低品質礦渣協同粉煤灰制備充填膠結料及參數優化研究

黃其沖，豆玉杰，張東升，周文濤

(1.北方爆破科技有限公司，北京 100097；2.北京奧信化工科技發展有限責任公司，北京 100043)

隨著采礦活動的發展以及國家對于安全、環保要求的不斷提高，充填采礦尤其是膠結充填采礦，以其能有效控制或延緩地表巖層移動和塌陷等優點被廣泛應用于各大礦山[1-2]。對于膠結充填采礦，成本高是比較突出的問題，充填成本中膠凝材料占一半以上，因此開發低成本充填膠凝材料，并根據要求優化料漿配比是降低充填成本，實現礦山可持續發展的重要途徑[3-4]。以工業固體廢棄物為原料制備膠凝材料是目前膠凝材料開發的趨勢，其中，礦渣、鋼渣、粉煤灰、脫硫石膏和赤泥等被廣泛應用于膠凝材料開發[5]，不僅消耗了固體廢棄物，實現了高值利用，而且降低了充填成本，具有顯著的經濟效益和環保效益。肖柏林等[6]利用鋼渣和開礦渣研發膠凝材料實現了對超細尾砂的低成本膠結充填；童國慶等[7]采用堿激發粉煤灰的方式制備地聚物，并對力學性能和微觀結構和水化機制進行了研究，揭示其固結機理；李立濤等[8]分析了熟料和石膏添加量對礦渣激發效果的影響規律，并以此為依據優化膠凝材料配比；SEVGILI等[9]利用赤泥制備膠凝材料，并分析了充填對地下水的影響，得出赤泥固結充填滿足環保要求；武斌等[10]研究赤泥摻量對混凝土性能和經濟性的影響，得出性能和經濟性兼備的赤泥添加量。除此之外，料漿配比也是影響充填效果和充填成本的主要因素，對于料漿配比優化，目前比較常用的方法包括BP神經網絡、滿意度函數法、多屬性決策等[11-14]。因此，為了降低充填成本，本文利用低品質礦渣等材料制備充填膠結料，并在保證充填效果的前提下，根據礦山充填現狀對料漿配比進行優化，實現礦山低成本綠色充填。

1 原料物化特性

本文實驗以礦渣、粉煤灰、脫硫石膏、熟料等為原料制備膠凝材料，以全尾砂作為骨料進行實驗。其中，礦渣取自新疆某鋼鐵廠產出的礦渣，并經過立磨粉磨生產的礦渣微粉，粉煤灰和脫硫石膏均取自新疆某電廠，熟料則是新疆某水泥廠經過實驗室小磨粉磨制成粉體，尾砂為新疆哈密和鑫礦業銅鎳礦選礦全尾砂，實驗材料粒徑級配特性曲線如圖1所示，各材料粒徑特征值結果見表1。

由圖1和表1可知，作為充填骨料的全尾砂不均勻系數Cu=4.97<5，而曲率系數Cc=1.15，介于1～3之間，屬于連續級配，并且全尾砂0.074 mm以下細顆粒含量約為60%，尾砂相對較粗，有利于強度增長。

表1 實驗材料粒徑級配特征參數

圖1 實驗材料粒徑級配特征曲線

礦渣作為主要活性材料，其品質(細度和活性)直接影響膠凝材料開發，礦渣細度(45 μm篩余)為7%，基本滿足新型膠凝材料開發的細度要求。采用XRF對其化學成分進行測定，結果見表2。

表2 礦渣化學組分分析結果

分析化學組分可知，礦渣堿性系數M0=1.07>1，質量系數K=1.51>1.2，活性指數Ma=0.24<0.3，綜合分析，屬于中等質量的低活性堿性礦渣。

2 低品質礦渣膠結料開發及優化

2.1 實驗方法

根據前期研究結果及材料特性，實驗以礦渣粉和粉煤灰作為活性材料，以熟料和脫硫石膏作為復合激發劑，其中，固定粉煤灰摻量10%，熟料摻量8%～12%，脫硫石膏摻量10%～14%，其余為低品質礦渣，以全尾砂作為骨料，膠砂比1∶4，質量濃度70%。按照《土工實驗規程》中關于“無側限抗壓強度實驗SL237-020-1999”的方法進行正交實驗。本次試采用澆注70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三聯試模的方法制作試塊，脫模放入養護箱標準養護至相應齡期測定無側限抗壓強度。

