基于RSM-BBD的拜耳法赤泥膠結(jié)充填配比優(yōu)化

李帥　于正　馮如　潘紀(jì)龍

摘要：針對(duì)拜耳法赤泥難以規(guī)?；玫膯?wèn)題，開發(fā)拜耳法赤泥作為礦山膠結(jié)充填骨料?；谂浞教剿髟囼?yàn)結(jié)果，運(yùn)用BBD方法設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，以響應(yīng)面優(yōu)化法探究料漿濃度和拜耳法赤泥C料質(zhì)量比與充填體抗壓強(qiáng)度、坍落度和C料單耗3個(gè)響應(yīng)量的相關(guān)關(guān)系及最佳配比。結(jié)果表明：在拜耳法赤泥C料質(zhì)量比為6.88、料漿濃度為58.69 %時(shí)滿意度值達(dá)到最大，為0.729，此時(shí)充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度為1.56 MPa，坍落度為29.5 cm，C料單耗為74.716 kg/t，符合礦山實(shí)際生產(chǎn)要求。將拜耳法赤泥用于礦山采空區(qū)充填既消除了采空區(qū)安全隱患，保障了礦山的安全持續(xù)開采，又實(shí)現(xiàn)了拜耳法赤泥的大規(guī)模利用，保護(hù)了地表環(huán)境。

關(guān)鍵詞：拜耳法赤泥;BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì);膠結(jié)充填;配方探索;響應(yīng)面優(yōu)化;配比優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2022）01-0034-08doi：10.11792/hj20220106

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021JJ40745）;國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51804337）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，世界資源需求量急劇增加，其中，鋁作為一種常用的金屬材料，其2020年全球需求量高達(dá)1.084億t，預(yù)計(jì)到2040年全球鋁需求量將達(dá)到1.637億t[1]，如此大的需求量使得鋁成為世界第二大金屬，僅次于鋼鐵。在冶煉鋁的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種固體廢物——拜耳法赤泥，每生產(chǎn)1 t電解鋁將產(chǎn)生2.0～3.6 t的拜耳法赤泥，中國(guó)拜耳法赤泥年產(chǎn)量高達(dá)7 000萬(wàn)t，但其年綜合利用量卻不足500萬(wàn)t，大量拜耳法赤泥只能就地或筑壩堆積，不僅占用大量土地資源，而且對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，威脅到礦山的安全可持續(xù)生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)外就拜耳法赤泥的綜合利用提出了數(shù)十種方法，主要包括有價(jià)金屬元素回收、充當(dāng)建筑材料和吸附材料、生態(tài)修復(fù)及陶瓷生產(chǎn)等[2-11]。李陽(yáng)等[12]將拜耳法赤泥用于生產(chǎn)混凝土路緣石，研究結(jié)果表明：當(dāng)材料混合質(zhì)量配比為水泥∶砂∶碎石∶拜耳法赤泥=1∶0.34∶2.72∶0.77時(shí)，拜耳法赤泥混凝土路緣石28 d齡期抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)35.3 MPa和5.3 MPa，可作為理想的混凝土路緣石原材料;林偉等[13]研發(fā)的拜耳法赤泥改性陶瓷輕質(zhì)磚較傳統(tǒng)陶瓷輕質(zhì)磚具有保溫效果好、抗折強(qiáng)度高、抗靜電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司生產(chǎn)線上制得了樣品;SHOPPERT 等[14]首先用稀鹽酸在攪拌下浸出拜耳法赤泥，然后在一定條件下除去可溶性離子Ca、Na等，剩余固體殘?jiān)需F和鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加到57.7 %和6.4 %，實(shí)現(xiàn)了從拜耳法赤泥中提取鐵和鈦的兩步酸浸提法;BHATTACHARYA等[15]對(duì)拜耳法赤泥進(jìn)行球磨并在試驗(yàn)條件下進(jìn)行改良修飾，使其表現(xiàn)出最高的贗電容行為，可作為穩(wěn)定可靠的超級(jí)電容器電極。

