基于正交試驗(yàn)的堿激發(fā)礦渣充填材料配比優(yōu)化

任 磊 鄭靜茹 谷孝忠 韓 靜 姜海強(qiáng)

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819;2.金川集團(tuán)股份有限公司龍首礦,甘肅 金昌 737100)

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用在提供經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量的尾砂固廢和地下空區(qū)。目前,尾砂膠結(jié)充填,作為規(guī)模化處理尾砂和空區(qū)的最佳方法,在國內(nèi)外金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。尾砂膠結(jié)充填通常采用水泥作為膠凝材料,但是硅酸鹽水泥不僅價(jià)格高/充填體強(qiáng)度低,而且抗侵蝕能力差,已無法滿足深井充填采礦的要求。近些年,堿激發(fā)礦渣膠凝材料因其強(qiáng)度高[6]、流動(dòng)性好[7]、抗侵蝕[8]、低水化熱[9]等優(yōu)異性能,在國內(nèi)金屬礦充填領(lǐng)域得到了 快速推廣應(yīng)用。

堿激發(fā)礦渣膠凝材料主要包括礦渣和激發(fā)劑2個(gè)部分。考慮到使用的便利性和安全性,目前國內(nèi)礦 山使用的激發(fā)劑一般由硫酸鹽、堿金屬鹽、硅酸鹽等 若干種組成。然而,大量的研究表明,硅酸鈉是最為 有效的礦渣活性激發(fā)劑。隨著濃密和輸送技術(shù)的不 斷發(fā)展,充填料漿的濃度逐漸提升,這為硅酸鈉激發(fā)劑的應(yīng)用提供了良好的外部條件。

近些年國內(nèi)外不少學(xué)者重新將目光轉(zhuǎn)向硅酸鈉激發(fā)礦渣充填膠結(jié)料。例如Cihangir等[10]研究了分別采用硅酸鈉激發(fā)礦渣和水泥來固化全尾和脫泥尾砂2種充填體,結(jié)果表明,采用硅酸鈉激發(fā)礦渣制備的充填體強(qiáng)度是水泥充填體的1.5～3.5倍。此外,Cihangir

等[11]還研究了不同礦渣類型及含量對(duì)含硫尾砂的固結(jié)效果,發(fā)現(xiàn)堿性礦渣具有更好的強(qiáng)度和長期穩(wěn)定性,更適用于膠結(jié)富硫尾砂。Jiang等[12]研究了質(zhì)量濃度、膠結(jié)料種類和含量、激發(fā)劑類型和濃度及養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)堿激發(fā)礦渣充填材料流動(dòng)性和力學(xué)性能的影響規(guī)律,并從微觀結(jié)構(gòu)揭示了影響機(jī)理。以上研究成果為堿激發(fā)礦渣充填材料配比優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。然而,堿激發(fā)礦渣充填材料組分配比設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多變量優(yōu)化系統(tǒng),而上述研究均采用試錯(cuò)法(單因素分析法)來獲得給定齡期和配比下充填材料性能。這樣不僅工作量巨大,還忽略了組分間的交互影響,無法得到最佳配比參數(shù)。

鑒于此,本研究以硅酸鈉模數(shù)、激發(fā)劑濃度以及礦渣細(xì)度為變量,分別以充填體強(qiáng)度和成本作為優(yōu)化目標(biāo),采用正交試驗(yàn)分析了各因素對(duì)目標(biāo)值敏感性以及影響趨勢(shì),得到了堿激發(fā)礦渣充填材料最佳組分配比。

1 試驗(yàn)程序

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 尾 砂

為了消除天然尾砂中活性成分對(duì)結(jié)果的影響,本實(shí)驗(yàn)使用人工尾砂來作為試驗(yàn)用尾砂。其主要礦物成分為惰性的SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8%)。采用Mastersizer2000激光粒度儀測(cè)定其粒度,粒度分布如圖1和表1所示,其中,-20μm細(xì)顆粒占39%,均勻系數(shù)Cu為16.8,曲率系數(shù)Cc為1.4。

圖1 人工尾砂、水泥和礦渣粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of artificial tailings,cement and slag

