新型工業廢渣-尾礦基膠結充填材料的抗壓性能研究

楊明錄　劉允秋

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

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·材料·裝備·

新型工業廢渣-尾礦基膠結充填材料的抗壓性能研究

楊明錄1,2,3劉允秋1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

為緩解高爐渣、尾礦等工業廢渣的大量堆存對環境的危害，降低礦山開采膠結充填成本，探討以尾礦和高爐渣、石膏、赤泥等工業廢渣為主要原材料，以固體水玻璃為激活劑，制備新型工業廢渣-尾礦基膠結充填材料的試驗。得出最佳配方為：漿料濃度70%、灰砂比1∶3.89，高爐渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固體水玻璃7.41%，并對高爐礦渣在膠結充填中的膠凝機理進行了研究，對尾礦資源再利用及工業生產具有重要的指導意義。

膠結充填尾礦高爐渣正交試驗

社會經濟的迅速發展加速了對礦產資源需求，導致了日益嚴峻的環境問題和資源短缺問題[1]。提高資源的利用效率，實現對尾礦資源的綜合利用，不僅可以減少尾礦對生態環境的破壞，也減少建設尾礦庫占用土地及企業投資，提高企業的利潤空間。目前我國各地積存數以百億噸計的尾礦，利用率極低。

尾礦膠結是提高尾礦資源利用率的有效途徑之一，尾礦膠結充填材料大多都是以水泥作為膠結劑[2]，但充填成本過高。為降低尾礦膠結充填成本，本文探索利用高爐渣、石膏、赤泥等工業廢渣，制備工業廢渣-尾礦基新型膠結充填材料。

1　原材料與試驗方法

1.1試驗原材料

本試驗采用高爐礦渣、石灰、石膏、赤泥、姑山礦鐵尾礦和固體水玻璃為原材料，制備尾礦膠結充填材料。其中高爐礦渣取自于馬鞍山市中天新型建材有限公司，其生產的礦渣微粉符合《GB/T18046—2008》標準中S95級別要求。各原材料的化學組成見表1。

表1　各原料的化學成分分析(質量分數) %

1.2試驗設備

JJ-5型水泥砂漿攪拌機；振動臺，振幅0.3～0.6mm，振動頻率2 860次/min；SHBY-40B型數控水泥混凝土標準養護箱；QJ-211S電子萬能試驗機；模具，尺寸為20mm×20mm×20mm六聯；電子稱，1 000g/0.1g。

1.3試驗方法

分別稱取一定量的尾礦、赤泥、石膏、高爐礦渣、石灰、固體水玻璃和水，加入到水泥膠砂攪拌機中攪拌，在砂漿混合均勻之后加入到20mm×20mm×20mm的六聯模具中，放在震動臺上震動成型，將模具放入標準養護箱中養護24h，脫模后在常溫下養護至3,7,28d后檢測其抗壓性能。尾礦砂漿充填材料試塊的制備及抗壓強度檢測工藝流程見圖1，試塊制作、養護及測試過程見圖2。

圖1　尾礦膠結充填材料試塊制備及抗壓強度檢測流程

圖2　實驗室試塊制作及強度測試

2　正交試驗設計與結果分析

影響尾礦膠結充填材料抗壓性能的因素眾多，在前期大量探索性試驗的基礎上，固定漿料濃度為70%，按照表2中所選的因素與水平，制備工業廢渣-尾礦基新型膠結充填材料試塊，分別養護至3，7，28d測試其抗壓性能。選取的各因素與水平見表2，對應L9(34)正交試驗結果記錄見表3，L9(34)正交試驗結果極差分析見表4。

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表3　L9(34)正交試驗結果

表4　L9(34)正交試驗結果極差分析MPa

根據表4可以得出，對于試塊而言，7d中期抗壓強度與28d后期抗壓強度的影響因素順序均為A>B>C>D；但對于試塊3d前期抗壓強度的影響順序為C>A>B>D。

不同齡期試塊的抗壓強度所對應的優方案也不同，但可以通過綜合平衡法得到，具體的平衡過程如下：

因素A：對于試塊的中期強度與后期強度都是取A1水平較好，而且對于中期與后期強度而言，A因素都是最主要的因素，因此在確定優方案時應作重點考慮。對于早期強度極差分析表中K1與K2相差不大，因此綜合考慮A因素對各指標的重要程度，選取A1。

