铅锌尾矿新型胶凝材料的制备与性能*

刘　龙　徐修平，3　杨晓军，3　华　超，3　华绍广

(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)



铅锌尾矿新型胶凝材料的制备与性能*

刘龙1，2徐修平1，2，3杨晓军1，2，3华超1，2，3华绍广1，3

(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

摘要针对铅锌尾矿浓度低、含水量高、尾砂含泥质量分数高、粒度低的特点，通过研究充填体作用机理，试验制备出一种通过激活剂激活水淬渣的新型胶凝材料。通过对不同浓度不同养护龄期新型充填料的强度测试和化学机理探究，试验研究结果表明：新型充填料在不同浓度下，早期强度略高于水泥胶结料，后期强度大于水泥胶结料，且流动性好，用量少，成本低，满足矿山要求。

关键词铅锌尾矿胶凝材料粒度抗压强度

由于资源需求在世界范围内的快速增长，采矿正由地表向地下深层发展。充填采矿法由于其在提高资源回采率，防止地质灾害和减少尾矿处理费用等方面的优势，已经成为地下开采的主要方式。现在使用的胶结充填方式，其成本主要来源于购买胶凝剂，占整个采矿成本的1/3左右。所以，性能好、价格低的胶凝材料成为提高矿山经济效益的重要因素[1]。

胶凝材料主要有水泥、高水固结材料、水泥+矿渣、新型胶凝材料等几种类型，而水泥是目前大多数矿山使用的胶凝剂[2-3]。南京银茂铅锌矿业使用水泥为胶凝材料，标号为425。但实际充填存在以下技术难题，其全尾矿中含泥量高、力学性能差，难以固化且抗压性能差；尾矿颗粒细，水的表面张力大，颗粒间含水量高，也不易于固化、早强较差。实际充填只能通过提高胶凝剂与尾矿的充填比例来解决这些技术难题，导致了充填成本变高。所以，为解决上述关键技术问题，进行了低成本、符合生产要求的新型胶凝材料的制备研究。

1新型尾矿胶结材料

高炉水淬渣具有潜在的胶凝活性，所以以水淬渣为胶凝材料的主要组成成分，开展激活剂的试验研究。

1.1高炉水淬渣

高炉熔炼生铁时产生的浮在铁水表面的熔融物，经过水淬急冷处理，成为灰色颗粒状态，质地疏松多孔，即为水淬渣。选用马鞍山石溪野生产的水渣作为原料，主要活性成分为SiO2、MgO、CaO、Al2O3，其化学成分分析结果见表1。

表1水淬渣化学成分分析结果

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1.2水淬渣活性激发

水淬渣的活性激发过程分为物理活化和化学激发。物理活化是通过研磨使其达到足够的细度，研究表明水淬渣粒度越细活性越高，其粒径在30 μm左右即能展现很高的活性，当其粒径小于10 μm的质量分数越大，对早期强度越有利。化学激发则是通过添加碱性激活剂，与其混合磨细，激发其潜在的水化胶凝性能。

2试验方法

2.1试验原材料

试验原材料有水淬渣、激发剂、烘干的尾矿及水。

2.1.1水淬渣

选用石溪野已经磨细的水淬渣(以下简称微粉)，通过马尔文2 000激光粒度仪分析其粒度，粒度分布结果见表2。

表2　粒径分析结果

由表2可知，微粉粒径基本在100 μm以下，30 μm以下的质量分数达到69.51%，满足试验要求。

2.1.2激发剂

通过试验室前期试验优化出符合工程需要的化学激发剂，其主要成分为碱性化学原料及少部分早强剂和助磨剂等。

2.1.3细粒全尾砂

试验用的尾砂为南京银茂铅锌矿尾砂，化学成分见表3，粒径分析见表4。

表3全尾砂化学成分分析结果

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表4　全尾砂粒径分析结果

由表3、表4可知，尾砂的主要化学成分为Al2O3、SiO2，Fe2O3；粒径-20 μm细泥质量分数达到36.48，而-37 μm 尾砂质量分数高达56.27%，可见该尾砂粒度超细。

