司家營(yíng)鐵礦充填用新型膠凝材料制備中間試驗(yàn)*

李茂輝 高 謙 王有團(tuán) 楊云鵬

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.國(guó)家圖書(shū)館)

水泥是充填法礦山的常用膠結(jié)材料［1-2］。由于水泥作為膠結(jié)材料通常難以適用細(xì)顆粒充填材料，因此，大部分礦山采用分級(jí)尾砂［3］或棒磨砂作為充填材料。基于水淬渣開(kāi)發(fā)的新型膠凝材料不僅能夠適應(yīng)含泥量較高的充填材料，而且還能夠提高充填體強(qiáng)度，降低灰砂比，從而提高采礦經(jīng)濟(jì)效益［4-7］。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，充填體強(qiáng)度主要取決于膠凝材料［8］、充填骨料、灰砂比、料將濃度［9-10］以及養(yǎng)護(hù)條件。由于材料制備、養(yǎng)護(hù)條件與測(cè)試技術(shù)與工業(yè)化生產(chǎn)流程存在較大差異，因此需要開(kāi)展新型膠凝材料的中間試驗(yàn)。通過(guò)中試可以進(jìn)一步對(duì)前期試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和適當(dāng)對(duì)配比調(diào)整，獲得更準(zhǔn)確的新型膠凝材料的配比，檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)新型膠凝材料的可行性、可靠性以及性價(jià)比。

1 新型膠凝材料中試儀器設(shè)備選型及要求

中試重點(diǎn)要添加的設(shè)備主要包括微粉磨機(jī)、混料機(jī)、破碎設(shè)備和上料裝置等，其中關(guān)鍵設(shè)備主要為微粉磨機(jī)和混料機(jī)。微粉磨機(jī)主要是為了保證制備實(shí)驗(yàn)所需相關(guān)粒度的細(xì)粉原料;混料機(jī)主要保證原料配制的均勻和可靠。根據(jù)新型膠結(jié)材料制備的技術(shù)要求，選定CGXM－B型超高細(xì)磨粉機(jī)，其磨粉粒度達(dá)到600～1 350目，生產(chǎn)能力超過(guò)500 kg/h;同時(shí)配套購(gòu)買了PE－150×250型顎式破碎機(jī)和相應(yīng)的提升裝置。混料機(jī)則選擇帶有自動(dòng)上料裝置的V－500型混料機(jī)，其生產(chǎn)能力達(dá)到500 kg/h。

2 新型膠凝材料中試產(chǎn)品強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 原材料和試驗(yàn)方案

本次中試采用的原材料有鋼源石灰，陡電石膏，唐龍礦渣粉，熱電廠粉煤灰，司家營(yíng)鐵礦全尾砂，基本的粒徑參數(shù)如表1所示。

表1 充填料材料的粒度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)司家營(yíng)鐵礦南區(qū)充填法采礦的應(yīng)用條件，充填骨料采用司家營(yíng)鐵礦的全尾砂，膠凝材料采用新型膠凝材料，室內(nèi)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的溫度與濕度。對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，可改變的就是膠砂比和料漿濃度2個(gè)主要因素。為了能夠全面地對(duì)新型膠凝材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，安排3種不同方案的試驗(yàn):①司家營(yíng)鐵礦全尾砂和無(wú)水泥新型膠凝材料(1#)方案;②司家營(yíng)鐵礦全尾砂和有水泥新型膠凝材料(2#)方案;③司家營(yíng)鐵礦全尾砂和32.5水泥膠凝材料(3#)方案。其中新型膠凝材料1#和2#的差別在于配方中有無(wú)水泥，1#為無(wú)水泥配方，2#為有水泥配方，3#是純水泥方案，用于對(duì)比水泥和新型膠凝材料。

2.2 膠凝材料中試產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案，利用中試生產(chǎn)的新型膠凝材料分別做了不同膠砂比、不同濃度的膠砂試驗(yàn)，試塊強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。

表2 中試新型膠凝材料試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 膠凝材料中試結(jié)果綜合分析

3.1 充填體強(qiáng)度與砂漿濃度的關(guān)系

圖1分別給出了3種膠凝材料在不同膠砂比條件下的28 d充填體強(qiáng)度與砂漿濃度之間的關(guān)系曲線。

圖1 膠凝材料充填體強(qiáng)度與砂漿濃度的關(guān)系

由圖1可以看到，用3種膠凝材料所做的試塊28 d養(yǎng)護(hù)齡期強(qiáng)度基本上都隨著砂漿濃度的增加而逐漸增大，很明顯的是1#和2#材料的試塊強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用3#材料試塊強(qiáng)度，且隨著砂漿濃度的增大，1#和2#材料試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3#材料試塊強(qiáng)度。

