高硫尾砂膠凝材料試驗研究

周 宇，孫 達，謝順來，張 剛

(武漢鋼鐵集團開圣科技有限責任公司， 湖北 武漢 430073)

高硫尾砂膠凝材料試驗研究

周 宇，孫 達，謝順來，張 剛

(武漢鋼鐵集團開圣科技有限責任公司， 湖北 武漢 430073)

某選廠高硫尾砂采用普通硅酸鹽水泥作膠凝材料時，其充填體抗壓強度在后期出現衰減。針對該高硫尾砂，研制出了2種膠凝材料，并將該2種膠凝材料與普通硅酸鹽水泥進行抗壓強度、坍落度、泌水性等對比試驗，結果表明，2種新膠凝材料灰砂比為1∶8的膠結試塊的后期強度持續增加，90 d抗壓強度可分別達到3.21 MPa和2.95 MPa，較42.5普通硅酸鹽水泥增加了1～3倍，且充填料漿的坍落度、泌水性等指標無明顯變化。

高硫尾砂；膠結充填；膠凝材料；抗壓強度

MgSO4侵蝕：

3MgSO4+C-S-H(硅酸鈣凝膠)→3CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+2SiO3· H2O；

3MgSO4+3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O(硫鋁酸鈣)→4CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+Al2O3·3H2O

1 尾砂元素及強度試驗

對某選廠尾砂進行多元素分析，結果見表1。

尾砂中Al2O3、SiO2、Fe2O3的單鹽或所組成的復合礦物，具有化學穩定性，對充填體強度的提高有一定的促進作用。根據化學成分分析結果，尾砂中硫含量為4.78%，屬于高硫尾砂。

在充填料漿濃度為67.5%的條件下，采用42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，對不同灰砂比膠結試塊進行抗壓強度試驗，結果見表2、圖1和圖2。

表1 尾砂多元素分析結果 /%

表2 膠結試塊抗壓強度結果

圖1 膠結試塊抗壓強度隨時間的變化趨勢

試驗結果表明，膠結試塊抗壓強度隨著時間的增加先升高后降低；膠結試塊在后期出現了明顯的裂紋，抗壓強度呈現衰減趨勢。

2 高硫尾砂膠凝材料

2.1 膠凝材料的組份

不同膠凝材料的種類、組份和水化過程都有所區別。針對高硫尾砂會使充填體后期抗壓強度衰減的特性，對膠凝材料組份進行調節，使得膠凝材料在后期進行二次水化作用，即初次水化釋放出的氫氧化鈣和其他組份會與膠凝材料中的活性SiO2和Al2O3相互作用，繼續生成纖維狀的水化硅酸鈣和鈣礬石，使得其充填體較傳統水泥形成的充填體更加致密；并且在較長時期內膠凝材料的水化過程都將持續進行，使得充填體后期強度持續增長。

圖2 灰砂比為1∶6的試塊在不同齡期的外形變化

2.2 膠凝材料的比表面積

傳統水泥的粉磨細度一般控制在比表面積為3000～4000 cm2/g，而為了使膠凝材料中的活性物質能夠得到充分的發揮，其粉磨細度一般要求較細，在充填中，超細膠凝材料和其水化產物可以充填于大的顆粒空隙中，降低孔隙尺寸，優化水泥硬化體顆粒級配，增加密實度，產生的孔結構比普通水泥硬化體優良，提高充填體的抗壓強度。但是當膠凝材料粉磨得過細、比表面積過大時，膠凝材料的需水量、干縮性和水化熱都增大，會導致充填料漿坍落度損失，流動性變差，相關研究表明膠凝材料的比表面積在4000 ～5000 cm2/g的范圍為宜。

3 新膠凝材料的抗壓強度及性能試驗

針對某選廠高硫尾砂的特性，研制出膠凝材料ks-01和膠凝材料ks-02，在濃度67.5%的條件下，對ks-01、ks-02、42.5普通硅酸鹽水泥3種膠凝材料進行了抗壓強度、坍落度、比表面積和泌水率等對比試驗。

3.1 抗壓強度試驗

不同灰砂比料漿的抗壓強度試驗結果見表3和圖3。

根據試驗結果可以得出：

(1) 膠凝材料ks-01和ks-02膠結試塊的后期抗壓強度隨著時間的增加而增強，并未出現強度降低；

(2) 膠凝材料ks-02膠結試塊具有早期強度高，后期強度穩定的特點，膠凝材料ks-01膠結試塊具有后期強度高的特點，礦山可根據井下采礦的作業制度進行相應的選擇。

(3) 膠凝材料ks-01和ks-02膠結試塊的抗壓強度較42.5普通硅酸鹽水泥增加了1～3倍。

表3 膠結試塊抗壓強度結果

圖3 3種膠凝材料在灰砂比為1∶6時隨時間變化趨勢

3.2 比表面積測定

對3種膠凝材料進行比表面積測定，結果見表4。

表4 膠凝材料的比表面積測定結果

膠凝材料ks-01和膠凝材料ks-02比表面積均在4000 ～5000 cm2/g，可以使膠凝材料中的活性物質能夠得到充分的發揮。

3.3 坍落度試驗

不同灰砂比料漿的坍落度試驗結果見表5。

試驗結果表明，3種膠凝材料充填料漿的流動性能接近，膠凝材料ks-01充填料漿的流動性稍弱于42.5普通硅酸鹽水泥和膠凝材料ks-02。

3.4 泌水率試驗

不同灰砂比料漿的泌水率試驗結果見表6。

試驗結果表明，3種膠凝材料充填料漿的泌水性能接近，膠凝材料ks-01和ks-02充填料漿的泌水率略優于42.5普通硅酸鹽水泥。

表5 3種膠凝材料膠結充填料漿坍落度試驗結果

表6 3種膠凝材料膠結充填料漿泌水率試驗結果

4 結 論

(1) 某礦山在膠結充填法采礦中，作為充填骨料的尾砂含硫較高，采用42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其充填體抗壓強度在后期出現衰減。

(2) 改進后的新型膠凝材料有效地解決了高硫尾砂對充填體的負面影響，膠凝材料ks-01和ks-02在灰砂比為1∶8的條件下，后期強度持續增加，在90 d時分別可達3.21 MPa和2.95 MPa。

(3) 膠凝材料ks-02膠結試塊具有早期強度高、后期強度穩定的特點，膠凝材料ks-01膠結試塊具有后期強度高的特點，礦山可根據井下采礦的作業制度進行相應的選擇。

(4) 膠凝材料ks-01和ks-02膠結試塊的抗壓強度較42.5普通硅酸鹽水泥增加了1～3倍，且充填料漿的坍落度、泌水性等指標無明顯變化。

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2015￣03￣20)

周 宇(1990-)，男，湖北武漢人，主要從事礦山充填和選礦試驗研究工作。