礦渣微粉細(xì)度對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響

(1.金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅金昌737100； 2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院， 北京100083)

0 引言

礦渣是在生鐵冶煉過程排放的高溫熔渣經(jīng)過水淬處理后形成的以玻璃體為主要成分且具有水硬活性的物料[1-2]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，我國(guó)每年鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵水淬礦渣年排放量就達(dá)5 000多萬t，回收利用率約83 %，廢棄的礦渣不但占用大量土地，還嚴(yán)重污染環(huán)境[3-4]。如何綜合利用礦渣，使之變廢為寶，是我國(guó)資源節(jié)約和綜合利用工作面臨的一項(xiàng)重大課題。

金川銅鎳礦由于埋藏深、地應(yīng)力高、礦巖破碎等特點(diǎn)，其主要采用下向膠結(jié)充填采礦。但是近年來金川礦山富礦和淺部礦體日趨減少，再加上國(guó)際銅鎳價(jià)格處于低迷狀態(tài)，給金川集團(tuán)及礦山的開采帶來了很大的壓力。開發(fā)適用于金川礦山下向膠結(jié)充填的低成本早強(qiáng)膠凝材料是金川礦山充填采礦技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。金川下向充填技術(shù)要求充填體早期強(qiáng)度高，3 d強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa，7 d強(qiáng)度不低于2.5 MPa，28 d強(qiáng)度不低于5 MPa。以水泥為膠凝材料無疑會(huì)增加充填成本，開發(fā)新型膠凝材料替代水泥對(duì)于礦山充填尤為重要。SUN等[5-7]對(duì)骨料級(jí)配、充填材料等影響充填體強(qiáng)度的因素進(jìn)行了研究其中劉方舒等[8]對(duì)生態(tài)水泥進(jìn)行了研究；楊志強(qiáng)等[9]利用金川水淬鎳渣等廢棄物開發(fā)膠凝材料；李立濤等[10]利用脫硫灰渣和礦渣開發(fā)復(fù)合膠凝材料；肖柏林等[11-12]對(duì)采用磷石膏開發(fā)膠凝材料進(jìn)行了研究；李茂輝等[13-15]對(duì)粉煤灰膠凝材料進(jìn)行了研究；祝麗萍等[16-17]利用赤泥和高爐礦渣開發(fā)出膠凝材料；董越等[18]利用鋼渣替代部分膠凝材料以降低充填成本。

本文在此基礎(chǔ)上以酒鋼酸性礦渣粉為主要原料開發(fā)早強(qiáng)充填膠凝材料，并探索礦渣細(xì)度對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響，為低成本高效充填在金川礦山的綜合利用提供技術(shù)支持。

1 酒鋼礦渣物化分析

酒鋼公司礦渣主要化學(xué)成分與質(zhì)量指標(biāo)見表1。由此可見，酒鋼礦渣的活性系數(shù)Mn=0.29<0.30，屬于低活性火山灰質(zhì)材料；同時(shí)酒鋼礦渣堿性系數(shù)M0=0.90<1.0，屬于酸性礦渣；酒鋼礦渣質(zhì)量系數(shù)平均值K=1.44<1.6，也屬于低活性礦渣，但K>1.2達(dá)到可以利用的礦渣活性要求。

表1 酒鋼公司礦渣的化學(xué)成分與質(zhì)量指標(biāo)Tab.1 Chemical composition and quality index of the JQS

2 不同細(xì)度的酒鋼礦渣微粉粒度分析

金昌熙金節(jié)能建材有限公司采用高能球磨機(jī)，粉磨酒鋼礦渣生產(chǎn)出礦渣微粉。為了分析不同細(xì)度的礦渣微粉水硬化性，針對(duì)熙金公司粉磨的原狀礦渣微粉，在室內(nèi)進(jìn)行不同時(shí)間的粉磨，由此獲得不同細(xì)度的礦渣微粉，然后進(jìn)行粒度分析和微觀形態(tài)觀察。

為了對(duì)不同細(xì)度的礦渣微分粒度分析，采用ND6-4L球磨機(jī)對(duì)原狀渣粉分別粉磨1.0 h和1.5 h分別得到中細(xì)和超細(xì)礦渣微粉，其粒度分析結(jié)果見圖1和圖2，其為不同粒度礦渣微粉粒徑分布曲線。