3.2 充填體強(qiáng)度與膠砂比的關(guān)系

圖2分別給出了1#、2#和3#材料的充填體強(qiáng)度與膠砂比之間的關(guān)系曲線。

圖2 膠凝材料充填體強(qiáng)度與膠砂比之間的關(guān)系強(qiáng)度曲線1—3 d;2—7 d;3—28 d

從圖2中可以得到，隨著膠砂比的逐漸增大，3種膠凝材料的齡期養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度也呈增加的趨勢(shì)，以膠砂比1∶8作為分水嶺，在膠砂比低于1∶8的時(shí)候，1#、2#膠凝材料的試塊強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3#材料試塊強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而在高于1∶8膠砂比的時(shí)候，3#材料試塊齡期養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的增長(zhǎng)強(qiáng)度趨勢(shì)高于1#、2#膠凝材料試塊的齡期養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)。從3、7、28 d 強(qiáng)度看，1#、2#膠凝材料的強(qiáng)度明顯高于3#材料，說(shuō)明新型膠凝材料優(yōu)于水泥膠凝材料，尤其在低膠砂比充填的時(shí)候，新型膠凝材料的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3.3 2種新型膠凝材料充填體強(qiáng)度對(duì)比分析

表3給出了2種新型膠凝材料4種砂漿濃度的充填體平均強(qiáng)度的比值。

表3 1#與2#材料試塊強(qiáng)度比值

(1)對(duì)于小于1∶10的膠砂比，1#與2#材料的28 d強(qiáng)度之比接近于1。而對(duì)于3和7 d的強(qiáng)度，2#材料高于1#。由此表明，在高膠砂比的情況下，2#材料優(yōu)于1#材料。

(2)對(duì)于大于1∶10的低膠砂比，1#材料的3、28 d的充填強(qiáng)度明顯優(yōu)于2#材料。考慮到一般采用低灰砂比以及2種材料的配方，1#材料的性價(jià)比明顯好于2#材料。

3.4 新型膠凝材料與水泥材料的強(qiáng)度對(duì)比分析

表4給出了2種新型膠凝材料平均強(qiáng)度與水泥平均強(qiáng)度之比值。

表4 1#、2#材料與3#材料充填體強(qiáng)度比值

(1)2種新型膠凝材料的不同膠砂比的砂漿充填體強(qiáng)度與水泥砂漿充填體強(qiáng)度之比均大于1。由此表明，2種新型膠凝材料均優(yōu)于水泥膠凝材料。

(2)對(duì)于1#材料，最大比值達(dá)到5.63，2#材料最大比值達(dá)到5.0。最大強(qiáng)度比均對(duì)應(yīng)于膠砂比為1∶15。可見(jiàn)，新型膠凝材料的膠砂比越小，新型膠凝材料的強(qiáng)度效應(yīng)越顯著。但對(duì)于1∶20的膠砂比，其比值又趨于減小，但是新型膠凝材料的強(qiáng)度依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥膠凝材料的強(qiáng)度。

(3)從圖4中可以看出，1#材料與水泥材料的強(qiáng)度之比值隨膠砂比的變化曲線呈現(xiàn)“凸”字狀。由此表明，對(duì)于69%的砂漿濃度，膠砂比過(guò)高或過(guò)低，強(qiáng)度之比值均減小。由此存在一個(gè)最優(yōu)的膠砂比(在此情況下為1∶15)，此時(shí)，1#膠凝材料與3#材料28 d強(qiáng)度之比達(dá)到5.63。

(4)從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，1#充填膠凝材料與3#水泥材料相比，最優(yōu)膠砂比隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而減小。即3 d的最優(yōu)膠砂比為1∶8、7 d的最優(yōu)膠砂比降低到1∶10，而28 d的最優(yōu)膠砂比減小到1∶15。顯然，與水泥膠凝材料相比，新型膠凝材料充填體強(qiáng)度增加速度更快，更展現(xiàn)新型膠凝材料的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

(1)膠砂比一定的時(shí)候，3種膠凝材料的強(qiáng)度都隨著濃度的提高而增加。濃度越大，新型膠凝材料與水泥膠凝材料試塊強(qiáng)度差距逐漸加大。

(2)當(dāng)濃度一定的時(shí)候，3種膠凝材料的強(qiáng)度隨著膠砂比的逐漸加大而提高，當(dāng)膠砂比提高到1∶8時(shí)，新型膠凝材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，而水泥膠凝材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)加劇，說(shuō)明新型膠凝材料更適合低膠砂比的充填方式。

(3)基于司家營(yíng)鐵礦全尾砂開(kāi)發(fā)的新型膠凝材料優(yōu)于水泥膠凝材料，有強(qiáng)度高、成本低的特點(diǎn)，滿足司家營(yíng)鐵礦充填的要求。對(duì)比開(kāi)發(fā)的2種新型膠凝材料，兩者之間的差距不大，從成本角度來(lái)考慮，無(wú)水泥方案比有水泥方案成本更低，實(shí)用性更強(qiáng)。綜合考慮，推薦司家營(yíng)鐵礦充填材料選用1#膠凝材料。

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