2.2试验方法

将水淬渣、激发剂混合磨细至比表面积为5 000 cm2/g以上的混合体，即为新型胶凝材料，然后按要求进行试验，试验同时设计了矿用425水泥作为对比胶凝材料的试验，胶结剂(含新型胶凝材料和水泥)加水和尾砂混合均匀后按照国标 GB 177—85 水泥胶砂试验方法进行搅拌，注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 标准三联试模中，并放入养护箱中养护，养护箱中设定温度为(20±1)℃、湿度为 92%以上，24 h脱模后继续养护，最后测定不同龄期试件的单轴抗压强度。

3试验结果及分析

3.1新型胶凝材料性能分析

(1)养护龄期对充填体试块抗压强度的影响和分析。对不同养护龄期的试块进行抗压强度测试，能够直接反映出固化剂对尾矿的固化情况，对指导生产有着重要的意义。不同养护龄期充填体试块抗压强度测试结果见表5。

表5　不同龄期充填体抗压强度

由表5可知，在新型胶凝材料用量只要水泥一半的情况下，新型胶凝材料充填体虽然3 d的抗压强度(满足矿山要求)略低于水泥充填体，但是7 d和28 d的抗压强度均大于水泥，特别是28 d的抗压强度，优势明显。

(2)浓度对充填体试块抗压强度的影响和分析。向尾矿中加入不同量的水，配成不同浓度的矿浆，再按比例加入胶凝剂，考察不同尾矿浓度对充填体强度的影响，试验测试结果见表6。

表6　不同浓度充填体抗压强度

由表6可知，在新型胶凝材料用量只有水泥一半的情况下，养护龄期为28 d时，新型胶凝材料充填体在不同尾矿浓度时其抗压强度均大于水泥充填体；可见，新型胶凝剂比水泥有着更良好的胶凝固化能力。

3.2新型胶凝材料水化机理浅析

新型胶凝材料属于碱激发矿渣胶凝材料，即利用活性化学激发剂激发水淬渣的潜在胶凝性能[4-5]。石灰与水反应形成Ca(OH)2，水淬渣中的SiO2、Al2O3将与Ca(OH)2反应形成水化产物CaO·SiO2·aq和CaO·Al2O3·aq。固化剂的水化物包围尾矿颗粒，在这些水化物中有的自行继续硬化形成骨架，有的与尾矿颗粒作用生成络合物，最终相互连接形成稳定的空间网状结构，从而增强尾矿颗粒间的黏结强度和稳定性。

4结论

新型胶凝剂相比水泥用量少，且胶凝性能优于水泥，能够解决颗粒细而导致的尾矿难以胶结及胶结强度不高的问题。既能有效降低采矿充填成本，又可保证矿山在安全开采的前提下增大尾矿的处理量，减少尾矿排放，减少地表尾矿库的堆存量，降低尾矿库的潜在危险，提高了资源利用效率，社会效益显著。该固化剂利用工业废料为主要原料，原料充足，可长期有效保证固化剂低成本优势。

参考文献

[1]陈杰，倪文，张静文.以冶金渣为胶凝材料的全尾砂胶结充填料的制备[J].现代矿业，2014(11)：171-174.

[2]刘宝友.矿山充填料的选择与应用[J].现代矿业，2010(2)：123-124.

[3]赵传卿，胡乃联.充填胶凝材料的发展与应用[J].黄金，2008(1)：26-27.

[4]董璐，高谦，南世卿，等.超细全尾砂新型胶结充填料水化机理与性能[J].中南大学学报：自然科学版，2013(4)：1572-1576.

[5]王海军，刘秋晓，徐鹏.尾矿规模化利用经济分析与实例[J].金属矿山，2014(9)：147-148.

(收稿日期2015-11-30)

*科研院所技术开发研究专项资金项目(编号：2014EG213184)。

刘龙(1988—)，男，硕士研究生，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。