表1 人工尾砂、礦渣和水泥的主要物理性質(zhì)Table 1 Main physical properties of artificial tailings,slag and cement

1.1.2 膠結(jié)料

(1)礦渣。試驗(yàn)用礦渣為同一廠家生產(chǎn)的不同細(xì)度礦渣,分別為礦渣-500、礦渣-650、礦渣-800和礦渣-1 000,比表面積分別為500 m2/kg、650 m2/kg、800 m2/kg和1 000 m2/kg,其粒度分布如圖1和表1所示。礦渣-500主要化學(xué)成分包括:CaO(57.7%),SiO2(24.36%),Al2O3(8.06%),MgO(4.79%)和SO3(2.61%),同時(shí)還包括一些微量化學(xué)成分(見表2)。XRD圖譜顯示礦渣主要礦物相為富鈣硅玻璃體(見圖2),堿度系數(shù)1.93,屬于堿性礦渣;活性系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)分別為2.37和2.9,礦渣活性良好。

圖2 礦渣XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of slag

表2 人工尾砂、礦渣和水泥的主要化學(xué)性質(zhì)Table 2 Main chemical properties of artificial tailings,slag and cement

(2)激發(fā)劑。試驗(yàn)將氫氧化鈉和硅酸鈉(液態(tài))按一定比例混合來制備不同模數(shù)的硅酸鈉。氫氧化鈉為白色顆粒,純度大于 99%。硅酸鈉含 SiO2(29.3%)、Na2O(12.7%)和水(58%),其模數(shù)為2.31,密度1 490 kg/m3,pH值為12.5。

(3)水泥。本試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥(42.5R)作為對(duì)照組,其粒度分布如圖1和表1所示,其比表面積為580 m2/kg,不均勻系數(shù)為3.29,曲率系數(shù)1.25。其化學(xué)成分主要為 CaO(62.34%),Fe2O3(5.06%),SiO2(21.43%),Al2O3(4.25%)及一些微量化學(xué)成分(見表2)。

1.1.3 拌和水

試驗(yàn)采用自來水作為拌和水,其pH值為7.35,電導(dǎo)率1.93μs/cm。

1.2 試樣制備、養(yǎng)護(hù)與測(cè)試

試樣制備前,先將稱量好的氫氧化鈉顆粒加入自來水中,用玻璃棒進(jìn)行攪拌直到溶液中氫氧化鈉顆粒完全溶解,然后將水玻璃加入氫氧化鈉溶液中充分溶解即可?？紤]到氫氧化鈉溶解會(huì)產(chǎn)生熱量且容易與空氣中的二氧化碳反應(yīng),因此在制樣前24 h將激發(fā)劑制備好后密封冷卻。試樣制備時(shí),先將固體物料手動(dòng)攪拌均勻,然后加入水(或激發(fā)劑),機(jī)械攪拌7 min,得到均質(zhì)的充填料漿。試驗(yàn)組充填料漿質(zhì)量濃度保持為75%不變,礦渣含量均為5%。制備好的料漿裝入直徑5 cm、高10 cm的圓柱形模具中,用防水膠帶進(jìn)行密封后放置于養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行恒溫(20±1℃)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)至3、28 d齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用美國Humboldt HM-5030試驗(yàn)機(jī),其壓力傳感器精度為0.01 N,最大加載能力為50 kN,加載方式為1 mm/min。測(cè)試程序參照ASTM C 39/C 39M—2001標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用硅酸鈉模數(shù)(A)、礦渣細(xì)度(B)和激發(fā)劑濃度(C)這三者作為影響因素,將堿激發(fā)充填體3 d和28 d單軸抗壓強(qiáng)度作為目標(biāo)值,進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。每個(gè)因素設(shè)置4個(gè)水平值,并采用L16(45)正交表,列出每組試驗(yàn)條件并將各因素水平填入正交表中,如表3所示,D、E為空白列。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental design and strength result

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 充填體強(qiáng)度極差分析

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),分別對(duì)充填體試件的3、28 d強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表3所示。對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行極差分析,各試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值均值和極差如表4所示。

