新型膠凝材料的流動性試驗研究*

魏 微 高 謙 楊志強

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室;3.金川集團股份有限公司)

礦業是國民經濟的基礎，礦產資源開采過程中排放大量的固體廢料，其中大多數為尾砂。大量的尾砂堆積在地表，不僅占用土地、浪費資源，而且污染環境、引發安全問題［1-2］。尾砂廢料回填采空區可減少甚至消除廢料堆放、解決深部地壓控制、保障安全作業、保護地表完整、維持既有的生態環境、提高地下資源回收率［3］。傳統的膠結劑水泥不僅成本高、污染環境，而且對細泥含量高的全尾砂固結能力差。水淬高爐礦渣膠凝材料不僅利用了工業廢渣、綠色、環保，而且在達到同等充填體強度的前提下，其用量僅為水泥用量的一半左右［4］。為了降低充填成本，實現礦山的無廢開采，本課題組以工業廢棄物——高爐水淬渣為主要原料，研制開發出了基于高爐水淬渣的礦山井下充填膠凝材料。通過前期的室內試驗已經證明了新型膠凝材料對全尾砂的固結效果遠遠超過了32.5#水泥對全尾砂的固結效果，可以完全取代水泥作為礦山廢料的膠凝劑，并且確定了實驗室的最佳配合比。考慮到實驗室和井下采場的環境及條件等都存在很大的差別，為了驗證開發的新型膠結材料在井下養護條件下的穩定性、可靠性，已在石人溝鐵礦現場完成了新型膠凝材料充填體與32.5#水泥充填體的強度試驗。試驗結果表明:在相同的膠砂比、濃度條件下，新型膠凝材料充填體的強度是32.5#水泥充填體強度的2倍以上。充填料漿的濃度是制約充填效率的重要因素，它決定著料漿的管道輸送性能和充填體的力學強度［5-7］，當要求流動性和力學強度均需滿足生產時，為確定合理的濃度，需要對料漿流動性進行測試。開發新型膠凝材料的最終目的是將膠結尾砂充填到礦山空場，為了檢驗新型膠凝材料充填料漿的流動性，本研究在石人溝鐵礦現場對新型膠凝材料和水泥料漿開展了流動性測試試驗，此試驗對礦山充填生產具有較為重要的現實意義。

1 充填材料

水取自石人溝鐵礦采場。水淬高爐礦渣取自唐鋼唐龍(唐昂)新型建材有限公司，其化學成分見表1。

礦渣為結晶較差的玻璃體，表現在XRD譜圖(從略)上是2θ為30°左右的1個彌散峰。采用激光粒度分析儀對水淬礦渣粉進行粒度分析，粒徑特征參數見表2。

表2 材料的粒度測試結果

石灰采用唐山周邊地區普通石灰窯燒制的石灰。

脫硫石膏取自唐山豐潤新區熱電廠，外觀呈淺黃色，XRD分析結果表明其主要相是CaSO4·2H2O，未見其他結晶相。粒徑特征參數見表2。

尾砂為石人溝鐵礦全尾砂，尾砂的化學成分見表3，粒徑特征參數見表2。

表3 尾砂充填料化學組成 %

水泥為石人溝鐵礦充填站使用的32.5#水泥。

2 料漿流動性測試方法

2.1 塌落度

測定方法:將料漿分次均勻裝入塌落度筒(筒尺寸:頂部直徑10 cm，底部直徑20 cm，高度30 cm)，插搗數次，待頂層插搗完后刮去多余的料漿并抹平，雙手均勻用力將筒在5～10 s撥起。料漿由于自重將會塌落，由塌落度筒頂到塌落料漿頂部的距離就叫塌落度。塌落度愈大表示拌合物的流動性愈大。礦山充填中，當塌落度在23～27.5 cm，可基本上滿足自流輸送要求［8］。

2.2 稠度

采用砂漿稠度儀。測定方法:將充分攪拌后的漿體裝入盛料容器，砂漿表面低于該容器表面1 cm，矯正好試錐和齒條測桿，然后打開制動螺絲讓試錐落于漿體，此時刻度盤上的值與試驗前在刻度盤上值的差就是測得的稠度(在10 s內完成測定試錐的下沉深度)。砂漿稠度能揭示砂漿的流動性，評價管道輸送的可行性與可靠性。

2.3 分層度

檢測方法:用砂漿稠度儀檢測攪拌均勻的漿體的稠度C1;將攪拌均勻的漿體裝滿分層度桶中并靜置30 min，讓砂漿離析分層;將分層度桶上部的砂漿去除，取其下部砂漿，測其再次攪拌均勻后的稠度C2。測得C1與C2之差就是分層度F。分層度是料漿離析程度的重要技術指標。

3 料漿流動性測試結果分析

采用新型膠凝材料和礦山使用的32.5#水泥2種膠凝材料，進行不同膠砂比和不同質量濃度的全尾砂充填料漿的流動性試驗，新型膠凝材料的配合比采用實驗室確定的最佳配合比。流動性測試結果見圖1～圖6所示。

