優(yōu)化電解錳渣充填體性能研究

徐 勝，周 旻，陳南雄，黃福才，陳林藝，萬 沙，侯浩波

(1. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2. 湖北省環(huán)境修復(fù)材料工程技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430072； 3. 中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

優(yōu)化電解錳渣充填體性能研究

徐 勝1,2，周 旻1,2，陳南雄3，黃福才1,2，陳林藝1,2，萬 沙1,2，侯浩波1,2

(1. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2. 湖北省環(huán)境修復(fù)材料工程技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430072； 3. 中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

以硅鋁基膠凝材料對(duì)廣西某電解錳公司的電解錳渣設(shè)計(jì)了漿體質(zhì)量濃度、廢石摻量、廢石粒徑分布以及養(yǎng)護(hù)齡期4個(gè)因素3個(gè)水平的正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)漿體質(zhì)量濃度為70%、廢石摻量為10%，廢石粒徑5～10 mm，養(yǎng)護(hù)齡期28天是固結(jié)體試件強(qiáng)度最好，可達(dá)2.00 Mpa，符合固結(jié)充填強(qiáng)度要求。但最優(yōu)強(qiáng)度組合，電解錳渣漿體呈半固態(tài)性狀，沒有流動(dòng)性能，不符合充填要求，為此控制漿體質(zhì)量濃度為變量，其它因素為最優(yōu)組合條件下的參數(shù)為定量，設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)漿體質(zhì)量濃度為67%，其塌落度為193 mm，流動(dòng)度219 mm，擴(kuò)展度380 mm，能實(shí)現(xiàn)漿體充填，其28天抗壓強(qiáng)度為1.7 MPa，符合礦山充填要求。

電解錳渣；正交試驗(yàn)；流動(dòng)性能

0 前 言

濕法電解錳是生產(chǎn)金屬錳的主要方法，而生產(chǎn)1 t電解金屬錳，約產(chǎn)生6～7 t電解錳渣，我國(guó)每年約電解錳產(chǎn)能約100萬t左右[1]，意味著每年電解錳渣將產(chǎn)生6～7倍的電解錳渣?，F(xiàn)今電解錳渣主要采用自然堆存處理，不僅占用土地資源，長(zhǎng)久的堆存使電解錳渣危害成分隨堆放場(chǎng)地環(huán)境氣候，進(jìn)入周邊水體、土壤，污染環(huán)境，對(duì)人類生存產(chǎn)生巨大威脅，急需處理與利用。

隨著錳礦石的不斷開采，露天開采已經(jīng)不能滿足電解錳生產(chǎn)需求，轉(zhuǎn)而發(fā)展地下開采，形成地下采礦空區(qū)，采礦空區(qū)不及時(shí)處理會(huì)引發(fā)各種礦山安全事故，并影響錳礦石的繼續(xù)開采。錳礦石的開采過程也會(huì)產(chǎn)生大量的掘進(jìn)廢石，破碎分選廢石料，自然堆存于采礦區(qū)周邊，在雨季等不確定氣候影響下可能引法泥石流等礦山安全事故。

因此對(duì)電解錳渣及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢石的處理迫在眉睫，而將電解錳渣和廢石充填采礦空區(qū)，也符合綠色礦山生產(chǎn)和工業(yè)生態(tài)學(xué)的環(huán)保理念，同時(shí)為回采錳礦石創(chuàng)造了良好的安全保障，并減少電解錳渣堆存占用土地和處理的經(jīng)濟(jì)成本，為電解錳生產(chǎn)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益[2-4]。

本文利用硅鋁基膠凝材料摻1%萘系高效減水劑研究了不同灰渣比、漿體質(zhì)量濃度、摻廢石量以及不同齡期對(duì)電解錳渣固結(jié)體的力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)，確定了在滿足漿體流動(dòng)性能下和電解錳渣固結(jié)體性能的要求的最優(yōu)配比。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 電解錳渣