受原礦礦石、生產(chǎn)工藝和堆積時(shí)間的影響，不同產(chǎn)地甚至同產(chǎn)地不同批次的拜耳法赤泥中的物質(zhì)組成及化學(xué)成分差別較大，而上述方法是在對(duì)拜耳法赤泥的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行充分研究和利用的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，針對(duì)不同的拜耳法赤泥不具備通用性。此外，這些方法多數(shù)需用到強(qiáng)酸強(qiáng)堿等價(jià)格昂貴的輔助材料，導(dǎo)致成本過(guò)高，無(wú)法進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)拜耳法赤泥規(guī)?；⒔?jīng)濟(jì)性的安全利用。近年來(lái)，越來(lái)越多類似于拜耳法赤泥的工業(yè)固體廢物被應(yīng)用于礦山充填開采，取得了較好的效果[16-19]。因此，本文研究了將拜耳法赤泥作為礦山膠結(jié)充填骨料的可行性，為實(shí)現(xiàn)拜耳法赤泥的大規(guī)模利用，消除采空區(qū)安全隱患提供新的途徑。

1 研究背景及試驗(yàn)材料

1.1研究背景

中國(guó)某省70 %的鋁土礦資源屬于煤下鋁，本次模擬以該省某典型鋁土礦為例。該鋁土礦賦存于中石炭統(tǒng)本溪組下部，與底部奧陶系灰?guī)r、鐵黏土巖侵蝕面呈不整合接觸。上覆地層由本溪組黏土巖和泥巖、太原組泥巖和砂巖、新近系紅土及第四系黃土組成。礦體平均厚度為2.85 m，平均傾角為7°，鋁硅比為5.5，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65 %，上覆煤層厚6.10 m，距礦體53 m。礦體頂板極限抗拉強(qiáng)度低，為0.48 MPa，軟化系數(shù)為0.53，頂板軟弱且不穩(wěn)定。目前，該礦山擬采用條帶式進(jìn)路充填采礦法作為主要采礦方法，條帶式進(jìn)路充填分兩步：第一步采用高強(qiáng)度拜爾法赤泥基膠結(jié)充填體對(duì)條狀采空區(qū)進(jìn)行充填，第二步采用低強(qiáng)度拜爾法赤泥基膠結(jié)充填體進(jìn)行充填。

1.2試驗(yàn)材料

拜耳法赤泥屬二類一般工業(yè)固體廢物，可用于礦山采空區(qū)膠結(jié)充填。本文主要研究材料為拜耳法赤泥、強(qiáng)度等級(jí)42.5水泥、S95礦渣粉和鋁灰，外加劑為石灰和水玻璃。研究表明，充填骨料的物理性質(zhì)和化學(xué)成分對(duì)膠結(jié)充填體的各項(xiàng)參數(shù)均有極大影響[20]。為此，對(duì)本文使用的拜耳法赤泥進(jìn)行分析，其粒度分布如圖1所示。由圖1可知：該拜耳法赤泥粒度較細(xì)，小于5 μm的顆粒占66 %，大于38 μm的顆粒僅占4 %;同時(shí)，其不均勻系數(shù)小于5，曲率系數(shù)小于1，說(shuō)明級(jí)配較差。此外，拜耳法赤泥的比表面積較普通膠結(jié)劑高，且滲透系數(shù)低（3.35×10-7 cm/s），這些特性都不利于拜耳法赤泥基膠結(jié)充填體的強(qiáng)度發(fā)展。利用X射線衍射儀（XRD）測(cè)定了拜耳法赤泥的礦物成分，主要包括方解石、鈣礬石、水氯蘇拉石、赤鐵礦、三水鋁石、云母和綠泥石，均不具有潛在的水化特性。綜上所述，拜耳法赤泥的物理性質(zhì)和化學(xué)成分對(duì)膠結(jié)充填體的各項(xiàng)參數(shù)均有較大的不利影響，不是一種理想的充填骨料。

2 充填配方試驗(yàn)