表4 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值影響因素極差分析Table 14 Analysis of the range of factors for test target value

(1)3 d強(qiáng)度。各因素對(duì)充填體3 d齡期抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律如圖3所示,由圖3可知,硅酸鈉模數(shù)從0.26增大至0.34,充填體3 d平均強(qiáng)度持續(xù)增高,在硅酸鈉模數(shù)為0.34處強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,最高強(qiáng)度為1.37MPa,當(dāng)硅酸鈉模數(shù)繼續(xù)增大至0.38時(shí),強(qiáng)度降低。顯然,本試驗(yàn)中礦渣細(xì)度對(duì)充填體強(qiáng)度有顯著影響。細(xì)度在500～800 m2/kg范圍內(nèi),充填體強(qiáng)度與礦渣細(xì)度正相關(guān),然而當(dāng)細(xì)度增高至1 000 m2/kg時(shí)充填體平均強(qiáng)度有所降低,說明礦渣細(xì)度對(duì)堿激發(fā)充填體強(qiáng)度的增強(qiáng)作用存在一個(gè)閾值,細(xì)度過大反而會(huì)對(duì)礦渣水化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用,金駿[13]在研究砂漿強(qiáng)度影響因素時(shí)也得出了類似結(jié)論。這主要是因?yàn)樵谒磻?yīng)早期,礦渣細(xì)度越大,水化反應(yīng)的接觸面積就越大,從而加快了水化反應(yīng)速率,導(dǎo)致水化產(chǎn)物包裹礦渣顆粒,阻礙了激發(fā)劑與礦渣進(jìn)一步反應(yīng)[14]。保持礦渣含量恒定的情況下,增加激發(fā)劑含量,充填體早期強(qiáng)度出現(xiàn)先增高后線性降低的趨勢(shì),在激發(fā)劑濃度為0.3時(shí),強(qiáng)度最高,由于成本因素,故在滿足強(qiáng)度要求情況下,激發(fā)劑含量應(yīng)選擇小于礦渣含量的0.3倍。通過極差計(jì)算可得充填體強(qiáng)度極差排列順序如下:RB＞RA＞RC,水化早期,礦渣細(xì)度對(duì)堿激發(fā)充填體強(qiáng)度影響最大,硅酸鈉模數(shù)影響次之,激發(fā)劑濃度影響最小。充填體3 d強(qiáng)度最優(yōu)組合為A3B3C2,即硅酸鈉模數(shù)0.34、礦渣細(xì)度800 m2/kg、激發(fā)劑濃度0.3。

圖3 3 d強(qiáng)度隨影響因素水平變化趨勢(shì)Fig.3 Variation of average strength of specimens with the level of factors at 3 day

(2)28 d強(qiáng)度。充填體28 d平均強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖4所示,硅酸鈉模數(shù)增大過程中,充填體強(qiáng)度持續(xù)增高,硅酸鈉模數(shù)從0.26增加至0.34時(shí),強(qiáng)度增高60%,硅酸鈉模數(shù)大于0.34時(shí),充填體強(qiáng)度增長速率減小。礦渣細(xì)度和激發(fā)劑濃度對(duì)28 d齡期充填體強(qiáng)度變化趨勢(shì)的影響與3 d強(qiáng)度一致,不同的是礦渣細(xì)度對(duì)28 d強(qiáng)度影響波動(dòng)變小,如圖3和圖4所示,當(dāng)?shù)V渣細(xì)度由500 m2/kg增加至800 m3/kg時(shí),3 d強(qiáng)度提高了61.2%,但28 d強(qiáng)度只提高了11.8%。28 d齡期的充填體強(qiáng)度極差排列順序?yàn)?RA＞RC＞RB,RA遠(yuǎn)大于RC和RB,可見在后期,硅酸鈉模數(shù)對(duì)充填體強(qiáng)度影響最大,激發(fā)劑濃度次之,礦渣細(xì)度影響最小。綜合考慮以上因素水平影響規(guī)律,充填體28 d強(qiáng)度最優(yōu)組合為A4B3C2,即硅酸鈉模數(shù)0.38、礦渣細(xì)度800 m2/kg、激發(fā)劑濃度0.3。