2.2 實驗結果與分析

為了確定膠結料配比，采用正交法設計進行膠砂強度實驗，并進行材料成本核算，結果見表3。

根據表3實驗結果，分別以脫硫石膏摻量10%和熟料8%為例，分析熟料摻量和脫硫石膏摻量對膠結充填體抗壓強度的影響，結果如圖2所示；對正交實驗結果進行極差分析，結果如圖3所示。

表3 低品質礦渣膠結料正交配比實驗結果

圖2 熟料和脫硫石膏摻量對充填體抗壓強度的影響

圖3 低品質礦渣膠結料充填體抗壓強度正交實驗極差分析結果

由圖2和圖3可知，隨著熟料摻量的增加，充填體7 d抗壓強度和28 d抗壓強度均逐漸降低，熟料摻量由8%增大到12%，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別降低了27.6%和30.9%；隨著脫硫石膏摻量的增大，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度先減小后增大；極差結果表明，對7 d抗壓強度的影響程度為脫硫石膏>熟料，而對于28 d抗壓強度的影響則相反，并且確定7 d和28 d的優化配比均為熟料8%、脫硫石膏14%、粉煤灰10%、礦渣68%。

2.3 水化產物微觀結構分析

根據配比實驗和極差分析確定低品質礦渣充填膠結料配比，其表現出較好的力學性能，為此采用掃描電鏡對其微觀結構進行觀察，結果如圖4所示。由圖4可知，膠結材料水化產物主要包括真棒狀的鈣礬石和無定型的C—S—H、C—A—H凝膠，其中，7 d時已經生成大量水化產物，其主要是熟料水化促進了礦渣和粉煤灰水解并發生水化生成大量凝膠，并且在脫硫石膏作用下生產少量鈣礬石(AFt)，結構比較松散，但是隨著養護齡期的增長，水化產物逐漸增多，并且結構也逐漸密實，強度逐漸提高。

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圖4 低品質礦渣膠結料水化產物微觀結構

3 低品質礦渣膠結料充填料漿配比實驗

3.1 實驗方法

實驗以低品質礦渣膠結料作為膠凝材料，以全尾砂作為骨料，按照膠砂比1∶4～1∶10，以質量濃度68%～74%制備充填料漿，分別采用塌落度筒測定料漿塌落度，采用泌水率筒測定，并按照式(1)計算料漿泌水率，同時澆筑70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊標準養護到7 d和28 d分別測定相應無側限抗壓強度。

圖5 塌落度筒和泌水率筒

(1)

式中：B為泌水率，%；Mw為泌水總質量，g；W為料漿的用水量，g；G為料漿和筒總質量，g；Gw為料漿質量，g。

3.2 實驗結果及分析

為了檢測開發材料的穩定性和適用性，對不同配比條件下料漿塌落度、泌水率和充填體強度進行測定，具體實驗方案和結果見表4。

表4 低品質礦渣膠結料充填體強度和料漿工作特性實驗結果

根據表4實驗結果，分別分析膠砂比、料漿質量濃度對充填體抗壓強度、料漿塌落度和泌水率的影響，結果如圖6和圖7所示。

圖6 質量濃度和膠砂比對充填體強度的影響

圖7 質量濃度和膠砂比對料漿塌落度和泌水率的影響

由圖6可知，質量濃度和膠砂比對抗壓強度有顯著影響。以膠砂比1∶4為例分析濃度對充填體抗壓強度的影響：隨著質量濃度的提高，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度逐漸提高，質量濃度由68%提高到74%，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別提高了39.3%和46.9%；以質量濃度70%為例分析膠砂比對充填體強度的影響：隨著膠砂比的提高，充填體7 d抗壓強度和28 d抗壓強度逐漸提高，膠砂比由1∶10增大到1∶4，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別增大了0.91倍和1.24倍。

由圖7可知，質量濃度和膠砂比對料漿塌落度和泌水率均有顯著影響。以膠砂比1∶4為例分析質量濃度對塌落度和泌水率的影響：隨著質量濃度提高，塌落度和泌水率逐漸降低，質量濃度由68%提高到74%，塌落度和泌水率分別降低了8.97%和43.1%；以質量濃度70%為例分析膠砂比對塌落度和泌水率的影響：隨著膠砂比的提高，塌落度和泌水率逐漸降低，膠砂比由1∶10提高到1∶4，塌落度和泌水率分別降低了9.60%和13.76%。