2.1充填配方探索試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于拜耳法赤泥含水率為20 %以上，試驗(yàn)前將拜耳法赤泥在烘箱中烘干至其含水率變化范圍不超過(guò)1 %，并棒磨至粉末狀。為探索拜耳法赤泥最佳的充填配方，設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)觀察不同膠凝材料組合對(duì)充填體pH、凝結(jié)速度和抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)方案如表1所示。試驗(yàn)時(shí)按設(shè)計(jì)方案稱取材料，于攪拌桶中充分混合后加入水充分?jǐn)嚢瑁敝莲@得均勻的充填料漿，然后澆灌至直徑5 cm、高10 cm的標(biāo)準(zhǔn)模具中，采取人工振動(dòng)的方式去除料漿中存在的空氣，待其凝固后刮模、脫模，放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定其3 d、7 d及28 d齡期抗壓強(qiáng)度。

2.2充填配方配比優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)充填配方探索試驗(yàn)得到較為理想的拜耳法赤泥基膠結(jié)充填配方后，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還需要考慮充填體的綜合性能和經(jīng)濟(jì)性，因此對(duì)充填配方進(jìn)行配比優(yōu)化很有必要。響應(yīng)面優(yōu)化法（Response Surface Methodology，RSM）是一種解決非線性優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，包括試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、模型的建立、模型適用性的檢驗(yàn)及最佳組合條件的求解等眾多統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)技術(shù)。Box-Behnken設(shè)計(jì)（Box-Behnken Design，BBD）是RSM常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一，是可以評(píng)價(jià)指標(biāo)和因素間非線性關(guān)系的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，BBD的優(yōu)點(diǎn)是不需要連續(xù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，并且在因素?cái)?shù)量相同的情況下較其他試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的試驗(yàn)組合數(shù)更少。

充填性能參數(shù)主要有充填體抗壓強(qiáng)度、料漿流動(dòng)性、坍落度、黏度、屈服應(yīng)力、充填材料成本等，相應(yīng)的影響因素為灰砂比、料漿濃度、溫度、充填材料物理性質(zhì)、粒度分布及C料（膠凝材料）單耗等。本次試驗(yàn)采用3因素3水平設(shè)計(jì)方案，研究拜耳法赤泥C料質(zhì)量比（x1）和料漿濃度（x2）對(duì)充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度（Y1）、坍落度（Y2）及C料單耗（Y3）（每噸充填料漿中C料質(zhì)量）3個(gè)響應(yīng)量的影響。由于BBD方案至少包含3個(gè)影響因素，因此添加常量（x3）作為一個(gè)影響因素，如表2所示。初步設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案共17組，除去8組中心水平和常量（x3）參與的重復(fù)性試驗(yàn)后，實(shí)際上只有9組試驗(yàn)，為便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察及分析，將其按順序重新排列，如表3所示。

3結(jié)果和分析

3.1配方探索試驗(yàn)

為探索拜耳法赤泥最佳的充填配方，設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)觀察各個(gè)變量對(duì)充填體pH、凝結(jié)速度和抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）水泥作為膠結(jié)劑時(shí)，拜耳法赤泥-水泥充填漿體凝結(jié)速度快，早期強(qiáng)度低但后期強(qiáng)度可穩(wěn)定達(dá)到1.0 MPa以上，在加入石灰后會(huì)導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度隨齡期增加而產(chǎn)生較大程度的降低。

2）S95礦渣粉與拜耳法赤泥混合漿體凝結(jié)速度慢，制成的試塊早期沒(méi)有抗壓強(qiáng)度，后期抗壓強(qiáng)度最大也只有0.2 MPa左右，但是在加入適量石灰后，不僅凝結(jié)速度顯著加快，其7 d和28 d抗壓強(qiáng)度也增加至1.0 MPa以上。

3）鋁灰作為起泡劑無(wú)法與拜耳法赤泥產(chǎn)生膠結(jié)作用，水玻璃作為外加劑對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度基本無(wú)影響。

4）拜耳法赤泥具有強(qiáng)堿性，其pH值為10.29～11.83，浸出液pH值為12.1～13.0。試驗(yàn)結(jié)果顯示：S95礦渣粉和石灰混合膠凝材料對(duì)其強(qiáng)堿性具有一定程度的抑制作用。一方面S95礦渣粉及石灰中的Ca2+可與拜耳法赤泥中的Na+進(jìn)行置換反應(yīng)產(chǎn)生可溶性堿，這部分堿溶于液相中排出;另一方面Ca2+與拜耳法赤泥漿體中游離的堿性陰離子發(fā)生沉淀反應(yīng)生成不溶性鈣鹽和化學(xué)結(jié)合堿，這一部分堿的穩(wěn)定性提高，可以穩(wěn)定吸附于晶格中，不易析出，也使得堿性得到控制。

