鋼渣基尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度與流變特性研究

崔春亮

(中交路橋華南工程有限公司,廣東 中山 528403)

充填采礦法主要將礦山固廢材料(如尾砂,廢石等)與膠結(jié)材料進(jìn)行混合制備成流動(dòng)性能好及固化強(qiáng)度高的漿體經(jīng)過(guò)管道充入采空區(qū),從而達(dá)到回采井下礦體的目的[1-3]。充填采礦法能夠有效處理礦山堆存的固體廢棄物,具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全等諸多方面的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)逐漸成為礦山企業(yè)首選的采礦方法[4-5]。然而,目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦山企業(yè)仍然采用水泥作為膠結(jié)材料,這不僅導(dǎo)致了充填采礦成本增加,還限制了充填采礦在中小型礦山企業(yè)的推廣應(yīng)用。因此,為降低采礦成本,開(kāi)發(fā)應(yīng)用替代水泥的新型膠凝材料已經(jīng)成為充填采礦的熱點(diǎn)研究方向[6-7]。李勝輝等[8]開(kāi)展了礦渣基膠凝材料開(kāi)發(fā)和充填體強(qiáng)度與流變特性研究,揭示了礦渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度和料漿流變特性的變化規(guī)律,為新型膠凝材料在中關(guān)鐵礦應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。王永定等[9]開(kāi)展了粉煤灰—礦渣基固結(jié)粉膠凝材料開(kāi)發(fā)與配比優(yōu)化研究,得出固結(jié)粉膠凝材料成本比普通硅酸水泥材料降低了67.8%～70.2%,能夠顯著降低充填采礦成本。李宏業(yè)等[10]開(kāi)展了磷石膏—礦渣復(fù)合膠凝材料配比優(yōu)化試驗(yàn)研究,認(rèn)為磷石膏—礦渣復(fù)合膠凝材料早期強(qiáng)度較低,后期強(qiáng)度較高,與礦山專用的38.5 非標(biāo)水泥成本相比,膠凝材料成本降低了44%。溫震江等[11]進(jìn)行了基于熵權(quán)多屬性決策的充填膠凝材料開(kāi)發(fā)及料漿配比優(yōu)化研究,指出采用新型膠凝材料的充填體強(qiáng)度不僅能夠滿足礦山充填采礦需求,并且采礦成本降低了29.8%。黃篤學(xué)等[12]開(kāi)展了礦渣基充填膠凝材料開(kāi)發(fā)及料漿配比優(yōu)化研究,認(rèn)為礦渣基膠凝材料制備的充填體強(qiáng)度不僅能夠滿足充填采礦需求,而且有助于降低充填采礦成本。董越等[13]通過(guò)正交試驗(yàn)協(xié)同BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)充填體強(qiáng)度,驗(yàn)證了該方法的有效性。本研究在上述成果的基礎(chǔ)上,以國(guó)內(nèi)某礦山為例,利用鋼渣、礦渣、生石灰等為材料,開(kāi)展綠色膠凝材料的尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度及流變性能研究,在充填體強(qiáng)度滿足礦山需求的前提下,對(duì)充填體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的充填骨料為全尾砂,其化學(xué)成分見(jiàn)表1,粒徑分布特征參數(shù)見(jiàn)表2。鋼渣取自于某冶煉廠,其粒徑分布特征參數(shù)見(jiàn)表3。其他膠凝材料如生石灰和礦渣均取自于某建材公司,對(duì)其進(jìn)行測(cè)試得到礦渣和生石灰的細(xì)度分別為3.4%和34.1%。由表1和表2 可知:尾砂化學(xué)成分中沒(méi)有對(duì)充填體強(qiáng)度不利的化學(xué)元素,并且尾砂的曲率和不均勻系數(shù)均在合理參數(shù)范圍內(nèi),說(shuō)明尾砂適合作為充填骨料制備充填體。通過(guò)表3 可知:鋼渣的細(xì)度(+45 μm)含量較多,說(shuō)明鋼渣較粗,適合與尾砂搭配使用。

表1 尾砂化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果Table 1 Chemical composition test results of tailings%

表2 尾砂顆粒粒徑分布特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of particle size distribution of tailings

表3 其他材料顆粒粒徑分布特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of particle size distribution of other materials

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦山前期現(xiàn)場(chǎng)探索試驗(yàn),設(shè)計(jì)鋼渣摻量為20%～40%、礦渣摻量為12%～16%,并通過(guò)鋼渣和礦渣的摻量確定生石灰摻量,由此開(kāi)展二因素三水平的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。此外,為更好地激發(fā)出材料的膠凝效果,添加99%分析純級(jí)顆粒NaOH 作為激發(fā)劑,激發(fā)劑摻量為膠凝材料總質(zhì)量的1%。最后,結(jié)合正交試驗(yàn)確定出相應(yīng)的最佳配比參數(shù)后,采用水泥作為膠凝材料進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)一步說(shuō)明綠色膠凝材料的可替代性。

