石膏激發(fā)礦渣活性的試驗(yàn)研究

李明艷

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，濟(jì)南 250000）

礦渣作為一種工業(yè)廢渣，產(chǎn)生于鋼鐵冶煉過程，每年的排放量十分巨大，人們需要將其合理充分利用起來。礦渣的化學(xué)成分接近于硅酸鹽水泥，經(jīng)過激發(fā)后可以獲得很好的活性，可以用來研發(fā)制作膠結(jié)材料。雖然礦渣具備較好的膠結(jié)活性，但是其活性需要特定條件下的激發(fā)才能發(fā)揮出來。因此，本文研究了充分激發(fā)礦渣活性的條件，以便將其作為膠結(jié)材料應(yīng)用在礦山充填中。

1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料由礦渣、脫硫石膏、水泥三部分組成[1]。

1.1　礦渣

試驗(yàn)所用礦渣為某鋼鐵廠的水淬高爐礦渣，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　礦渣中主要化學(xué)成分含量

礦渣質(zhì)量系數(shù)k是礦渣活性的一個(gè)重要參數(shù)，本試驗(yàn)所用礦渣的質(zhì)量系數(shù)k=1.85，礦渣活性較高[2]。經(jīng)測定，試驗(yàn)所用礦渣的堿性系數(shù)為0.993，說明該礦渣基本為中性礦渣，略顯酸性。

1.2　脫硫石膏

試驗(yàn)所用的脫硫石膏是某電廠濕法脫硫排出的，其性質(zhì)屬于工業(yè)廢棄物。衍射分析表明，其主要相是CaSO4?2H2O。

本次試驗(yàn)采用硫酸鹽來激發(fā)礦渣活性，采用的硫酸鹽為脫硫石膏。石膏面可以作為礦渣的激發(fā)劑，同時(shí)其具有膨脹和緩凝特性。利用其緩凝特性，石膏的摻入可以延緩料漿的凝固時(shí)間，為礦山井下充填提供充足時(shí)間。同時(shí)，人們應(yīng)當(dāng)考慮其膨脹特性的影響，該特性會降低膠結(jié)強(qiáng)度，石膏添加量過大會使充填體產(chǎn)生膨脹過大現(xiàn)象，導(dǎo)致充填體開裂。

1.3　水泥

礦渣的硫酸鹽激發(fā)需要在堿性的環(huán)境中進(jìn)行，為了創(chuàng)造堿性環(huán)境，確保試驗(yàn)效果，本次試驗(yàn)在膠結(jié)劑的成分中加入10%（占膠結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的水泥。

2　石膏激發(fā)礦渣活性的機(jī)理

礦渣的活性需要在特定環(huán)境條件下才能夠激發(fā)出來，激發(fā)后的礦渣作為一種膠結(jié)材料可以很好地利用。礦渣活性的激發(fā)常用方法有化學(xué)激發(fā)、物理激發(fā)和復(fù)合激發(fā)等。

石膏，作為一種硫酸鹽可以激發(fā)礦渣活性，該方法屬于化學(xué)激發(fā)方法。在堿性環(huán)境下，礦渣中加入一定量的石膏，其活性可以較為充分地發(fā)揮出來，作為膠結(jié)劑才能充分發(fā)揮作用。主要原因是，一方面礦渣在堿性環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)開始分解，并形成CaO?SiO2?nH2O（水化硅酸鈣）和水化鋁酸鈣，使得礦渣玻璃與溶液中的OH-離子發(fā)生反應(yīng)，從而把礦渣玻璃網(wǎng)格中的鈣離子激發(fā)出來，促使網(wǎng)格一次解體。被分解的礦渣生成Ca（OH）2后，又進(jìn)一步暴露出具有活性的SiO2、Al2O3[3-4]。在堿性環(huán)境中，石膏能與礦渣中的活性Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)最終生成鈣礬石：

式中，aq代表溶液。

在形成鈣礬石這種水化產(chǎn)物時(shí)，大量Ca（OH）2被消耗使其濃度降低，其間也消耗溶液中較多的Al3+離子。因此，它反過來又加速了礦渣玻璃體中Ca2+的溶解，使網(wǎng)格繼續(xù)解體。上述兩反面互相促進(jìn)，使礦渣潛在活性得到很好的激發(fā)。所以，石膏激發(fā)一定要在堿性環(huán)境中進(jìn)行，堿性環(huán)境為石膏激發(fā)創(chuàng)造了必要條件，石膏激發(fā)與堿性激發(fā)相互促進(jìn)，加速了礦渣玻璃體的進(jìn)一步分解，使礦渣活性得到了很好釋放。被激發(fā)后的礦渣可以用來制成膠結(jié)材料，為礦渣的充分利用奠定了理論基礎(chǔ)。

