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高硫尾砂胶凝材料试验研究

2015-06-01谢顺来

采矿技术 2015年3期
关键词:灰砂硅酸盐胶凝

周 宇,孙 达,谢顺来,张 刚

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司, 湖北 武汉 430073)

高硫尾砂胶凝材料试验研究

周 宇,孙 达,谢顺来,张 刚

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司, 湖北 武汉 430073)

某选厂高硫尾砂采用普通硅酸盐水泥作胶凝材料时,其充填体抗压强度在后期出现衰减。针对该高硫尾砂,研制出了2种胶凝材料,并将该2种胶凝材料与普通硅酸盐水泥进行抗压强度、坍落度、泌水性等对比试验,结果表明,2种新胶凝材料灰砂比为1∶8的胶结试块的后期强度持续增加,90 d抗压强度可分别达到3.21 MPa和2.95 MPa,较42.5普通硅酸盐水泥增加了1~3倍,且充填料浆的坍落度、泌水性等指标无明显变化。

高硫尾砂;胶结充填;胶凝材料;抗压强度

MgSO4侵蚀:

3MgSO4+C-S-H(硅酸钙凝胶)→3CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+2SiO3· H2O;

3MgSO4+3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O(硫铝酸钙)→4CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+Al2O3·3H2O

1 尾砂元素及强度试验

对某选厂尾砂进行多元素分析,结果见表1。

尾砂中Al2O3、SiO2、Fe2O3的单盐或所组成的复合矿物,具有化学稳定性,对充填体强度的提高有一定的促进作用。根据化学成分分析结果,尾砂中硫含量为4.78%,属于高硫尾砂。

在充填料浆浓度为67.5%的条件下,采用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料,对不同灰砂比胶结试块进行抗压强度试验,结果见表2、图1和图2。

表1 尾砂多元素分析结果 /%

表2 胶结试块抗压强度结果

图1 胶结试块抗压强度随时间的变化趋势

试验结果表明,胶结试块抗压强度随着时间的增加先升高后降低;胶结试块在后期出现了明显的裂纹,抗压强度呈现衰减趋势。

2 高硫尾砂胶凝材料

2.1 胶凝材料的组份

不同胶凝材料的种类、组份和水化过程都有所区别。针对高硫尾砂会使充填体后期抗压强度衰减的特性,对胶凝材料组份进行调节,使得胶凝材料在后期进行二次水化作用,即初次水化释放出的氢氧化钙和其他组份会与胶凝材料中的活性SiO2和Al2O3相互作用,继续生成纤维状的水化硅酸钙和钙矾石,使得其充填体较传统水泥形成的充填体更加致密;并且在较长时期内胶凝材料的水化过程都将持续进行,使得充填体后期强度持续增长。

图2 灰砂比为1∶6的试块在不同龄期的外形变化

2.2 胶凝材料的比表面积

传统水泥的粉磨细度一般控制在比表面积为3000~4000 cm2/g,而为了使胶凝材料中的活性物质能够得到充分的发挥,其粉磨细度一般要求较细,在充填中,超细胶凝材料和其水化产物可以充填于大的颗粒空隙中,降低孔隙尺寸,优化水泥硬化体颗粒级配,增加密实度,产生的孔结构比普通水泥硬化体优良,提高充填体的抗压强度。但是当胶凝材料粉磨得过细、比表面积过大时,胶凝材料的需水量、干缩性和水化热都增大,会导致充填料浆坍落度损失,流动性变差,相关研究表明胶凝材料的比表面积在4000 ~5000 cm2/g的范围为宜。

3 新胶凝材料的抗压强度及性能试验

针对某选厂高硫尾砂的特性,研制出胶凝材料ks-01和胶凝材料ks-02,在浓度67.5%的条件下,对ks-01、ks-02、42.5普通硅酸盐水泥3种胶凝材料进行了抗压强度、坍落度、比表面积和泌水率等对比试验。

3.1 抗压强度试验

不同灰砂比料浆的抗压强度试验结果见表3和图3。

根据试验结果可以得出:

(1) 胶凝材料ks-01和ks-02胶结试块的后期抗压强度随着时间的增加而增强,并未出现强度降低;

(2) 胶凝材料ks-02胶结试块具有早期强度高,后期强度稳定的特点,胶凝材料ks-01胶结试块具有后期强度高的特点,矿山可根据井下采矿的作业制度进行相应的选择。

(3) 胶凝材料ks-01和ks-02胶结试块的抗压强度较42.5普通硅酸盐水泥增加了1~3倍。

表3 胶结试块抗压强度结果

图3 3种胶凝材料在灰砂比为1∶6时随时间变化趋势

3.2 比表面积测定

对3种胶凝材料进行比表面积测定,结果见表4。

表4 胶凝材料的比表面积测定结果

胶凝材料ks-01和胶凝材料ks-02比表面积均在4000 ~5000 cm2/g,可以使胶凝材料中的活性物质能够得到充分的发挥。

3.3 坍落度试验

不同灰砂比料浆的坍落度试验结果见表5。

试验结果表明,3种胶凝材料充填料浆的流动性能接近,胶凝材料ks-01充填料浆的流动性稍弱于42.5普通硅酸盐水泥和胶凝材料ks-02。

3.4 泌水率试验

不同灰砂比料浆的泌水率试验结果见表6。

试验结果表明,3种胶凝材料充填料浆的泌水性能接近,胶凝材料ks-01和ks-02充填料浆的泌水率略优于42.5普通硅酸盐水泥。

表5 3种胶凝材料胶结充填料浆坍落度试验结果

表6 3种胶凝材料胶结充填料浆泌水率试验结果

4 结 论

(1) 某矿山在胶结充填法采矿中,作为充填骨料的尾砂含硫较高,采用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料,其充填体抗压强度在后期出现衰减。

(2) 改进后的新型胶凝材料有效地解决了高硫尾砂对充填体的负面影响,胶凝材料ks-01和ks-02在灰砂比为1∶8的条件下,后期强度持续增加,在90 d时分别可达3.21 MPa和2.95 MPa。

(3) 胶凝材料ks-02胶结试块具有早期强度高、后期强度稳定的特点,胶凝材料ks-01胶结试块具有后期强度高的特点,矿山可根据井下采矿的作业制度进行相应的选择。

(4) 胶凝材料ks-01和ks-02胶结试块的抗压强度较42.5普通硅酸盐水泥增加了1~3倍,且充填料浆的坍落度、泌水性等指标无明显变化。

[1]周爱民.矿山废料胶结充填[M].北京:冶金工业出版社,2007.

[2]孙恒虎,黄玉诚,杨宝贵.当代胶结充填技术[M].北京:冶金工业出版社,2002.

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[4]王有团,杨志强,李茂辉,等. 新型充填胶凝材料全尾砂浆工作特性试验研究[J].矿业研究与开发,2014,34(07):63 ̄66.

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[6]肖柏林,杨志强,高 谦. 金川矿山磷石膏基新型充填胶凝材料的研制[J].矿业研究与开发,2015,35(01):21 ̄24.

2015 ̄03 ̄20)

周 宇(1990-),男,湖北武汉人,主要从事矿山充填和选矿试验研究工作。

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