圖4 28 d強(qiáng)度隨影響因素水平變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of average strength of specimens with the level of factors at 28 day

2.2 充填體強(qiáng)度方差分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析可以判斷出各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性,并找出最佳試驗(yàn)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的因素水平。正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果見表5,顯著性水平(α)取 0.05。

表5 各試驗(yàn)指標(biāo)方差分析Table 5 Variance analysis of each experimental index

由表5可以得出,礦渣細(xì)度對(duì)充填體試件3 d強(qiáng)度有顯著性影響,硅酸鈉模數(shù)對(duì)28 d充填體試件強(qiáng)度影響性顯著,其他因素在相應(yīng)時(shí)間影響不顯著。

2.3 充填材料成本分析

2.3.1 膠結(jié)料成本計(jì)算

膠結(jié)劑成本也是影響堿激發(fā)礦渣膠凝材料配比設(shè)計(jì)的重要因素。充填原材料單價(jià)分別為:4種細(xì)度礦渣成本分別為210、230、270和340元/t,氫氧化鈉4 300元/t,硅酸鈉1 100元/t,水泥450元/t。膠結(jié)料綜合單價(jià)計(jì)算由各原材料單價(jià)與相應(yīng)含量乘積,所得堿激發(fā)礦渣膠凝材料綜合計(jì)算單價(jià)見表6。測(cè)試得到堿激發(fā)礦渣充填料漿密度為1.82 t/m3,水泥充填料漿密度為1.97 t/m3。計(jì)算每立方米充填料漿成本:

表6 充填膠結(jié)料成本計(jì)算結(jié)果Table 6 Unit price of the binder agent

式中,ρ為料漿密度;c為料漿質(zhì)量濃度;b為膠結(jié)料計(jì)算份數(shù),如灰砂比1∶4,計(jì)算份數(shù)為5;n為料漿膠結(jié)料綜合單價(jià);k為料漿沉縮率,取2.9%。

試驗(yàn)設(shè)置水泥對(duì)照組與堿激發(fā)礦渣充填材料強(qiáng)度和成本做對(duì)比,參考現(xiàn)場(chǎng)充填配比參數(shù)及正交試驗(yàn)組強(qiáng)度,對(duì)照組灰砂比為 1∶5,料漿質(zhì)量濃度為72.5%,充填材料膠結(jié)料成本計(jì)算結(jié)果如表6所示。

2.3.2 膠結(jié)料成本極差分析

堿激發(fā)礦渣膠結(jié)料成本受各因素水平影響變化趨勢(shì)如圖5所示,由于氫氧化鈉價(jià)格遠(yuǎn)高于硅酸鈉,硅酸鈉模數(shù)增大時(shí),氫氧化鈉用量減小,故充填膠結(jié)料成本減小,硅酸鈉模數(shù)從0.26增高至0.38時(shí),膠結(jié)料成本降低6%;礦渣細(xì)度越大,充填成本越高,同時(shí)細(xì)度在增大過程中成本增長率也在增高;本試驗(yàn)中,保持礦渣含量不變,因此只增加激發(fā)劑含量勢(shì)必增加膠結(jié)料成本,其中激發(fā)劑濃度從0.25增加至0.4,成本增高44%。通過極差(表7)比較得到:RC＞RB＞RA,故激發(fā)劑濃度對(duì)膠結(jié)料成本影響最大,礦渣細(xì)度次之,硅酸鈉模數(shù)影響最小。因此在滿足強(qiáng)度要求的情況下,膠結(jié)料成本最優(yōu)方案為A4B1C1,即硅酸鈉模數(shù)0.38、礦渣細(xì)度500 m2/kg、激發(fā)劑濃度0.25。

表7 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值影響因素極差分析Table 7 Analysis of the range of factors for test target value

圖5 充填膠結(jié)料成本指標(biāo)影響因素水平變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of average cost of specimens with the level of factors

2.3.3 膠結(jié)料成本方差分析

膠結(jié)料成本方差計(jì)算如表8所示,顯著性水平(α)取0.05,激發(fā)劑濃度對(duì)堿激發(fā)礦渣膠結(jié)料成本影響性顯著,其他因素對(duì)成本影響不顯著。