圖1 塌落度隨濃度變化曲線

圖2 稠度隨濃度變化曲線

圖3 分層度隨濃度變化曲線

圖4 塌落度隨膠砂比變化曲線

圖5 稠度隨膠砂比變化曲線

圖6 分層度隨膠砂比變化曲線

由圖1～圖6可看出:當膠砂比1∶10時，新型膠凝材料的砂漿的流動性(塌落度和稠度)大于水泥泥膠凝材料砂漿的流動性;當膠砂比非1∶10時，新型膠凝材料的砂漿的流動性(塌落度和稠度)小于水泥膠凝材料砂漿的流動性。下面分別討論料漿濃度、膠砂比對砂漿流動性的影響。

3.1 全尾砂漿流動性與濃度的關系

3.1.1 塌落度與濃度的關系

在不同膠砂比條件下，砂漿塌落度隨質量濃度的變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出:

(1)新型膠凝材料砂漿的塌落度隨濃度的增加呈折線型下降趨勢，78%的濃度是拐點，當濃度大于78%時塌落度下降速度快。

(2)水泥砂漿的塌落度隨濃度的增大線性減小。

(3)對于新型膠凝材料，質量濃度78%時滿足管道自流輸送的塌落度要求。

3.1.2 稠度與濃度的關系

在不同膠砂比條件下，砂漿稠度隨質量濃度的變化曲線如圖2所示。

由圖2看出，2種膠凝材料的稠度均隨濃度的增加呈折線型下降，78%的濃度是轉折點。

3.1.3 分層度與濃度的關系

在不同膠砂比條件下，砂漿分層度隨質量濃度的變化曲線如圖3所示。

由圖3可見，濃度小于78%時，砂漿分層度隨濃度的增加而增加;濃度大于78%時，砂漿分層度隨濃度的增加而減小。由此可見，2種砂漿在濃度為78%時分層度最大。

3.2 全尾砂漿流動性與膠砂比的關系

3.2.1 塌落度與膠砂比的關系

在不同質量濃度條件下，砂漿塌落度隨膠砂比的變化曲線如圖4所示。

圖4中，2種砂漿的塌落度在不同的砂膠比時表現出時大時小的規律，在濃度為80%，膠砂比達到1∶15時，2種膠凝材料的塌落度接近。在濃度為76%，膠砂比達到1∶12時，2種膠凝材料的塌落度接近。在濃度為78%時，膠砂比達到1∶8時，2種膠凝材料的塌落度接近。由此可見，在選擇的膠砂比范圍內，2種膠凝材料的塌落度基本相同。

3.2.2 稠度與膠砂比的關系

在不同質量濃度條件下，砂漿稠度隨膠砂比的變化曲線如圖5所示。

由圖5可見，對于不同膠砂比，76%濃度時，2種砂漿的流動度大致相等;膠砂比1∶10時，對于3種砂漿濃度，2種膠凝材料的稠度大致相等。

3.2.3 分層度與膠砂比的關系

在不同質量濃度條件下，砂漿分層度隨膠砂比的變化曲線如圖6所示。

圖6顯示:砂漿濃度為76%除外，膠砂比在1∶9.5～1∶12時，2種膠凝材料的砂漿分層度相差不大。

4 結論

(1)各種比例條件下，2種砂漿的流動性不存在本質差異。

(2)通過石人溝現場的流動性試驗，表明開發的新型膠凝材料可以滿足充填現場管道輸送的要求，當質量濃度78%時，新型膠凝材料砂漿的塌落度可以滿足管道自流輸送的要求。

(3)新型膠凝材料以工業廢渣為主要原料，綠色、環保，屬“三廢”利用循環經濟項目，對實現礦山的無廢開采具有較為重要的現實意義。

［1］ 梅國棟，王云海.我國尾礦庫事故統計分析與對策研究［J］.中國安全生產科學技術，2010，6(3):211-213.

［2］ 周愛民.礦山廢料膠結充填［M］.北京:冶金工業出版社，2010:1-17.

［3］ 李一帆，張建明，鄧 飛，等.深部采空區尾砂膠結充填體強度特性試驗研究［J］.巖土力學，2005，26(6):865-868.

［4］ 馬偉東，古德生，王吉力.用于充填采礦的高性能水淬渣膠凝材料［J］.有色金屬，2006，58(1):86-88.

［5］ Ellis A V.A review of some environment issues affecting marine mining［J］.Marine Georesources and Geotechnology，2001，19(1):51-63.

［6］ Liu Tongyou，Wang Peixun.Mining backfill technology and its application in Jinchuan Group Co.，Ltd.［C］∥Proceedings of the 8th International Symposium on Mining with Backfill.Beijing:［s.n.］，2004:12-21.

［7］ Jung SJ，Biswas K.Review of current high density paste fill and its technology［J］.Mineral Resources Engineering，2002，11(2):165-182.

［8］ 鄧代強，高永濤，吳順川.基于坍落度測試的粗骨料充填料漿流動性檢驗［J］.北京建筑工程學院學報，2009，25(1):30-33.