石灰石－礦渣基礦山充填膠結劑的研制及應用

楊春保，陳賢樹，朱春啟，成 建

(1.合肥水泥研究設計院， 安徽合肥 230051;2.中國新型建材設計研究院武漢分院， 湖北武漢 430000)

0 前言

礦山全尾砂充填過去都用水泥做膠結劑，但水泥生產成本高，一些礦山企業難以承擔。同時水泥充填還普遍存在嚴重的泌水和離析現象，污染井下環境，增加排水費用，降低了充填體整體強度。因此以礦渣、粉煤灰為特征的新一代礦山充填膠結劑在近幾年得到了開發和廣泛的應用［1］。但礦渣、粉煤灰完全依賴鋼廠、電廠的供應，在一些礦區存在貨源緊張、運輸成本高的情況。石灰石貨源廣泛，且比礦渣、粉煤灰更加低廉，因此，研制以石灰石為主要原料的石灰石—礦渣基礦山充填膠結劑(以下簡稱石灰石基膠結劑)意義重大。

1 石灰石基膠結劑的研制

本產品的研制以產研結合的方式進行，由合肥水泥研究設計院、北京菲恩科技有限公司負責生產工藝、激發劑配方設計和試驗室的試驗，根據優化的試驗結果在安徽某一礦山膠結劑廠進行試生產，根據應用情況逐步完善和提高。該膠結劑廠原生產配方為:粉煤灰35%、礦渣28%、熟料24%、石渣5%、石膏5%、激發劑3%。在試生產過程中，采取逐步減少粉煤灰，增加石渣，并調整其它原料的比例的方法，穩步推進，將石渣用量比例提高到預定的水平。

1.1 原 料

石灰石基膠結劑的生產原料為:石渣、礦渣、熟料、石膏和專用激發劑等，礦渣來自南京鋼鐵聯合集團公司，其它原料在當地就近采購。

石灰石為礦山開采留下的石渣，主要成份為CaCO3。石膏為脫硫石膏，也可用天然二水石膏。

礦渣的主要成份為:SiO228.22%，AL2O316.46%，Fe2O31.2%，CaO 32.21%，MgO 9.34%。

熟料為海螺公司生產(新型干法回轉窯)，其28 d標砂抗壓強度一般都在60.0 MPa以上。

1.2 研制原理

(1)物理激發。對石渣、礦渣、熟料進行高細粉磨，使其表面積和比表面能大大增加，結構趨于無定形化，自由焓提高，降低其反應活化能，提高水化能力。高細粉磨也使石灰石微集料化，大量的試驗、研究證明，其微集料效應可明顯提高混凝土的強度［2］。

(2)化學激發。在石灰石的粉磨過程中加入適量的專用化學試劑，激發石灰石、礦渣的潛在水化活性，同時增強石灰石、礦渣、熟料在水化過程中的互補作用和協同效應，提高其水化產物、硬化漿體的性能和強度。對礦渣、粉煤灰采用無機堿、無機鹽激發能達到很好的效果，但對石灰石來說，還須添加合適的有機物與之復合，才能產生快速、強有力的激發。石灰石、礦渣混合物專用激發劑的研制，是石灰石基膠結劑研制的關鍵，對其性能、應用效果起著至關重要作用。

2 生產與性能試驗

2.1 生產工藝過程

濕礦渣由堆場經皮帶秤計量輸入高效回轉式烘干機，烘干后存入干渣庫儲存備用。其它物料分別入庫備用。采用開流高細管磨系統對物料進行粉磨，再通過輸送設備輸送至成品庫，之后由氣力輸送設備送至充填站儲庫備用。粉磨工藝流程見圖1。

圖1 粉磨工藝流程

2.2 石渣、礦渣、熟料、石膏高細粉磨

生產原料按質量百分比為石渣20% ～35%、礦渣20% ～36%、粉煤灰 0% ～20%、熟料20% ～30%、石膏5% ～7%、激發劑2% ～4%進行配料，共同在Φ3.2 m×14 m高細管磨機中混合粉磨。成品細度控制比表面積為430～480 m2/kg，臺時產量34.0 ～38.0 t/h，粉磨電耗 43.2 ～48.5 kWh/t。

3 石灰石基膠結劑的性能試驗

3.1 膠結劑膠標砂強度

參照國標GB175－2007，對石灰石基膠結劑進行強度檢測，結果如表1所示。

表1 膠結劑膠砂強度檢測結果

檢測結果表明，用石灰石代替粉煤灰后，膠標砂強度略有提高，并且都達到了普通硅酸鹽水泥32.5等級。

3.2 全尾砂強度

尾砂取自安徽某礦業公司，其粒度分布如表2所示。

特征粒徑:D10=6.72 μm，D50=51.84 μm，D90=123.14 μm，平均粒徑 Dp=60.22 μm。

表2 尾砂粒度分布

對石灰石基膠結劑進行全尾砂強度試驗，并與32.5普通水泥進行對比，結果如表3所示。

表3 全尾砂強度檢測結果

檢測結果顯示，在相同的試驗條件下，石灰石基膠結劑－全尾砂的強度明顯高于水泥－全尾砂強度。

3.3 凝結時間

參照國標GB/T 1346－2001進行試驗，結果如表4所示。

結果表明，石灰石基膠結劑的凝結時間符合通用硅酸鹽水泥標準(GB 175－2007)。

3.4 流動度

將石灰石基膠結劑與水泥進行膠尾砂流動度對比試驗。參考水泥膠砂流動度檢測方法:膠結劑用量250 g，用水量162 mL，膠結劑∶尾砂=1∶3。水泥也在相同方法下進行。結果如表5所示。