4 低品質礦渣膠結料充填料漿參數優化

充填是一個復雜的系統工程，不僅要考慮充填體強度，而且要考慮料漿流動性。為了保證充填效果，在開展不同膠砂比、不同質量濃度的料漿制備實驗的基礎上，通過優化料漿制備參數，在滿足充填要求的前提下，降低充填成本。

礦山要求充填體7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別不低于1.5 MPa和3.0 MPa，根據表4料漿制備實驗結果，除B9～B11、B13～B16共七組實驗外，其余實驗均能滿足礦山強度要求，可作為備選方案。除此之外，也要綜合考慮塌落度、泌水率以及充填成本。溫震江等[14]研究表明，塌落度合理范圍為15～30 cm，理想值定為18 cm，泌水率合理范圍為5%～20%，且在合理范圍內越小越好，根據實驗結果將強度看作效益型指標，將塌落度、泌水率和充填成本看作成本型指標[14-15]，將其組成決策矩陣Y9×5，并且按照式(2)進行標準化處理，得到標準決策矩陣S9×5。

(2)

將標準矩陣與各指標權重λ相乘得到加權標準矩陣R9×5，并據此確定正負理想解向量R+和R-，見式(3)。

(3)

式中：J1、J2分別為效益型指標和成本型指標的下標集合。

采用TOPSIS法利用歐氏公式計算各方案與正理想解和負理想解的距離Z+和Z-[13-14]，見式(4)。

i=1,2,…,m；j=1,2,…,n

i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(4)

在得到Z+和Z-基礎上，根據式(5)計算各方案的相對貼近度Ki，其值越大，說明方案越理想。

(5)

決策矩陣Y9×5、標準決策矩陣S9×5見式(6)。

(6)

為方便計算，將各指標權重均取0.2，得出加權標準矩陣見式(7)。

(7)

根據式(3)分別計算得出正負理想解向量R+和R-，見式(8)

R+=(0.200 0.200 0.176 0.110 0.116)

R-=(0.122 0.114 0.200 0.200 0.200)

(8)

最后根據式(4)和式(5)計算相對貼近度Ki=[0.587，0.805，0.765，0.610，0.433，0.526，0.551，0.549，0.362]T，因此可以看出相對貼近度B2>B3>B4>B1>B7>B8>B5>B12，綜合分析B2最優，即采用低品質礦渣復合膠凝材料，膠砂比1∶4，質量濃度70%時最優。

進行實驗對優化結果驗證，結果見表5。驗證實驗結果表明：優化配比條件下，7 d抗壓強度為2.60 MPa、28 d抗壓強度為4.82 MPa、塌落度為22.50 cm、泌水率為7.38%，均滿足礦山要求。

表5 料漿優化配比驗證實驗結果

5 結 論

1) 實驗材料物化特性分析結果表明：作為骨料的全尾砂粒徑較粗，作為活性材料的礦渣屬于低活性的堿性礦渣，粉磨細度(45 μm篩余)為7%，基本滿足膠凝材料開發的要求。

2) 采用正交實驗并進行極差分析，結合材料成本進行綜合分析，確定低品質礦渣復合膠結料配比為熟料8%、脫硫石膏14%、粉煤灰10%、礦渣68%。采用SEM對其微觀結構進行觀察，分析了強度增長的原因，即熟料水化促進礦渣和粉煤灰水解并發生水化生成大量凝膠，在脫硫石膏作用下生產少量鈣礬石(AFt)，結構比較松散，但是隨著養護齡期的增長，水化產物逐漸增多，并且結構也逐漸密實，強度逐漸提高。

3) 料漿配比實驗結果表明：7 d抗壓強度和28 d抗壓強度均隨著料漿質量濃度和膠砂比的提高不同程度增大，塌落度和泌水率均隨著濃度和膠砂比的提高逐漸降低。其中，膠砂比1∶4質量濃度由68%提高到74%時，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別提高了39.3%和46.9%，而塌落度和泌水率分別降低了8.97%和43.1%；質量濃度為70%時，膠砂比1∶10增大到1∶4，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別增大了0.91倍和1.24倍，而塌落度和泌水率分別降低了9.60%和13.76%。

4) 采用熵權多屬性決策模型對料漿制備參數進行優化，獲得料漿優化參數為：采用低品質礦渣復合膠凝材料，膠砂比1∶4，質量濃度70%，并進行實驗驗證，均滿足礦山要求。