電解錳渣來自于廣西省某電解錳公司。電解錳渣的基本物理指標(biāo)、化學(xué)成分、粒徑分布如表1、表2、圖1所示。

表1 電解錳渣的基本物理指標(biāo)

1.1.2 硅鋁基膠凝材料

硅鋁基膠凝材料主要由水淬礦渣、熟料、充填母料、堿性激發(fā)劑組成。實(shí)驗(yàn)中采用的水淬礦渣來自武鋼水淬急冷?；郀t礦渣，經(jīng)球磨40 min得到的

表2 電解錳渣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

圖1 電解錳渣的粒徑分布

白色粉末狀固體，其中主要礦物為富鈣(鎂)鋁硅玻璃體，其含量>90%，礦粉比表面積為362.2 m2/kg，試驗(yàn)中采用的水泥熟料選自黃石華新水泥廠，其比表面積為343.7 m2/kg，NS固結(jié)劑主要成分化學(xué)組成如表3所示。

表3 硅鋁基膠凝材料主要成分化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

1.1.3 廢石

試驗(yàn)中采用的廢石是錳礦石破碎分選過程中廢石，采用標(biāo)準(zhǔn)《廢石顆粒級(jí)配》GB/T14685-2011篩分，廢石較細(xì)，其中小于9.5 mm的廢石占96.99%，小于4.75 mm的廢石占52.05%，小于2.36 mm的廢石占15.05%。

1.1.4 萘系高效減水劑

實(shí)驗(yàn)中采用的萘系高效減水劑為市售β-基萘磺酸鹽甲醛縮合物。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1 尾礦固結(jié)體正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中采用硅鋁基膠凝材料作為膠結(jié)劑，灰渣比為1∶7，外摻1%萘系高效減水劑，研究了漿體質(zhì)量濃度、廢石摻量、廢石粒徑分布與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)電解錳渣固結(jié)體強(qiáng)度的影響。正交試驗(yàn)因素與水平確定[5]，見表4。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》GB /T 17671-1999，將各實(shí)驗(yàn)材料混合后加入攪拌，攪拌結(jié)束后將漿體注入尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的試模，脫模后進(jìn)行溫度20±1℃、濕度為98%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。最后測(cè)定7，14，28 d齡期固結(jié)體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 流動(dòng)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080-2002規(guī)定的方法對(duì)拌合漿體好的塌落度、擴(kuò)展度進(jìn)行測(cè)試；《參照水泥漿體流動(dòng)度測(cè)試方法(倒錐法)》T0508-2005規(guī)定的方法對(duì)拌合漿體進(jìn)行流動(dòng)度的測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1正交設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

根據(jù)因素、水平的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)選用L9(34)正交表，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析采用極差分析法，通過橫向?qū)Ρ?，以各試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較選擇最優(yōu)方案。各因素的極差分別為0.497、0.040、0.177、1.093，因素D(齡期)的極差1.903最大。說因素D(齡期)是主要因素，它的3個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值分別為0.487、1.283、1.580，以第3水平(漿體質(zhì)量濃度為70%)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值最高，所以齡期越長(zhǎng)，固化體強(qiáng)度越高，這是由于試件在養(yǎng)護(hù)過程中沒有完全泌水的原因。第1列，因素A(漿體質(zhì)量濃度)的極差0.497，顯著小于D，它的3個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)平均值為0.910、1.033、1.407，以第3水平(漿體質(zhì)量濃度為70%)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值1.407數(shù)值最大，顯然漿體質(zhì)量濃度越高，固結(jié)體強(qiáng)度越高，但是考慮到實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)自流充填，控制漿體質(zhì)量濃度。因素B(廢石摻量)和因素C(廢石粒徑分布)的極差分別為0.040和0.177，明顯小于因素A和因素D，它們的3個(gè)水平分別為1.103、1.143、1.103和1.220、1.043、1.087，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)因素水平改變對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響較小。