可見，石灰石基膠結劑－全尾砂比水泥－全尾砂流動度高約44%。

表4 石灰石基膠結劑凝結時間

表5 擴展度試驗結果

3.5 坍落度

坍落度試驗方法參照GBJ80，灰砂比為1∶6，檢測結果如表6所示。

一般認為，坍落度達到220 mm即可滿足全尾砂的結構流自流輸送［3］。從試驗結果來看，在濃度高達75%時，石灰石基膠結劑－全尾砂的坍落度依然達到了246 mm。較高的坍落度的一個重要原因是石灰石基膠結劑中的有機激發劑，也是較好的表面活性劑，增加了全尾砂漿的流動性。

表6 坍落度試驗結果

3.6 石灰石基膠結劑粒度分析

試驗采用CILAS1180型粒度分析儀(干法)，測量范圍 0.04 ～ 2500.00 μm，光學模型:Fraunhofer。石灰石基膠結劑的粒度檢測結果如表7所示。

表7 石灰石基膠結劑的顆度分布

特征粒徑:D10=1.43 μm，D50=11.22 μm，D90=48.91 μm，平均粒徑為 18.86 μm。

石灰石基膠結劑D10、D50、平均粒徑都比普通水泥要低，這將增加充填結構流體中超細物的含量，有利于在壓力作用下于管壁外形成潤滑層，可減少沿管道的阻力。

4 應用效果

石灰石基膠結劑在安徽某礦業公司完全替代了粉煤灰基膠結劑和普通水泥，經過近半年的充填應用，效果良好。用石渣代替粉煤灰生產膠結劑，不但緩解了粉煤灰供應緊張的問題，而且大幅節省了生產成本。目前該公司粉煤灰進廠價格為140元/t(含運費)，石渣進廠價格為20元/t(含運費)，考慮生產原料配比變化所導致的綜合原料的成本改變，實際原料成本降低了18元/t。再綜合其余成本因素(煤、電、工資、折舊等)，實際生產成本降低了15元/t。如按該公司生產能力30萬t/a計算，可節省生產成本450萬元/a。

與用水泥作膠結劑比較，石灰石－礦渣基膠結劑具有以下突出優點:

(1)節省了充填費用，主要原因是灰砂比降低，在相同的充填料強度時，可少用膠結劑20% ～40%;

(2)提高了充填質量，水泥膠結充填普遍存在嚴重離析現象，使充填體出現凝結緩慢、強度差的薄弱層，破壞了充填體的均一性，降低了其整體強度，而石灰石基膠結劑具有良好的抗離析作用，因而可以提高充填體質量;

(3)方便施工，改善了施工環境，水泥膠結充填普遍存在嚴重的泌水現象，不但降低充填體強度，而且污染礦井環境，增加排水費用，而用石灰石基膠結劑的尾砂漿流動性好，坍落度高、抗離析、泌水少而清，方便了施工，改善了施工環境。

5 結論

石渣過去一直作為礦山開采后的廢料而被拋棄，用作混合材生產膠結劑時，其摻量一般在5%左右，主要是其活性難于激發，高比例摻加時會大幅降低膠結劑的強度。本研究和應用證明，通過機械和化學的雙重激發，石渣可以代替粉煤灰高比例地摻加于膠結劑之中，用于礦山充填時，不但其強度不降低，而且有抗離析、增稠等作用，可謂是價廉物美，經濟效益突出，因此，值得推廣應用。

石渣的主要成份是CaCO3。對其物理、化學激發后在膠結劑中的作用機理目前還沒有完全弄清楚，有待進一步研究。特別是對其水化產物及其與膠結劑中的其它組份的水化產物在硬化過程中的相互作用的研究，目前尚無這方面的報道，本文也未作深入的研究，可作為今后研究的重點，以期在理論上有更大的突破，為進一步提高其在膠結劑中的摻加量和膠結劑的性能，打下堅實的理論基礎。

［1］付 毅，王吉力.新一代礦山充填材料［J］.有色金屬(礦山部分)，2010(1):51-54.

［2］劉仁越，王 珊，張同生，等.消石灰、無水石膏與石灰石粉對礦渣水泥性能的影響［J］.水泥，2009(8):4-6.

［3］周愛民.礦山廢料膠凝充填(第二版)［M］.北京:冶金工業出版社，2010:163.