3.2配比優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，記錄試驗(yàn)中拜耳法赤泥C料質(zhì)量比和料漿濃度對(duì)充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度、坍落度及C料單耗3個(gè)響應(yīng)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5的結(jié)果，結(jié)合響應(yīng)面自動(dòng)優(yōu)化及手動(dòng)優(yōu)化，分別對(duì)3個(gè)響應(yīng)面函數(shù)進(jìn)行擬合。

1）28 d齡期抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面函數(shù)擬合。為了檢驗(yàn)3個(gè)因素及其復(fù)合因素的顯著作用，對(duì)28 d齡期抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面回歸模型進(jìn)行方差分析，如表6、表7所示，表中p>0.05，p<0.05，p<0.001和p<0.000 1分別表示該因素影響不顯著、較顯著、高度顯著和極顯著。由表6、表7可知：模型總體p值為0.035 7<0.05，可見模型是較顯著的;常量x、復(fù)合因素xx、xx的p值分別為0.956 7，0.774 6，0.453 2均大于不顯著判斷標(biāo)準(zhǔn)0.05，由此可見常量對(duì)響應(yīng)量基本無(wú)影響。去除不顯著的常量x和包含x的復(fù)合因素后，模型值為1 265.24，p值小于0.001，模型總體高度顯著。其中，復(fù)合因素x和x的p值分別為0.061 1及0.268 6，大于顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)0.05，但是考慮到模型總體已為極顯著，此時(shí)再去除復(fù)合因素會(huì)導(dǎo)致模型精確度降低，因此復(fù)合因素x和x不必從擬合模型中去除。

根據(jù)上述分析，充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度Y1的響應(yīng)面函數(shù)為：Y=-0.822 7x+0.132 7x-0.076 5xx-0.053 3x-0.024 7x+1.16，相關(guān)系數(shù)平方為0.999 5。

2）坍落度響應(yīng)面函數(shù)擬合。為了檢驗(yàn)3個(gè)因素及其復(fù)合因素的顯著作用，對(duì)坍落度響應(yīng)面回歸模型進(jìn)行方差分析，如表8、表9所示，模型總體p值為0.353 8>0.05，模型不顯著。將p值較大的x及包含x的復(fù)合因素去除后模型f值為10.79，p值為0.039 1<0.05，模型總體較顯著。其中，復(fù)合因素xx和x的p值分別為0.297 8及0.567 1，遠(yuǎn)大于顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)0.05，而此時(shí)模型值為0.039 1，只略小于0.05。這說(shuō)明復(fù)合因素x1x2和x22的p值與判斷標(biāo)準(zhǔn)0.05如此大的差距可能會(huì)導(dǎo)致模型總體精確度不高，分別去除復(fù)合因素xx和x進(jìn)行對(duì)比，去除復(fù)合因素xx設(shè)為模型A，去除復(fù)合因素x設(shè)為模型B，結(jié)果如表10所示。在去除復(fù)合因素xx和x之后模型總體皆為較顯著。其中，模型A總體p值為0.018 4，模型B總體p值為0.010 3。顯然去除復(fù)合因素x22對(duì)提升模型精確度更為有效，但此時(shí)模型B中復(fù)合因素x1x2的值為0.245 2，大于顯著性判別標(biāo)準(zhǔn)0.05，考慮到去除過(guò)多因素會(huì)導(dǎo)致模型出現(xiàn)更大的誤差甚至錯(cuò)誤，因此保留復(fù)合因素x1x2。

根據(jù)上述分析，坍落度Y2的響應(yīng)面函數(shù)為：Y=-5.08x-4.20x+1.53xx-4.75x+24.83，相關(guān)系數(shù)平方為0.940 1。