從以上分析得出結(jié)論：各因素對(duì)固結(jié)體的試驗(yàn)指標(biāo)(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)的影響為：D(齡期)>A(漿體質(zhì)量濃度)>C(廢石摻量)>B(廢石粒徑分布)；最優(yōu)方案為A3B2C1D3，即漿體質(zhì)量濃度70%，廢石摻量10%，廢石粒徑5～10mm，在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)可得到最優(yōu)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.2各指標(biāo)變化趨勢(shì)分析

各試驗(yàn)指標(biāo)的變化趨勢(shì)可通過因素趨勢(shì)圖來刻畫。每個(gè)因素以均值為縱坐標(biāo)，以因素水平為橫坐標(biāo)，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 各因素的水平對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

2.2.1 漿體質(zhì)量濃度對(duì)強(qiáng)度的影響

用水量可不同程度的改善充填料具輸送性能，用水量也可改變漿體質(zhì)量濃度，使固結(jié)體獲得最大力學(xué)強(qiáng)度，固結(jié)體強(qiáng)度隨著漿體質(zhì)量濃度從65%～70%的增加而增加，當(dāng)漿體質(zhì)量濃度從67%增加到70%比從65%增加到67%固結(jié)體強(qiáng)度增加幅度更為明顯，說明當(dāng)漿體質(zhì)量濃度不斷增加時(shí)，可以獲得更好的固化效果，而漿體質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時(shí)，漿體基本呈固態(tài)性狀，無法滿足膏體自流充填要求。

2.2.2 齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

固結(jié)體隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度保持持續(xù)增長(zhǎng)，固結(jié)體齡期從7～14 d比14～28 d的強(qiáng)度增加幅度更大，固結(jié)體早期水化速率更快，但隨著水化程度增高，固結(jié)體力學(xué)性能也會(huì)越好。

2.2.3 廢石摻量和廢石粒徑分布對(duì)強(qiáng)度的影響[6]

充填骨料摻量和顆粒級(jí)配是影響固結(jié)體強(qiáng)度的重要因素，合理的骨料級(jí)配可減小充填體的空隙率和較大的緊密堆積密度，獲得更好的強(qiáng)度，廢石摻量從10%增加到15%時(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度減小，廢石摻量從15%增加到20%時(shí)固結(jié)體強(qiáng)度增加，當(dāng)廢石摻量為10%，固結(jié)體強(qiáng)度最高，而3種廢石粒徑分布的廢石的均值都在1.1左右，對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度影響不大。

2.3流動(dòng)性能

電解錳渣膠結(jié)漿體質(zhì)量濃度越高，固結(jié)體的強(qiáng)度越高，但是膠結(jié)體質(zhì)量濃度，膠結(jié)漿體流動(dòng)性越差，不利于漿體的輸送。為此根據(jù)上述正交實(shí)驗(yàn)最優(yōu)結(jié)果，選擇摻廢石10%，廢石粒徑5～10 mm，灰渣比1:7，研究漿體質(zhì)量濃度從65%、67%、70%的塌落度、擴(kuò)展度及流動(dòng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同漿體質(zhì)量濃度塌落度、擴(kuò)展度、流動(dòng)度

由圖3可以看出：塌落度、擴(kuò)展度及流動(dòng)度都隨漿體質(zhì)量濃度的增加，而塌落度、擴(kuò)展度、流動(dòng)度都呈下降趨勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)漿體的自流充填，根據(jù)圖3，漿體質(zhì)量濃度65%、67%可符合要求，漿體質(zhì)量濃度為70%，流動(dòng)性較差，不能作為漿體充填流動(dòng)度要求；而漿體質(zhì)量濃度65%，其塌落度為260 mm、擴(kuò)展度452 mm、流動(dòng)度263 mm，流動(dòng)性能最好，但濃度過低，在管道輸送過程中、不能形成柱塞流，易離析、分層，并在礦山充填區(qū)泌水量過多，易引起地下水污染；因此當(dāng)漿體質(zhì)量濃度為67%，擴(kuò)展度為380 mm、流動(dòng)度219 mm、塌落度為193 mm，既能實(shí)現(xiàn)漿體自流充填，在輸送和礦山充填區(qū)漿體也不會(huì)發(fā)生離析、分層的穩(wěn)定形態(tài)，且其28 d抗壓強(qiáng)度為1.7 MPa，符合礦山充填要求[7-10]。

