鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料試驗研究

摘要：目前，鐵尾礦高附加值利用途徑較少，同時采空區(qū)治理對充填材料的需求大。本文結(jié)合充填工程需求和鐵尾礦綜合利用現(xiàn)狀，通過試驗研究堿性激發(fā)劑摻量、水泥熟料摻量和礦渣摻量對鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料抗壓強度的影響。試驗結(jié)果表明，鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料的最優(yōu)配比為鐵尾礦64%、礦渣30%、水泥熟料6%，堿性激發(fā)劑選用NaOH，摻量為體系總質(zhì)量的2%。

關(guān)鍵詞：鐵尾礦；礦渣；采空區(qū)充填；膠結(jié)材料；抗壓強度；最優(yōu)配比

中圖分類號：TD926.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）06-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.06.005

Experimental Study on Iron Tailings Based Composite Cementitious Materials

WANG Heng1， LI Qiuying1， LI Hengtian2

（1. Shandong Institute of Product Quality Inspection， Jinan 250102， China;

2. Shandong High-speed Engineering Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250014， China）

Abstract： At present， there are few ways to utilize iron tailings with high added value， and there is a high demand for filling materials in goaf treatment. Based on the requirements of filling engineering and the current situation of comprehensive utilization of iron tailings， this paper conducts experiments to study the effects of alkaline activator dosage， cement clinker dosage， and slag dosage on the compressive strength of iron tailings based composite cementitious materials. The experimental results show that the optimal ratio of iron tailings based composite cementitious materials is 64% for iron tailings， 30% for slag， and 6% for cement clinker， NaOH is selected as the alkaline activator， and the dosage is 2% of the total mass of the system.

Keywords： iron tailings; slag; filling of goaf; cementitious materials; compressive strength; optimal ratio

受無序開采、地質(zhì)環(huán)境等因素影響，礦山周邊地區(qū)形成大量采空區(qū)，帶來很大的安全隱患[1]。充填法是最常用的采空區(qū)治理方法，充填材料在施工過程中發(fā)揮重要作用。鐵尾礦是將鐵礦石破碎并磨細、選取有用組分后排出的固體廢料[2]。目前，國內(nèi)外對鐵尾礦資源化利用的研究取得一定進展。作為二次資源，鐵尾礦可以通過再選回收有價元素，可以用作采空區(qū)充填材料，可以制備水泥、磚等建筑材料[3-4]。但是，現(xiàn)有技術(shù)仍存在兩個主要問題。一是鐵尾礦綜合利用率不到20%，充填材料領(lǐng)域多以集料（骨料）形式存在，未能主動利用其潛在的膠凝活性。二是選礦工藝進步導(dǎo)致大量細粒級鐵尾礦堆存，這部分尾礦不能用作充填材料，限制鐵尾礦在采空區(qū)充填中的廣泛應(yīng)用[5]。目前，將鐵尾礦充填至采空區(qū)仍是消納鐵尾礦的最有效途徑。采空區(qū)和鐵尾礦是兩個重大危險源，鐵尾礦充填采空區(qū)可以消除兩大危險源。本研究以鐵尾礦為主要原料，制備鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料，將其用于采空區(qū)治理，同時解決鐵尾礦堆存產(chǎn)生的環(huán)境問題。

1 試驗流程

1.1 試驗原料

試驗所用鐵尾礦來自濟南市張馬屯鐵礦，所用礦渣來自濟南魯新新型建材股份有限公司，粉磨至比表面積490 m2/kg，所用水泥熟料為硅酸鹽水泥熟料，所用激發(fā)劑為NaOH。原料化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗方案

根據(jù)《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗方法》（GB/T 12957—2005），對鐵尾礦、礦渣與水泥熟料進行復(fù)配試驗，水灰比為0.5，其中粒徑80 μm

的篩余量均符合標(biāo)準。選取NaOH作為堿性激發(fā)劑，為研究NaOH摻量對鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料抗壓強度的影響，本次試驗分別將NaOH摻量占膠結(jié)材料總質(zhì)量的比例控制在1%、2%、3%、4%。試驗配比設(shè)計如表2所示。為研究水泥熟料摻量對復(fù)合膠結(jié)材料抗壓強度的影響，本次試驗固定礦渣摻量為20%，水泥熟料摻量為2%～8%，堿性激發(fā)劑為NaOH，固定摻量為體系總質(zhì)量的2%。試驗配比設(shè)計如表3所示。為研究礦渣摻量對復(fù)合膠結(jié)材料抗壓強度的影響，本次試驗規(guī)定熟料摻量為6%，堿性激發(fā)劑為NaOH，摻量為體系總質(zhì)量的2%。為遵循鐵尾礦摻量大的原則，鐵尾礦摻量不低于59%，即礦渣摻量在15%～35%，試驗配比設(shè)計如表4所示。