3）C料單耗響應(yīng)面函數(shù)擬合。C料單耗響應(yīng)面回歸模型方差分析如表11所示。由表11可知：雖然模型總體f值為14 425.24，值為0.006 4，模型較顯著，但是常量因素x及其復(fù)合因素p值皆遠(yuǎn)大于0.05，不顯著，因此將常量因素及包含常量因素的復(fù)合因素去除后重新擬合。在去除常量因素x3及其復(fù)合因素后，模型顯著性由較顯著變?yōu)闃O顯著，此時(shí)復(fù)合因素x的p值為0.864 9，遠(yuǎn)大于顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)0.05，將其去除后模型顯著性仍為極顯著，但考慮到去除全部不顯著項(xiàng)將導(dǎo)致結(jié)果失擬程度大大增加，因此保留復(fù)合因素x以增加數(shù)學(xué)模型的擬合精確度。

根據(jù)上述分析，C料單耗Y3的響應(yīng)面函數(shù)為：Y=-15.58x+2.32x-0.525 0xx+3.48x-0.016 7x+24.83，相關(guān)系數(shù)平方為1.000 0。

不同響應(yīng)量單因素影響分析如圖2所示。在28 d齡期抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面回歸模型中（如圖2-a）所示），拜耳法赤泥C料質(zhì)量比及料漿濃度之間交互作用顯著，且拜耳法赤泥C料質(zhì)量比和料漿濃度對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響皆為極顯著;隨著拜耳法赤泥C料質(zhì)量比的增大，充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度逐漸降低，近似呈線性關(guān)系;隨著料漿濃度的提升，充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度緩慢增加。在坍落度響應(yīng)面回歸模型中（如圖2-b）所示），拜耳法赤泥C料質(zhì)量比和料漿濃度對(duì)坍落度的影響均為顯著，因素之間交互作用不顯著;隨著拜耳法赤泥C料質(zhì)量比的增加，坍落度呈先緩慢增加后迅速減小的趨勢(shì);在拜耳法赤泥C料質(zhì)量比為7時(shí)坍落度達(dá)到最大值，為26.0 cm，而隨著料漿濃度的增加，坍落度呈線性降低的趨勢(shì)。

拜耳法赤泥C料質(zhì)量比、料漿濃度對(duì)坍落度和C料單耗的交互作用如圖3所示。在C料單耗響應(yīng)面回歸模型中，拜耳法赤泥C料質(zhì)量比和料漿濃度對(duì)其影響均為極顯著，且二者之間存在顯著的交互作用;隨著拜耳法赤泥C料質(zhì)量比和料漿濃度的增加，C料單耗近似呈線性增加的趨勢(shì)，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

3.3充填配比優(yōu)化

充填配比優(yōu)化應(yīng)遵循充填體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求、料漿流動(dòng)性與輸送工藝相匹配和減少C料用量降低充填成本3個(gè)原則。目標(biāo)礦山充填體滿意強(qiáng)度按照文獻(xiàn)[21]提出的方法進(jìn)行計(jì)算：

式中：σ為充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度（MPa）;為充填體密度（g/cm）;為充填體自立高度（m）;為充填體埋深（m）;l為充填體長(zhǎng)度（m）;為充填體滑動(dòng)面傾角（°）;為安全系數(shù);a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);為匹配系數(shù);為覆巖容重（kN/m）;為圍巖的彈性模量（MPa）。

將研究對(duì)象礦山相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況可得充填體抗壓強(qiáng)度目標(biāo)值為1.24 MPa，考慮容差將充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度目標(biāo)值設(shè)置為1.50 MPa，其次為遵循料漿濃度與輸送工藝相匹配和降低C料單耗以減少充填成本的原則，將坍落度設(shè)置為最大，C料單耗設(shè)置為最小，料漿濃度及拜耳法赤泥C料質(zhì)量比分別設(shè)置為58 %～62 %和6～10，如表12所示。

