鐵尾礦固結合成雙免墻體材料強度與失水特性研究

邵雁,宋自新,郭華軍,朱飛,陳堃,杜德軍,王豪杰,夏成功，董祎挈

（1中冶南方都市環保工程技術股份有限公司 湖北 武漢 430071 2武漢大學 湖北 武漢 430079）

0 引言

我國金屬礦產資源極為豐富，據統計，全國現有重金屬尾礦庫約7 800余座，以鐵礦為例，每年開采的鐵礦石所煉成的鋼鐵達數億噸，同時會產生大量的鐵尾礦[1]。國內對鐵尾礦大都采用充填的方式處理，即在尾礦中加入一定量的固化劑，攪拌均勻后充填至礦山采空區，受到外界溫度、水流侵蝕等影響，尾礦固結體的強度會隨時間的延長發生變化，采空區極易發生傾覆塌陷等事故，對生產安全造成嚴重威脅[2]。

許多科學工作者[3～5]嘗試采用尾礦干堆技術等相關方法對傳統尾礦處理技術進行改良，同時科學家們還嘗試改變固化劑的種類，研發適合于不同尾礦的膠結劑，以求達到高的固結強度與較高的穩定性、安全性。綜合上述研究結果可知，國內外對尾礦資源化利用的相關研究相對較少。

本文采用自主研發的尾礦膠凝材料，對鐵尾礦進行改良固化，并采用高壓成型的方式，在免燒免蒸的條件下制備墻體材料，采用無側限抗壓實驗測定其抗壓特性，檢測其含水率，對比國家相關技術標準，評價不同合成配比下雙免磚的強度指標。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用尾礦取自山東魯中礦業公司本部，取樣地點為尾礦庫充填站。取樣時，將試樣裝入50L塑料桶中，密封保存。由表觀形態可見，尾礦呈紅褐色，屬流態狀物質，靜置后發生明顯分層，去除上層清液后，取下層尾礦開展試驗，初始含水率如表1所示。

表1 尾礦原始含水率 /%

試驗所用固化劑為自主研發的H4系列固化劑，是一種以工業廢渣為主要原料的一種新型灰渣膠凝材料，為灰色粉末狀，主要成分有礦渣、熟料、石膏等，配以一定量的活化劑和激發劑混合粉磨制成，本實驗所用膠結劑初凝時間5～60min，終凝時間10～600min。

1.2 試驗方法

將本部尾礦進行干燥處理，在室外進行自然晾干使其含水率降到15%以下，再將晾干的尾礦進行攪拌混勻，使得最終的尾砂與固化劑、碎石和水有一個比較好的混合狀態，避免有大顆粒狀的尾砂存在制得的磚塊中，影響墻體材料的強度。墻體材料的配合比見表2所示。

稱量試驗所需要的原料，按尾砂、碎石、粉煤灰、固化劑和水的先后順序按照配合比將這些原料倒入砂漿攪拌機中。將尾砂、碎石和固化劑倒入攪拌機中慢攪1min，將干基的物質混合均勻后再外加水慢攪2min。

稱取相應質量的混合物加入Φ10×6cm模具中，在壓力機上成型并脫膜，成型壓力160kN，

表2 配合比（干基）/%

控制加荷速度在5～7kN/s，重復上述操作每組做6個試塊。采用常溫自然保濕養護工藝，將壓制好的試塊用保鮮膜包好放入養護箱中在標準養護條件下（溫度為20±2℃，相對濕度在90%以上）養護，待到養護齡期，進行性能檢測。墻體材料養護到了3d、7d和28d時，對試塊進行抗壓強度性能測試中的微觀結構、化學鍵及化學元素等的組成。

2 試驗結果與討論

2.1 尾礦的理化性質

本部尾礦粒徑分布詳見圖1，化學成分組成詳見表3。

圖1 本部尾礦粒徑分布

表3 本部尾礦化學成分組成/%

本部尾礦的粒徑分布如圖1，化學成分組成如表3所示。可以看出，本部尾礦的粒徑主要分布于 10～00μm之間，其中平均粒徑 D50為22.47μm，顆粒組成較細。顆粒細度將直接決定墻體材料強度，平均粒徑越低，相同固化劑固化條件下，所合成的墻體材料抗壓強度越差。本部尾礦化學成分中，SiO2與Fe2O3的含量較多，可見通過冶煉后，鐵尾礦中仍然還有大量的鐵系物質，還有二次提煉的空間，CaO的含量僅占尾礦總量的14.36%，而試驗使用固化劑屬鈣系材料，增加鈣系物質含量有助于墻體材料抗壓強度的增強。

2.2 墻體材料無側限抗壓強度

表4中的數據每個養護期都有兩個平行樣，先將兩個平行樣取平均值如表5所示。

表4 免燒磚抗壓強度數據記錄表

續表4

表5 免燒磚各養護期抗壓強度 /MPa

將表5中數據作圖如圖2所示。

圖2 墻體材料抗壓強度

由圖2可以明顯看出A6組的抗壓強度最高，其28天抗壓強度達到了22.35MPa，達到了粉煤灰磚國家標準JC 239-2001中MU 20的強度等級，完全達到了技術要求。該組的干基配合比為：本部尾砂30%、HAS固化劑15%、破碎廢石55%，含水率為9%。將該組配方與A1-A5五組進行對比可以看出，該組的固化劑用量和碎石用量都是最高的。固化劑在免燒磚成型過程中可以增強尾砂中的活性，使整個體系中形成更多的C-S-H凝膠，增大了水化反應的程度；碎石在免燒磚成型的過程中可以起到骨架支撐和水化反應載體的作用，使整個體系的剛性結構更加穩固。

圖3 墻體材料失水率

2.3 墻體材料失水率

由圖3我們可以看出，免燒磚的失水率隨著養護時間的增加而不斷增大，且增長速率隨著養護時間的增加逐漸變緩。當養護時間達到28天時，失水率基本沒有很大的變動，即免燒磚中的含水率變動很少，這就意味著水化反應已經基本結束。

3 結論

墻體材料的抗壓強度均達到了空心磚GB 13545-2014規定的MU5.0型號的所有指標；其中A6的抗壓強度達到了實心磚JC 239-2001中規定MU10型號的所有指標；A3-A6四組的抗壓強度達到了實心磚JC 239-2001中規定MU10型號的所有指標，均遠超國家相關標準。