表4 正交試驗(yàn)方案Table 4 Orthogonal test schemes%

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼渣基充填體強(qiáng)度演化特征

結(jié)合表4 的正交試驗(yàn)方案開(kāi)展不同因素水平下的充填體單軸壓縮試驗(yàn),得到其強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5,極差分析結(jié)果見(jiàn)表6。此外,在不同的養(yǎng)護(hù)齡期下,單因素對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響如圖1 和圖2所示。由表6 可知:養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 時(shí),對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度影響程度最高的是礦渣含量,其次是鋼渣含量;養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí),對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度影響程度最高的是鋼渣含量,其次是礦渣含量,可以看出各因素對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的影響程度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)短也具有一定的關(guān)系。通過(guò)圖1 可以看出:在不同養(yǎng)護(hù)齡期下,鋼渣基膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣含量增大總體上表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),在鋼渣含量為30%時(shí),充填體的抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到最大值。此外,養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí),鋼渣含量增大其抗壓強(qiáng)度的增幅更為明顯,說(shuō)明鋼渣含量的增加更有利于改善鋼渣基充填體的后期抗壓強(qiáng)度。由圖2 可知:在不同的養(yǎng)護(hù)齡期下,鋼渣基充填體與礦渣含量之間表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即鋼渣基膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度隨著礦渣含量增大總體上呈逐漸減小趨勢(shì),礦渣含量為12%時(shí),充填體的抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到最大值。因此結(jié)合正交試驗(yàn)結(jié)果可知,在鋼渣摻量為30%、礦渣含量為12%條件下,充填體的7 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度分別為1.59 MPa 及3.41 MPa,符號(hào)礦山充填開(kāi)采的技術(shù)要求。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)齡期下鋼渣含量對(duì)鋼渣基充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of steel slag content on uniaxial compressive strength of steel slag base backfill at different curing ages

表5 鋼渣基膠結(jié)充填體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 5 Strength test results of steel slag-based cemented backfill

表6 極差分析結(jié)果Table 6 Range analysis results

3.2 水泥基與鋼渣基充填體強(qiáng)度對(duì)比

結(jié)合正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)確定了相應(yīng)的鋼渣基充填體配比參數(shù),為了進(jìn)一步分析鋼渣基充填體性能,設(shè)計(jì)開(kāi)展了鋼渣基充填體與水泥基充填體的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)方案為:灰砂比1∶4～1∶6,料漿濃度58%～64%;水泥基充填體試驗(yàn)方案為:灰砂比1∶4,料漿濃度58%～64%。試驗(yàn)依然測(cè)試充填體7 d 及28 d 抗壓強(qiáng)度?；疑氨葹?∶4、1∶5 和1∶6 時(shí),鋼渣基膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。灰砂比為1∶4 時(shí),水泥基充填體的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4所示?；疑氨葹?∶4 時(shí),鋼渣基與水泥基膠結(jié)充填體的強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖3 鋼渣基充填體強(qiáng)度隨料漿濃度變化特征Fig.3 Variation characteristics of steel slag-based backfill strength with slurry concentration

圖4 灰砂比為1∶4 時(shí)水泥基充填體強(qiáng)度隨料漿濃度變化特征Fig.4 Variation characteristics of cement-based backfill strength with slurry concentration when the cement-sand ratio is 1∶4

由圖3 可知:當(dāng)灰砂比為1∶4～1∶6 時(shí),鋼渣基充填體抗壓強(qiáng)度與料漿濃度間均具有明顯的正相關(guān)關(guān)系,隨著料漿濃度增大,鋼渣基充填體表現(xiàn)出不斷增大趨勢(shì)。當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí),隨著料漿濃度從58%增大至64%,充填體7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別增大了51.9%和71.1%;當(dāng)灰砂比為1∶5 時(shí),隨著料漿濃度從58%增大至64%,充填體7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別增大了77.8%和64.5%;當(dāng)灰砂比為1∶6 時(shí),隨著料漿濃度從58%增大至64%,充填體7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別增大了95.3%和72.3%。因此,當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí),隨著料漿濃度增大,鋼渣基充填體的早期強(qiáng)度增幅明顯低于后期抗壓強(qiáng)度增幅,說(shuō)明膠凝材料含量較高時(shí),料漿濃度增大更有利于提高鋼渣基充填體的后期抗壓強(qiáng)度,但當(dāng)灰砂比為1∶5 和1∶6 時(shí),隨著料漿濃度增大,充填體的早期強(qiáng)度增幅明顯高于后期抗壓強(qiáng)度增幅,說(shuō)明膠凝材料含量較低時(shí),料漿濃度增大更有利于提高鋼渣基充填體的早期抗壓強(qiáng)度。由圖4 可知:當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí),隨著料漿濃度從58%增大至64%,水泥基充填體7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別增大了85.1%和23.1%,說(shuō)明膠凝材料含量較高時(shí),料漿濃度增大更有利于提高水泥基充填體的早期抗壓強(qiáng)度,這與鋼渣基充填體的性質(zhì)相反。由圖5 可知:在相同的灰砂比及料漿濃度下,鋼渣基膠結(jié)充填體的7 d 及28 d 抗壓強(qiáng)度均明顯高于水泥基膠結(jié)充填體,說(shuō)明鋼渣基膠結(jié)充填體具有良好的力學(xué)性能,可以代替水泥作為膠結(jié)材料用于礦山充填。