表8 膠結(jié)料成本方差分析Table 8 Variance analysis of binder cost

2.4 配比優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)比較

對(duì)所有試驗(yàn)組試件強(qiáng)度與成本關(guān)系進(jìn)行了比較(如圖6)可知,堿激發(fā)礦渣充填材料成本普遍低于水泥充填材料。在3 d齡期,試驗(yàn)組L11和L12強(qiáng)度高于水泥組,而成本比水泥組分別低48%和21%;在28 d齡期,試驗(yàn)組L11、L12強(qiáng)度仍高于水泥。

圖6 充填材料強(qiáng)度與成本對(duì)比Fig.6 Comparison of strength and cost comparison of CPB

對(duì)照3d和28 d充填體強(qiáng)度—成本關(guān)系,在堿激發(fā)礦渣組中選取強(qiáng)度最高、成本最低的試驗(yàn)組L11作為經(jīng)濟(jì)性分析樣本,與水泥膠凝材料經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)對(duì)比見表9,表中尾砂用量計(jì)算式:

表9 膠凝材料經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)對(duì)比Table 9 Comparison of economic performance indexes of cementitious materials

式中,ρ為料漿密度,t/m3;c為料漿質(zhì)量濃度,%;m為尾砂含量,%;k為料漿沉縮率,%,取2.9%。

由表9可知,2種膠凝材料充填料漿擴(kuò)展度分別為37.3和37 mm,滿足一般礦山管道輸送要求.堿激發(fā)礦渣充填材料3、28 d齡期強(qiáng)度分別比水泥基充填材料提高了3%和33.7%;使用水泥充填材料成本為110.32元/m3,而使用堿激發(fā)礦渣充填材料成本為64.55元/m3,同時(shí),堿激發(fā)礦渣充填材料可多利用6.2%的尾砂。按照一般礦山年充填量50萬m3計(jì)算,每年充填膠結(jié)成本可節(jié)省2 288.5萬元,并多消耗利用細(xì)尾砂3.8萬t,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

3 結(jié) 論

(1)硅酸鈉模數(shù)、礦渣細(xì)度和激發(fā)劑濃度均為堿激發(fā)礦渣充填體試件早期強(qiáng)度影響因素,其三者對(duì)試件早期強(qiáng)度影響敏感性程度為:礦渣細(xì)度＞硅酸鈉模數(shù)＞激發(fā)劑濃度,充填體早期強(qiáng)度最優(yōu)配比方案為:硅酸鈉模數(shù)0.34、礦渣細(xì)度800 m2/kg、激發(fā)劑濃度0.3。

(2)試件28 d強(qiáng)度影響敏感性程度為:硅酸鈉模數(shù)＞激發(fā)劑濃度＞礦渣細(xì)度,隨著試件養(yǎng)護(hù)齡期增加,礦渣細(xì)度對(duì)充填試件28 d強(qiáng)度影響敏感度減小,充填體28 d強(qiáng)度最優(yōu)配比方案為:硅酸鈉模數(shù)0.38、礦渣細(xì)度800 m2/kg、激發(fā)劑濃度0.3。

(3)按照充填工藝,推算出堿激發(fā)礦渣材料成本計(jì)算公式,受材料成本影響,堿激發(fā)礦渣成本隨硅酸鈉模數(shù)值增大而減小,隨礦渣細(xì)度增大而增大,隨激發(fā)劑濃度增大而增大,且激發(fā)劑濃度對(duì)成本影響最大。通過充填體試件強(qiáng)度成本綜合比較,試驗(yàn)組最優(yōu)配比方案為:硅酸鈉模數(shù)0.34、礦渣細(xì)度800 m2/kg、激發(fā)劑濃度0.25。

(4)堿激發(fā)礦渣用礦渣作充填膠結(jié)料,充填體強(qiáng)度提高的同時(shí),大大減小了膠結(jié)料含量,提高了尾砂利用率,降低了成本,能有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境,又提高了礦山企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。