對于因素B與因素C，其水平對試塊早期強度、中期強度與后期強度的影響具有一致性，因此，因素B與因素C的水平均取B1C3。

因素D與因素A的綜合平衡分析方法基本一致，試塊早期強度與中期強度都是取水平D2較好，后期強度傾向于D1，在滿足試塊試驗設計強度的基礎上，從成本方面考慮，應增加尾礦的使用量，既可以降低尾礦膠結充填材料成本，又可以提高尾礦利用率，因此，綜合考慮之后選取水平D2。

綜上所述，確定最終的優方案為A1B1C3D2∶漿料濃度70%、灰砂比1∶3.89，高爐渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固體水玻璃7.41%。

3　高爐礦渣膠凝機理

石灰與水發生反應：CaO+H2O→Ca(OH)2，

高爐渣中活性玻璃體與Ca(OH)2發生如下反應：

活性SiO2+Ca(OH)2(aq)→CaO·SiO2(aq)，

活性Al2O3+Ca(OH)2(aq)→CaO·Al2O3(aq),

體系中存在的石膏也會發生如下反應：

活性Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4·2H2O)(aq)→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O[5]。

4　結　論

(1)通過對試驗的分析研究，選定以石灰、尾礦、石膏、高爐渣為主要原材料，以固體水玻璃為激活劑，制備新型工業廢渣-尾礦基膠結充填材料。

(2)制備新型工業廢渣-尾礦基膠結充填材料的最佳配方為：漿料濃度70%、灰砂比1∶3.89，高爐渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固體水玻璃7.41%，其中對早期強度影響最大的為固體水玻璃含量，對中期與后期強度影響最大的為高爐渣含量。

(3)本試驗研究制備的新型工業廢渣-尾礦基膠結充填材料，工業廢渣所占的比例為98.48%，充分利用了廢棄尾礦，提高了石膏、高爐渣等工業廢渣的利用率，減少了石膏、高爐渣等工業廢渣對環境的污染，符合當前國家所倡導的環境節約型、資源節約型的發展理念，對工業生產具有重要的指導意義。

[1]朱明,劉志強.某選鐵尾礦制備膠凝材料的研究[J].中國礦山工程,2012(4)：14-17.

[2]何哲祥.全尾砂膠結充填技術的研究與實踐[J].中國有色金屬學報，1998(12):739-744.

[3]吳期生.堿高爐渣水泥的研究與發展[J].中國建材科技，1999(1):1-9.

[4]尹裕.礦山新型膠結充填材料的試驗研究[J].現代礦業，2011(8):29-31.

[5]牛福生,聶鐵苗,張錦瑞.地質聚合物中常用的礦渣激發劑及激發機理[J].混凝土，2009(11):83-85.

StudyontheCompressivePerformanceofaNewTypeCemented-FillingMaterialBasedonIndustrialWasteSlagandTailings

YangMinglu1,2,3LiuYunqiu1,2,3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines;3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficientCyclicandUtilizationofMetallicMineralResourcesCo.,Ltd.)

Inordertoalleviatetheharmofthestockpilingofblastfurnaceslagtoenvironmentandreducethecostminingcementedfilling,thetailings,blastfurnaceslag,gypsum,redmudandotherindustrialwasteslagaretakenasthemainrawmaterials,thesolidsodiumsilicateistakenastheactivatortoconducttheexperimentofproductingthenewcemented-fillingmaterial.Theexperimentalresultsshowthattheoptimalformularofthenewcemented-fillingmaterialincludingslurryconcentration(70%),cementsandratio(1∶3.89),blastfurnanceslag(78.70%),lime(11.11%),gypsum(2.78%)andsolidsodiumsilicate(7.41%),besidesthat,thegelationmechanismofblastfurnaceslaginthenewcemented-fillingmaterialisalsoanalyzedindetail,theaboveanalysisresultshavesometheimportantinstructionsignificancetotheresourcesreutilizationandindustrialproduction.

Cementedfilling,Tailings,Blastfurnaceslag,Orthogonaltest

2016-03-09)

楊明錄(1990—)，男，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。