3.3 鋼渣基膠結(jié)充填料漿流變特性

鋼渣基充填體具有良好的力學(xué)性能,但礦山充填不僅要求充填體具有較高的強(qiáng)度,還需要具有良好的可輸送性。因此,本研究采用流變測(cè)試儀測(cè)定不同配比參數(shù)下的鋼渣基充填材料的流變性能,以期更好地指導(dǎo)鋼渣基充填體的配比參數(shù)設(shè)計(jì)[14]。此外,在此次流變參數(shù)測(cè)試中,根據(jù)賓漢流變模型擬合測(cè)試結(jié)果,從而得出相應(yīng)的屈服應(yīng)力和塑性黏度。在不同的配比參數(shù)下,鋼渣基充填材料屈服應(yīng)力及塑性黏度的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同灰砂比下鋼渣基充填料漿流變參數(shù)變化特征Fig.6 Variation characteristics of rheological parameters of steel slag base filling slurry under different cement-sand ratio

由圖6 可知:隨著料漿濃度增大,不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的流變參數(shù)均表現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì),說(shuō)明料漿濃度增大仍會(huì)對(duì)鋼渣基充填料漿的可輸送性產(chǎn)生不利影響。當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí),隨著料漿濃度從58%增大至64%,料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度分別增大了69.4%和208%;當(dāng)灰砂比為1∶5 時(shí),隨著料漿濃度從58%增大至64%,料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度分別增大了71.1%和201%;當(dāng)灰砂比為1∶4 時(shí),隨著料漿濃度從58%增大至64%,料漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度分別增大了66.7%和146%。因此,隨著料漿濃度增大,在不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的屈服應(yīng)力增幅基本相同,沒(méi)有明顯的差距,說(shuō)明膠結(jié)材料的含量變化不會(huì)對(duì)鋼渣基充填材料的屈服應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響。此外,膏體料漿的屈服應(yīng)力一般在200 Pa 左右[15-16],因此鋼渣基充填體的料漿濃度可設(shè)計(jì)為62%～64%,在該濃度范圍內(nèi)的屈服應(yīng)力未超過(guò)200 Pa,從而反映出料漿具有良好的輸送性能。

4 結(jié)論

(1)在不同養(yǎng)護(hù)齡期下,鋼渣基膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣含量增大總體表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),鋼渣含量為30%時(shí),充填體的抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到最大值。此外,養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí),鋼渣含量增大其抗壓強(qiáng)度的增幅更為明顯,說(shuō)明鋼渣含量增加更有利于改善鋼渣基充填體的后期抗壓強(qiáng)度。

(2)膠凝材料含量較高時(shí),料漿濃度增大更有利于提高鋼渣基充填體的后期抗壓強(qiáng)度,當(dāng)膠凝材料含量較低時(shí),料漿濃度增大則更有利于提高鋼渣基充填體的早期抗壓強(qiáng)度。此外,在相同的灰砂比及料漿濃度下,鋼渣基膠結(jié)充填體的7 d 及28 d 抗壓強(qiáng)度均明顯高于水泥基膠結(jié)充填體,充分體現(xiàn)出鋼渣基膠結(jié)充填體具有更好的力學(xué)性能,可以代替水泥作為膠結(jié)材料用于礦山充填。

(3)隨著料漿濃度增大,不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的流變參數(shù)均表現(xiàn)出明顯增大趨勢(shì),但不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的屈服應(yīng)力增幅基本相同,沒(méi)有明顯差距,說(shuō)明膠結(jié)材料的含量變化不會(huì)對(duì)鋼渣基充填材料的屈服應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響。此外,鋼渣基充填體的料漿濃度可設(shè)計(jì)為62%～64%,在該范圍內(nèi)的屈服應(yīng)力不超過(guò)200 Pa,料漿呈現(xiàn)出良好的輸送性能。