新型胶凝材料的流动性试验研究*

魏 微 高 谦 杨志强

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室;3.金川集团股份有限公司)

矿业是国民经济的基础，矿产资源开采过程中排放大量的固体废料，其中大多数为尾砂。大量的尾砂堆积在地表，不仅占用土地、浪费资源，而且污染环境、引发安全问题［1-2］。尾砂废料回填采空区可减少甚至消除废料堆放、解决深部地压控制、保障安全作业、保护地表完整、维持既有的生态环境、提高地下资源回收率［3］。传统的胶结剂水泥不仅成本高、污染环境，而且对细泥含量高的全尾砂固结能力差。水淬高炉矿渣胶凝材料不仅利用了工业废渣、绿色、环保，而且在达到同等充填体强度的前提下，其用量仅为水泥用量的一半左右［4］。为了降低充填成本，实现矿山的无废开采，本课题组以工业废弃物——高炉水淬渣为主要原料，研制开发出了基于高炉水淬渣的矿山井下充填胶凝材料。通过前期的室内试验已经证明了新型胶凝材料对全尾砂的固结效果远远超过了32.5#水泥对全尾砂的固结效果，可以完全取代水泥作为矿山废料的胶凝剂，并且确定了实验室的最佳配合比。考虑到实验室和井下采场的环境及条件等都存在很大的差别，为了验证开发的新型胶结材料在井下养护条件下的稳定性、可靠性，已在石人沟铁矿现场完成了新型胶凝材料充填体与32.5#水泥充填体的强度试验。试验结果表明:在相同的胶砂比、浓度条件下，新型胶凝材料充填体的强度是32.5#水泥充填体强度的2倍以上。充填料浆的浓度是制约充填效率的重要因素，它决定着料浆的管道输送性能和充填体的力学强度［5-7］，当要求流动性和力学强度均需满足生产时，为确定合理的浓度，需要对料浆流动性进行测试。开发新型胶凝材料的最终目的是将胶结尾砂充填到矿山空场，为了检验新型胶凝材料充填料浆的流动性，本研究在石人沟铁矿现场对新型胶凝材料和水泥料浆开展了流动性测试试验，此试验对矿山充填生产具有较为重要的现实意义。

1 充填材料

水取自石人沟铁矿采场。水淬高炉矿渣取自唐钢唐龙(唐昂)新型建材有限公司，其化学成分见表1。

矿渣为结晶较差的玻璃体，表现在XRD谱图(从略)上是2θ为30°左右的1个弥散峰。采用激光粒度分析仪对水淬矿渣粉进行粒度分析，粒径特征参数见表2。

表2 材料的粒度测试结果

石灰采用唐山周边地区普通石灰窑烧制的石灰。

脱硫石膏取自唐山丰润新区热电厂，外观呈浅黄色，XRD分析结果表明其主要相是CaSO4·2H2O，未见其他结晶相。粒径特征参数见表2。

尾砂为石人沟铁矿全尾砂，尾砂的化学成分见表3，粒径特征参数见表2。

表3 尾砂充填料化学组成 %

水泥为石人沟铁矿充填站使用的32.5#水泥。

2 料浆流动性测试方法

2.1 塌落度

测定方法:将料浆分次均匀装入塌落度筒(筒尺寸:顶部直径10 cm，底部直径20 cm，高度30 cm)，插捣数次，待顶层插捣完后刮去多余的料浆并抹平，双手均匀用力将筒在5～10 s拨起。料浆由于自重将会塌落，由塌落度筒顶到塌落料浆顶部的距离就叫塌落度。塌落度愈大表示拌合物的流动性愈大。矿山充填中，当塌落度在23～27.5 cm，可基本上满足自流输送要求［8］。

2.2 稠度

采用砂浆稠度仪。测定方法:将充分搅拌后的浆体装入盛料容器，砂浆表面低于该容器表面1 cm，矫正好试锥和齿条测杆，然后打开制动螺丝让试锥落于浆体，此时刻度盘上的值与试验前在刻度盘上值的差就是测得的稠度(在10 s内完成测定试锥的下沉深度)。砂浆稠度能揭示砂浆的流动性，评价管道输送的可行性与可靠性。