根據(jù)礦渣微粉粒徑分析結(jié)果，由此獲得不同細(xì)度的礦渣微粉粒度分布特征值De和均勻系數(shù)n見表2。由此可見，隨著粉磨時(shí)間增加，強(qiáng)烈的機(jī)械碰撞、研磨作用使得礦渣微粉粒徑迅速減小，粉磨1.5 h后的礦渣微粉平均粒徑從24.31 μm減小到12.26 μm，降幅達(dá)到49.6 %。由此說明，渣粉在粉磨過程逐漸進(jìn)入了破碎、細(xì)化與粗化的動(dòng)態(tài)平衡階段。同時(shí)，隨著粉磨時(shí)間增加，礦渣微粉粒徑分布逐漸變窄。表2中的n值反映粒徑分布的寬窄，n值越大，表明礦渣微粉的粒徑分布愈窄，n值越小，則粒徑分布愈寬。由此可見，隨著球磨時(shí)間增加，n值逐漸增大。說明礦渣微粉的顆粒分布越來越窄，即大顆粒逐漸減少，粒徑越來越集中，主要集中于3～15 μm間。圖2顯示原狀礦渣微粉粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，其粒徑頻率曲線越陡峭。

圖1 不同粉磨時(shí)間的礦渣微粉粒徑累積分布曲線
Fig.1 Cumulative distribution curve of slag powderparticle sizewith different grinding time

圖2 不同粉磨時(shí)間的礦渣微粉粒徑頻率分布曲線
Fig.2 Frequency distribution curve of slag powderparticle size with differentgrinding time

表2 酒鋼礦渣磨不同粉磨時(shí)間的礦渣微粉粒度分布特征值Tab.2 Characteristics of particle size distribution of slag powder with differentgrinding time

注：d10、d30、d60分別為粒徑累積分布中累積粒徑含量達(dá)到10 %、30 %、60 %時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑，dav為平均粒徑。

圖3 不同粉磨時(shí)間的礦渣微粉XRD圖譜Fig.3 XRD Atlas of slag powder with different grinding time

3 礦渣微粉微觀分析

利用XRD和SEM分析技術(shù)，測(cè)試不同粉磨時(shí)間酒鋼礦渣微粉的顆粒結(jié)構(gòu)與顆粒形貌的變化特征。對(duì)原狀礦渣微粉粉磨1.0 h和1.5 h的礦渣微粉的XRD譜圖與掃描電鏡分析結(jié)果見圖3。由此可見，圖譜中顯示該礦渣微粉基本呈非晶態(tài)態(tài)，含有大量的玻璃體相。從圖譜中可知，礦渣微粉在粉磨之后，XRD圖譜沒有發(fā)生明顯變化。這說明礦渣微粉中的晶體結(jié)構(gòu)及物相組成不會(huì)因機(jī)械磨粉而產(chǎn)生變化，即機(jī)械粉磨主要是對(duì)礦渣顆粒的粒徑和表面形貌產(chǎn)生影響。

圖4為原狀礦渣微粉和粉磨不同時(shí)間的礦渣微粉表面形貌掃描電鏡圖。從中可以獲悉，初始礦渣微粉主要由不規(guī)則多邊形的塊狀大顆粒組成，且顆粒的直徑各不相同，最大的顆粒直徑約有25 μm；粉磨1.0 h后，不規(guī)則塊狀大顆粒進(jìn)一步破碎，大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槁咽癄铑w粒，只有較少數(shù)量的大顆粒，顆粒粒徑明顯細(xì)化，顆粒粒徑變小，顆粒的棱角變少，圓形度增加；當(dāng)粉磨1.5 h的礦渣微粉顆粒完全轉(zhuǎn)變?yōu)槁咽癄畹念w粒，基本上沒有不規(guī)則的塊狀顆粒，都是很有規(guī)則的小顆粒，表面也相對(duì)比較光滑。