3　石膏激發(fā)礦渣活性的最優(yōu)摻量試驗(yàn)研究

3.1　試驗(yàn)方案

前面已經(jīng)提到由于石膏的膨脹特性，石膏激發(fā)礦渣活性存在一最優(yōu)摻量。摻量過少，礦渣活性得不到有效激發(fā)，摻量過多，膠結(jié)充填體會出現(xiàn)膨脹開裂現(xiàn)象導(dǎo)致后期強(qiáng)度降低。本次試驗(yàn)的目的就在于尋找石膏的最優(yōu)摻量，以達(dá)到最高效激發(fā)礦渣活性、提高膠結(jié)充填體強(qiáng)度的目的。為了確定膠結(jié)劑中礦渣與石膏在何種配比下與全尾砂膠結(jié)的充填體的強(qiáng)度最高，設(shè)計(jì)如表2所示的5組（石膏摻量依次為5%、10%、10%、20%、25%）試驗(yàn)來確定膠結(jié)劑的最優(yōu)配比組分。同時(shí)，加入膠結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的普通硅酸鹽水泥來創(chuàng)造堿性環(huán)境，以充分發(fā)揮石膏對礦渣活性的激發(fā)效果。

表2　膠結(jié)劑各組分含量

按照以上各組三種物質(zhì)不同質(zhì)量比例配制好膠結(jié)劑，然后將不同組分含量的膠結(jié)劑和全尾砂均按照灰砂比1:6、質(zhì)量濃度70%配制全尾砂膠結(jié)料漿，并制作成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm尺寸的試塊，24 h后進(jìn)行脫模和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。3 d、7 d后分別測定相應(yīng)試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，對比不同組分含量的膠結(jié)劑膠結(jié)全尾砂的效果。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果

膠結(jié)劑中的礦渣、石膏在不同摻量下其與全尾砂按照灰砂比1:6、質(zhì)量濃度70%制成的試塊3 d和7 d的單軸抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果如表3所示。

表3　不同石膏摻量下膠結(jié)強(qiáng)度測定結(jié)果

通過表3所得數(shù)據(jù)，筆者繪制了全尾砂膠結(jié)強(qiáng)度隨石膏摻量變化而變化的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1　礦渣膠結(jié)全尾砂強(qiáng)度隨石膏摻量不同的變化曲線

由圖1可以看出，在試驗(yàn)考查范圍內(nèi)，隨著石膏摻量的增加，無論是3 d的還是7 d的膠結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。石膏作為礦渣的激發(fā)劑，在一定摻量的情況下，激發(fā)效果最好，超過這個(gè)摻量，由于石膏本身膠結(jié)性比較差和其膨脹特性的存在，充填體強(qiáng)度會逐漸降低。由圖1可見，當(dāng)石膏摻量為20%時(shí)，礦渣、石膏、水泥組成的膠結(jié)劑膠結(jié)全尾砂的強(qiáng)度最大，膠結(jié)效果最好。故膠結(jié)劑組分的最優(yōu)配比為礦渣占70%，石膏占20%，水泥占10%。

采用礦渣膠結(jié)全尾砂代替水泥來作為礦山井下充填膠結(jié)材料，可以很大程度上降低充填成本。與此同時(shí)，充填物料組分中98%以上都是由工業(yè)生產(chǎn)廢棄物組成的，這就減少了工業(yè)廢棄物的排放及對土地的占用，避免了對環(huán)境景觀的影響，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境的目的，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[5-6]。

4　結(jié)論

在本次試驗(yàn)環(huán)境條件下，石膏激發(fā)礦渣活性的最佳摻量為20%，此時(shí)可以最大程度地激發(fā)礦渣潛在活性，取得很好的膠結(jié)效果。利用被激發(fā)后的礦渣作為礦山充填膠結(jié)材料，充填體物料組成中98%以上都是工業(yè)生產(chǎn)廢棄物，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境的目的，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。接下來，人們要進(jìn)一步研究礦渣膠結(jié)全尾砂的充填特性，以適應(yīng)礦山充填作業(yè)要求，為礦山充填作業(yè)提供技術(shù)支持。