拜耳法赤泥C料質(zhì)量比單因素及拜耳法赤泥C料質(zhì)量比和料漿濃度復(fù)合因素對(duì)滿意度的影響如圖4所示。由圖4可知：拜耳法赤泥C料質(zhì)量比為6～7時(shí)滿意度呈線性增加的趨勢(shì)，大于7之后滿意度呈拋物線形逐漸降低，大于9.5后對(duì)滿意度基本沒(méi)有影響，常量對(duì)整體滿意度無(wú)影響。整體滿意度如圖5所示。由圖5可知：在拜耳法赤泥C料質(zhì)量比為6.88、料漿濃度為58.69 %時(shí)滿意度值達(dá)到最大，為0.729，此時(shí)預(yù)測(cè)的充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度為1.56 MPa，坍落度為29.5 cm，C料單耗為74.716 kg/t，符合礦山實(shí)際生產(chǎn)要求。

3.4拜耳法赤泥充填可行性分析

1）環(huán)保效益分析。拜耳法赤泥是工業(yè)提純氧化鋁過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢物。長(zhǎng)期以來(lái)，工廠通常采用將其送往堆場(chǎng)堆積或選址堆壩等方法來(lái)處理拜耳法赤泥。但是，由于拜耳法赤泥結(jié)合著大量難以去除的化學(xué)堿，因此僅僅通過(guò)堆積、筑壩等簡(jiǎn)單的方式來(lái)處理拜耳法赤泥，不僅會(huì)占用大量寶貴的土地資源，而且很容易造成土地鹽堿化和地下水的污染。而隨著全球市場(chǎng)對(duì)鋁的需求量逐年攀升，拜耳法赤泥的堆存量勢(shì)必將越來(lái)越大，其對(duì)環(huán)境造成的污染也將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。基于上述原因，我們應(yīng)當(dāng)“變廢為寶”——將拜耳法赤泥進(jìn)行資源化利用。

本文將拜耳法赤泥在充填采礦中的應(yīng)用作為赤泥資源化利用的研究方向。針對(duì)拜耳法赤泥用于礦山膠結(jié)充填過(guò)程中的環(huán)保問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)已進(jìn)行了充填料漿泌水試驗(yàn)、充填體浸泡試驗(yàn)及重金屬離子TCLP毒性浸出試驗(yàn)，以GB/T 14848—2017 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》并結(jié)合相關(guān)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，充填料漿泌水試驗(yàn)及充填體浸泡試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示，除氨氮（NH3-N）、亞硝酸鹽、鈉離子含量較高屬于Ⅳ類地下水外，其余有毒有害物質(zhì)含量均屬于Ⅰ、Ⅱ類地下水，對(duì)其進(jìn)行模糊綜和評(píng)價(jià)得出其整體屬于Ⅲ類地下水，即充填料漿泌水及充填體浸泡水不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成較大不良影響;TCLP毒性浸出試驗(yàn)結(jié)果也表明重金屬離子濃度滿足Ⅲ類地下水標(biāo)準(zhǔn)。

拜耳法赤泥本身具有強(qiáng)堿性，其pH值為10.29～11.83，浸出液pH值為12.1～13.0。因此，進(jìn)行了將酸性固體廢物（如磷石膏）與拜耳法赤泥混合作充填骨料的相關(guān)試驗(yàn)，雖然堿性得到了有效抑制，但是充填體力學(xué)性能較差。后續(xù)采取了“石灰脫堿法”的思路進(jìn)行試驗(yàn)，一方面利用S95礦渣粉及石灰中的Ca與拜耳法赤泥中的Na進(jìn)行置換反應(yīng)產(chǎn)生可溶性堿，這部分堿溶于液相中排出;另一方面Ca與拜耳法赤泥漿體中游離的堿性陰離子發(fā)生沉淀反應(yīng)生成不溶性鈣鹽和化學(xué)結(jié)合堿，這一部分堿的穩(wěn)定性提高，可以穩(wěn)定吸附于晶格中，不易析出，也使堿性得到了控制。文中已補(bǔ)充充填料漿即時(shí)pH數(shù)據(jù)，約為11，可以發(fā)現(xiàn)S95礦渣粉及石灰混合膠凝材料對(duì)拜耳法赤泥的強(qiáng)堿性具有一定程度的抑制作用，后續(xù)充填料漿泌水、充填體浸泡試驗(yàn)及相關(guān)溶質(zhì)擴(kuò)散預(yù)測(cè)分析證實(shí)了這部分可溶性堿對(duì)礦山地下水環(huán)境不會(huì)造成較大不良影響，同時(shí)也為礦山設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的處理措施，保證其環(huán)境友好性。