(a) 原狀礦渣微粉

(b) 粉磨1.0 h

(c) 粉磨1.5 h

4 不同細(xì)度渣粉膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

針對(duì)金昌熙金公司生產(chǎn)的原狀渣粉，開展不同粉磨時(shí)間獲得的礦渣微粉細(xì)度，進(jìn)行新型膠凝材料(NCM)膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

新型膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)z砂比為1∶4；料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %。充填骨料粒徑為20 mm以下河砂粗骨料。表3～表5給出了三種細(xì)度的新型膠凝材料膠結(jié)充填體3 d、7 d和28 d強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 利用原狀渣粉開發(fā)的新型膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of cemented backfill strength of the NCM developed by using the OSP

表4 利用中細(xì)渣粉開發(fā)的新型膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of cemented backfill strength of the NCM developed by using the MSP

表5 利用超細(xì)渣粉開發(fā)的新型膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of cemented backfill strength ofthe NCM developed by using the SSP

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表6給出了基于不同細(xì)度的礦渣微粉開發(fā)的新型膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。圖5給出了新型膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度與不同細(xì)度的礦渣微粉平均粒徑的關(guān)系曲線。由此可見，提高渣粉細(xì)度能夠顯著提高粉煤灰基新型膠凝材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度。由圖5發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)V渣微粉平均粒徑由25 μm減小到16 μm，膠結(jié)充填體的3 d、7 d和28 d強(qiáng)度均呈現(xiàn)線性增加，就比較而言，3 d和7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)高于28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率。但當(dāng)?shù)V渣微粉平均粒徑從16 μm減小到12 μm，充填體3 d、7 d和28 d強(qiáng)度近似呈現(xiàn)指數(shù)速率提高。相比較，超細(xì)礦渣微粉3 d強(qiáng)度增長(zhǎng)速度明顯高于7 d強(qiáng)度。由此說明，提高礦渣微粉細(xì)度能夠顯著提高膠結(jié)充填體強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度。

表6 不同細(xì)度渣粉開發(fā)新型膠凝材料與水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Strength test results of the cemented backfill of the NCM developed by different fineness slag powderand the Mine filling cement

圖5 新型膠凝材料充填體強(qiáng)度與礦渣微粉的平均粒徑的關(guān)系曲線
Fig.5 Relationship between the strength of the cemented backfill of the NCMand the mean particle size of the slag powder

5 結(jié)論

①由物化分析可知，酒鋼礦渣的活性系數(shù)平均值Mn=0.29<0.30，并且其堿性系數(shù)平均值M0=0.90<1.0，故酒鋼礦渣屬于低活性酸性礦渣。

②通過微觀分析，由XRD圖譜可知，機(jī)械粉磨主要是對(duì)礦渣顆粒的粒徑和表面形貌產(chǎn)生影響，不會(huì)改變其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)及物相組成。

③在其他條件相同的情況下，膠結(jié)充填體的強(qiáng)度隨著渣粉細(xì)度的增大而增大；中細(xì)渣粉3 d、7 d和28 d強(qiáng)度較之于原狀渣粉分別提高了33.3 %、30 %和9.3 %；超細(xì)渣粉3 d、7 d和28 d強(qiáng)度較之于原狀渣粉分別提高了63 %、53.6 %和35.2 %，提升效果顯著，尤其是早期強(qiáng)度。

④根據(jù)表6新型膠凝材料強(qiáng)度結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于超細(xì)渣粉開發(fā)的充填膠凝材料3 d和7 d強(qiáng)度分別為1.32 MPa和2.35 MPa，是水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度的87 %和85 %。由此可見，隨著礦渣微粉細(xì)度的提高，膠結(jié)充填體3 d和7 d強(qiáng)度隨之提高，但仍低于水泥膠結(jié)充填體的強(qiáng)度。顯然僅通過提高礦渣微粉的細(xì)度還難以達(dá)到水泥膠凝材料特性，仍需進(jìn)一步探究影響充填體早期強(qiáng)度因素；對(duì)于后期強(qiáng)度而言，新型膠凝材料28 d平均強(qiáng)度比水泥膠凝材料提高率近30 %，由此可見，與水泥相比新型膠凝材料在后期強(qiáng)度方面具有一定優(yōu)勢(shì)。