3 結(jié) 論

1)通過對(duì)電解錳渣的4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，各因素對(duì)固結(jié)體的試驗(yàn)指標(biāo)(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)的影響為：D(齡期)>A(漿體質(zhì)量濃度)>C(廢石摻量)>B(廢石粒徑分布)；最優(yōu)方案為A3B2C1D3，即漿體質(zhì)量濃度70%，廢石摻量10%，廢石粒徑5～10 mm，在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)可得到最優(yōu)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2)但最優(yōu)組合漿體質(zhì)量濃度為70%，漿體呈半固態(tài)性狀，沒有流動(dòng)性能，為此只控制漿體質(zhì)量濃度為變量，其它因素為最優(yōu)組合條件下的參數(shù)為定量，設(shè)計(jì)了單因素，結(jié)果表明：當(dāng)漿體質(zhì)量濃度為67%，其塌落度為193 mm，流動(dòng)度219 mm、擴(kuò)展度380 mm，能實(shí)現(xiàn)漿體自流充填，在輸送和礦山充填區(qū)漿體也不會(huì)發(fā)生離析、分層的穩(wěn)定形態(tài)，且其28 d抗壓強(qiáng)度為1.7 MPa，符合礦山充填要求。

[1] 譚柱中.2013年中國(guó)電解金屬錳工業(yè)回顧和展望[J]. 中國(guó)錳業(yè),2014,32(3):1-4.

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APerformanceStudytoOptimizetheFillingBodyofEMMResidue

XU Sheng1,2, ZHOU Min1,2, CHEN Nanxiong3, HUANG Fucai1,2, CHEN Linyi1,2, WAN Sha1,2, HOU Haobo1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China; 2.EnvironmentalRestorationMaterialsEngineeringTechnologyResearchCenterofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430072,China; 3.CITICDamengMiningIndustriesLimited,Nanning,Guangxi530029,China)

To explore the silicon aluminum gelled material solid in EMM residue from an electrolytic company in Guangxi province, we have made an orthogonal experiment of "Four Factors in Three Levels", by using the slurry concentration, the gravel dosage and the gravel size distribution and the curing age. The results indicate that, when slurry concentration is 70%, the gravel dosage will be at 10% and the gravel size will be from 5 to 10 mm. There is 28 d curing age, including the concretion body's unconfined compressive strength to 2.00 MPa, conforming to the requirements of the strength of consolidated filling. However, the electrolytic manganese slag slurry was semi-solid traits with no flow property at the optimal combination of strength in the optimal strength combination. It is not satisfied to have the packing requirements. Then, the single factor experiment was designed in the quality of slurry concentration as variable and other optional factors conditions as ration. The results show that when slurry concentration is 67%, there is 193 mm slump with 380 mm fluidity and 219 mm extension. It is comforting that the slurry filling with 28 days of compressive strength to 1.7 MPa is suitable for the requirements of the mine filling.

Electrolytic manganese residue; Orthogonal experiment; Flowing property

2017-07-07

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2015AB01B03)。

徐勝(1990-)，男，安徽合肥人，在讀碩士研究生，研究方向：固體廢物處理與資源化，手機(jī)：13026138801；通訊作者：周旻(1978-)，男，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向：環(huán)境修復(fù)材料，E-mail：zhoumin@whu.edu.cn.

X781.1

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.038