2.3 分层度

检测方法:用砂浆稠度仪检测搅拌均匀的浆体的稠度C1;将搅拌均匀的浆体装满分层度桶中并静置30 min，让砂浆离析分层;将分层度桶上部的砂浆去除，取其下部砂浆，测其再次搅拌均匀后的稠度C2。测得C1与C2之差就是分层度F。分层度是料浆离析程度的重要技术指标。

3 料浆流动性测试结果分析

采用新型胶凝材料和矿山使用的32.5#水泥2种胶凝材料，进行不同胶砂比和不同质量浓度的全尾砂充填料浆的流动性试验，新型胶凝材料的配合比采用实验室确定的最佳配合比。流动性测试结果见图1～图6所示。

图1 塌落度随浓度变化曲线

图2 稠度随浓度变化曲线

图3 分层度随浓度变化曲线

图4 塌落度随胶砂比变化曲线

图5 稠度随胶砂比变化曲线

图6 分层度随胶砂比变化曲线

由图1～图6可看出:当胶砂比1∶10时，新型胶凝材料的砂浆的流动性(塌落度和稠度)大于水泥泥胶凝材料砂浆的流动性;当胶砂比非1∶10时，新型胶凝材料的砂浆的流动性(塌落度和稠度)小于水泥胶凝材料砂浆的流动性。下面分别讨论料浆浓度、胶砂比对砂浆流动性的影响。

3.1 全尾砂浆流动性与浓度的关系

3.1.1 塌落度与浓度的关系

在不同胶砂比条件下，砂浆塌落度随质量浓度的变化曲线如图1所示。

由图1可以看出:

(1)新型胶凝材料砂浆的塌落度随浓度的增加呈折线型下降趋势，78%的浓度是拐点，当浓度大于78%时塌落度下降速度快。

(2)水泥砂浆的塌落度随浓度的增大线性减小。

(3)对于新型胶凝材料，质量浓度78%时满足管道自流输送的塌落度要求。

3.1.2 稠度与浓度的关系

在不同胶砂比条件下，砂浆稠度随质量浓度的变化曲线如图2所示。

由图2看出，2种胶凝材料的稠度均随浓度的增加呈折线型下降，78%的浓度是转折点。

3.1.3 分层度与浓度的关系

在不同胶砂比条件下，砂浆分层度随质量浓度的变化曲线如图3所示。

由图3可见，浓度小于78%时，砂浆分层度随浓度的增加而增加;浓度大于78%时，砂浆分层度随浓度的增加而减小。由此可见，2种砂浆在浓度为78%时分层度最大。

3.2 全尾砂浆流动性与胶砂比的关系

3.2.1 塌落度与胶砂比的关系

在不同质量浓度条件下，砂浆塌落度随胶砂比的变化曲线如图4所示。

图4中，2种砂浆的塌落度在不同的砂胶比时表现出时大时小的规律，在浓度为80%，胶砂比达到1∶15时，2种胶凝材料的塌落度接近。在浓度为76%，胶砂比达到1∶12时，2种胶凝材料的塌落度接近。在浓度为78%时，胶砂比达到1∶8时，2种胶凝材料的塌落度接近。由此可见，在选择的胶砂比范围内，2种胶凝材料的塌落度基本相同。

3.2.2 稠度与胶砂比的关系

在不同质量浓度条件下，砂浆稠度随胶砂比的变化曲线如图5所示。

由图5可见，对于不同胶砂比，76%浓度时，2种砂浆的流动度大致相等;胶砂比1∶10时，对于3种砂浆浓度，2种胶凝材料的稠度大致相等。

3.2.3 分层度与胶砂比的关系

在不同质量浓度条件下，砂浆分层度随胶砂比的变化曲线如图6所示。

图6显示:砂浆浓度为76%除外，胶砂比在1∶9.5～1∶12时，2种胶凝材料的砂浆分层度相差不大。

4 结论

(1)各种比例条件下，2种砂浆的流动性不存在本质差异。

(2)通过石人沟现场的流动性试验，表明开发的新型胶凝材料可以满足充填现场管道输送的要求，当质量浓度78%时，新型胶凝材料砂浆的塌落度可以满足管道自流输送的要求。

(3)新型胶凝材料以工业废渣为主要原料，绿色、环保，属“三废”利用循环经济项目，对实现矿山的无废开采具有较为重要的现实意义。

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