1.3 試驗方法

參照《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗方法》（GB/T 12957—2005），采用水泥細度負壓篩析儀來控制細度。首先將鐵尾礦、礦渣等固體廢棄物通過50目方孔篩篩分，然后分別在80 ℃條件下烘干，用球磨機分別進行粉磨，最終分別稱取25 g原料放入水泥細度負壓篩析儀進行負壓篩析試驗。

利用電子天平準確稱取原料后，采用規(guī)格

40 mm×40 mm×40 mm（長×寬×高）的鋼制模具進行成型。采用標(biāo)準養(yǎng)護法，在溫度20 ℃±1 ℃、相對濕度大于90%的標(biāo)準養(yǎng)護箱中對成型試塊進行養(yǎng)護，24 h后拆模養(yǎng)護至3 d、7 d和28 d，參考《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021），采用抗壓抗折一體機測試試塊抗壓強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿性激發(fā)劑摻量對鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料的影響

NaOH摻量介于1%～4%時，堿激發(fā)的試塊抗壓強度變化如圖1所示。NaOH摻量為1%時，試塊3 d抗壓強度為5.7 MPa，7 d抗壓強度為7.7 MPa，28 d抗壓強度為9 MPa，早期抗壓強度增長迅速，后期抗壓強度緩慢增長。NaOH摻量提高到2%時，試塊抗壓強度有較為明顯的增長，試塊3 d抗壓強度為6.8 MPa，7 d抗壓強度為8.52 MPa，28 d抗壓強度為10.26 MPa。NaOH摻量增加至3%時，試塊抗壓強度增長幅度明顯減小，3 d和7 d抗壓強度僅分別較NaOH摻量2%的試塊抗壓強度提高0.4 MPa和0.1 MPa，而且28 d抗壓強度略微降低0.13 MPa，影響試塊后期抗壓強度的發(fā)展。NaOH摻量為4%時，試塊3 d抗壓強度較NaOH摻量3%的試塊抗壓強度略有降低，7 d和28 d抗壓強度均最高，但增長幅度不大。

2.2 水泥熟料摻量對鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料的影響

隨著水泥熟料摻量的提高，鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料的抗壓強度逐漸增大，如圖2所示。當(dāng)水泥熟料摻量達到2%時，試塊3 d抗壓強度為4.03 MPa，7 d抗壓強度為5.58 MPa，28 d抗壓強度為7.23 MPa。水泥熟料摻量提高到4%時，試塊抗壓強度增長較快，3 d、7d和28 d抗壓強度分別增長1.58 MPa、1.82 MPa和1.36 MPa。水泥熟料摻量達到6%時，試塊抗壓強度繼續(xù)提高。當(dāng)水泥熟料摻量由6%增加到8%時，試塊抗壓強度增長放緩，其3 d抗壓強度甚至略低于水泥熟料摻量為6%的試塊。

2.3 礦渣摻量對鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料的影響

由圖3可知，隨著礦渣摻量的增加，鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料的抗壓強度逐漸增大。當(dāng)?shù)V渣摻量為15%～30%時，隨著礦渣摻量的增加，試塊抗壓強度增長速度較快，7 d抗壓強度近似于直線增長，礦渣摻量為30%時，試塊3 d抗壓強度為7.8 MPa，7 d抗壓強度為10 MPa，28 d抗壓強度為11.9 MPa。當(dāng)?shù)V渣摻量提高至35%時，試塊抗壓強度增長速度放緩，3 d、7d和28 d抗壓強度僅分別增長0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa。在保證一定強度的前提下，確定最優(yōu)礦渣摻量為30%。

3 結(jié)語

鐵尾礦可以用于制備鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料，從而滿足采空區(qū)治理對充填材料的需求，實現(xiàn)高附加值利用。試驗結(jié)果表明，鐵尾礦基復(fù)合膠結(jié)材料存在最優(yōu)配比，即鐵尾礦64%、礦渣30%、水泥熟料6%，堿性激發(fā)劑為NaOH，摻量為體系總質(zhì)量的2%。

參考文獻

1 梁新民，劉明權(quán)，張愛民，等.無廢、無尾生態(tài)智能礦山建設(shè)模式探討[J].中國礦山工程，2022（2）：66-71.

2 海 龍，程同俊，徐 博，等.粉煤灰改良鐵尾礦膏體充填材料試驗研究[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2022（5）：724-732.

3 林 巖，郭 客，張 東，等.利用鐵尾礦制備低附加值產(chǎn)品研究進展[J].遼寧化工，2023（1）：128-131.

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5 寇云鵬，韓沖沖，齊兆軍，等.分級細尾砂膠結(jié)充填體長期力學(xué)特征研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2023（2）：43-49.