓強(qiáng)度檢測(cè)流程

圖2　實(shí)驗(yàn)室試塊制作及強(qiáng)度測(cè)試

2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

影響尾礦膠結(jié)充填材料抗壓性能的因素眾多，在前期大量探索性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定漿料濃度為70%，按照表2中所選的因素與水平，制備工業(yè)廢渣-尾礦基新型膠結(jié)充填材料試塊，分別養(yǎng)護(hù)至3，7，28d測(cè)試其抗壓性能。選取的各因素與水平見表2，對(duì)應(yīng)L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果記錄見表3，L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表4。

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表3　L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果

表4　L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析MPa

根據(jù)表4可以得出，對(duì)于試塊而言，7d中期抗壓強(qiáng)度與28d后期抗壓強(qiáng)度的影響因素順序均為A>B>C>D；但對(duì)于試塊3d前期抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)镃>A>B>D。

不同齡期試塊的抗壓強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的優(yōu)方案也不同，但可以通過(guò)綜合平衡法得到，具體的平衡過(guò)程如下：

因素A：對(duì)于試塊的中期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度都是取A1水平較好，而且對(duì)于中期與后期強(qiáng)度而言，A因素都是最主要的因素，因此在確定優(yōu)方案時(shí)應(yīng)作重點(diǎn)考慮。對(duì)于早期強(qiáng)度極差分析表中K1與K2相差不大，因此綜合考慮A因素對(duì)各指標(biāo)的重要程度，選取A1。

對(duì)于因素B與因素C，其水平對(duì)試塊早期強(qiáng)度、中期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度的影響具有一致性，因此，因素B與因素C的水平均取B1C3。

因素D與因素A的綜合平衡分析方法基本一致，試塊早期強(qiáng)度與中期強(qiáng)度都是取水平D2較好，后期強(qiáng)度傾向于D1，在滿足試塊試驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，從成本方面考慮，應(yīng)增加尾礦的使用量，既可以降低尾礦膠結(jié)充填材料成本，又可以提高尾礦利用率，因此，綜合考慮之后選取水平D2。

綜上所述，確定最終的優(yōu)方案為A1B1C3D2∶漿料濃度70%、灰砂比1∶3.89，高爐渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固體水玻璃7.41%。

3　高爐礦渣膠凝機(jī)理

石灰與水發(fā)生反應(yīng)：CaO+H2O→Ca(OH)2，

高爐渣中活性玻璃體與Ca(OH)2發(fā)生如下反應(yīng)：

活性SiO2+Ca(OH)2(aq)→CaO·SiO2(aq)，

活性Al2O3+Ca(OH)2(aq)→CaO·Al2O3(aq),

體系中存在的石膏也會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

活性Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4·2H2O)(aq)→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O[5]。

4　結(jié)　論

(1)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)的分析研究，選定以石灰、尾礦、石膏、高爐渣為主要原材料，以固體水玻璃為激活劑，制備新型工業(yè)廢渣-尾礦基膠結(jié)充填材料。

(2)制備新型工業(yè)廢渣-尾礦基膠結(jié)充填材料的最佳配方為：漿料濃度70%、灰砂比1∶3.89，高爐渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固體水玻璃7.41%，其中對(duì)早期強(qiáng)度影響最大的為固體水玻璃含量，對(duì)中期與后期強(qiáng)度影響最大的為高爐渣含量。

(3)本試驗(yàn)研究制備的新型工業(yè)廢渣-尾礦基膠結(jié)充填材料，工業(yè)廢渣所占的比例為98.48%，充分利用了廢棄尾礦，提高了石膏、高爐渣等工業(yè)廢渣的利用率，減少了石膏、高爐渣等工業(yè)廢渣對(duì)環(huán)境的污染，符合當(dāng)前國(guó)家所倡導(dǎo)的環(huán)境節(jié)約型、資源節(jié)約型的發(fā)展理念，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]朱明,劉志強(qiáng).某選鐵尾礦制備膠凝材料的研究[J].中國(guó)礦山工程,2012(4)：14-17.

[2]何哲祥.全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)的研究與實(shí)踐[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998(12):739-744.

[3]吳期生.堿高爐渣水泥的研究與發(fā)展[J].中國(guó)建材科技，1999(1):1-9.

[4]尹裕.礦山新型膠結(jié)充填材料的試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2011(8):29-31.

[5]牛福生,聶鐵苗,張錦瑞.地質(zhì)聚合物中常用的礦渣激發(fā)劑及激發(fā)機(jī)理[J].混凝土，2009(11):83-85.

StudyontheCompressivePerformanceofaNewTypeCemented-FillingMaterialBasedonIndustrialWasteSlagandTailings

YangMinglu1,2,3LiuYunqiu1,2,3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines;3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficientCyclicandUtilizationofMetallicMineralResourcesCo.,Ltd.)

Inordertoalleviatetheharmofthestockpilingofblastfurnaceslagtoenvironmentandreducethecostminingcementedfilling,thetailings,blastfurnaceslag,gypsum,redmudandotherindustrialwasteslagaretakenasthemainrawmaterials,thesolidsodiumsilicateistakenastheactivatortoconducttheexperimentofproductingthenewcemented-fillingmaterial.Theexperimentalresultsshowthattheoptimalformularofthenewcemented-fillingmaterialincludingslurryconcentration(70%),cementsandratio(1∶3.89),blastfurnanceslag(78.70%),lime(11.11%),gypsum(2.78%)andsolidsodiumsilicate(7.41%),besidesthat,thegelationmechanismofblastfurnaceslaginthenewcemented-fillingmaterialisalsoanalyzedindetail,theaboveanalysisresultshavesometheimportantinstructionsignificancetotheresourcesreutilizationandindustrialproduction.

Cementedfilling,Tailings,Blastfurnaceslag,Orthogonaltest

2016-03-09)

楊明錄(1990—)，男，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。