2）經(jīng)濟(jì)效益分析。S95礦渣粉目前市場(chǎng)價(jià)格為380～450元/t，強(qiáng)度等級(jí)42.5水泥的市場(chǎng)價(jià)格為500元/t左右，且后續(xù)將繼續(xù)試驗(yàn)開發(fā)價(jià)格更為低廉的普通礦渣代替S95礦渣粉作為膠凝材料主材料。按S95礦渣粉380元/t和強(qiáng)度等級(jí)42.5水泥500元/t計(jì)算，根據(jù)表12計(jì)算結(jié)果得出1 t充填料漿使用S95礦渣粉及石灰混合膠凝材料較強(qiáng)度等級(jí)42.5水泥成本降低約6.49元，顯然S95礦渣粉及石灰混合膠凝材料經(jīng)濟(jì)效益更佳。

4結(jié)論

1）拜耳法赤泥粒度較細(xì)，比表面積較大且滲透系數(shù)低，不利于拜耳法赤泥基膠結(jié)充填體的強(qiáng)度發(fā)展，所含礦物成分均為不具備潛在水化特性的物質(zhì)，不是一種理想的充填骨料;以充填體抗壓強(qiáng)度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)配方探索試驗(yàn)確定S95礦渣粉和石灰混合材料是合適的膠凝材料。

2）引入常量因素，以充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度、坍落度及C料單耗為響應(yīng)量，運(yùn)用BBD設(shè)置3因素3水平試驗(yàn)，分析了料漿濃度和拜耳法赤泥C料質(zhì)量比與3個(gè)響應(yīng)量之間的相關(guān)關(guān)系和最優(yōu)配比，結(jié)果表明：在拜耳法赤泥C料質(zhì)量比為6.88、料漿濃度為58.69 %時(shí)滿意度值達(dá)到最大，為0.729，此時(shí)預(yù)測(cè)的充填體28 d齡期抗壓強(qiáng)度1.56 MPa，坍落度29.5 cm，C料單耗74.716 kg/t，符合礦山實(shí)際生產(chǎn)要求。

3）拜爾法赤泥可以應(yīng)用于礦山膠結(jié)充填，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。充填料漿泌水及充填體浸泡水不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成較大不良影響;利用S95礦渣粉及石灰混合膠凝材料能夠在一定程度上抑制拜耳法赤泥的強(qiáng)堿性，且對(duì)其中的重金屬離子固化作用更好。此外，S95礦渣粉及石灰混合膠凝材料作膠凝材料的充填成本更低。

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作者簡(jiǎn)介：李帥（1989—），男，河南鄧州人，副教授，博士，研究方向?yàn)槌涮畈傻V工藝技術(shù);長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，410083;E-mail：15200826420@163.com

通信作者，E-mail：1713102136@qq.com，19898804638

李帥，于正，馮如，潘紀(jì)龍（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院）

Proportioning optimization of cemented filling of Bayer red mud based on RSM-BBDLi Shuai，Yu Zheng，F(xiàn)eng Ru，Pan Jilong

（School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：Bayer red mud is difficult to utilize in large scale，in light of which a cemented filling aggregate made of Bayer red mud is developed.Based on the proportioning exploration test results，BBD method is used to design 9 groups of tests，and the response surface method is used to explore the relation between slurry concentration，mass ratio of Bayer red mud and C material，and the 3 response values of filling body compressive strength，slump and single consumption of C material，as well as the optimal proportion.The results show that the degree of satisfaction is 0.729，reaching the highest level，when the mass ratio of Bayer red mud and C material is 6.88 and the slurry concentration is 58.69 %.At the time，the compressive strength of filling body after 28 d is 1.56 MPa，the slump is 29.5 cm，the single consumption of C material is 74.716 kg/t，meeting the actual requirement in mine production.The application of Bayer red mud to filling in goafs of mines not only eliminates the safety risks in goafs and ensures the actual requirement in mine production，but also realizes scaled-up utilization of Bayer red mud and protects surface environment.

Keywords：Bayer red mud;BBD test design;cemented filling;formula exploration;response surface optimization;proportioning optimization