新型工业废渣-尾矿基胶结充填材料的抗压性能研究

杨明录　刘允秋

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.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)



·材料·装备·

新型工业废渣-尾矿基胶结充填材料的抗压性能研究

杨明录1,2,3刘允秋1,2,3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.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)

为缓解高炉渣、尾矿等工业废渣的大量堆存对环境的危害，降低矿山开采胶结充填成本，探讨以尾矿和高炉渣、石膏、赤泥等工业废渣为主要原材料，以固体水玻璃为激活剂，制备新型工业废渣-尾矿基胶结充填材料的试验。得出最佳配方为：浆料浓度70%、灰砂比1∶3.89，高炉渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固体水玻璃7.41%，并对高炉矿渣在胶结充填中的胶凝机理进行了研究，对尾矿资源再利用及工业生产具有重要的指导意义。

胶结充填尾矿高炉渣正交试验

社会经济的迅速发展加速了对矿产资源需求，导致了日益严峻的环境问题和资源短缺问题[1]。提高资源的利用效率，实现对尾矿资源的综合利用，不仅可以减少尾矿对生态环境的破坏，也减少建设尾矿库占用土地及企业投资，提高企业的利润空间。目前我国各地积存数以百亿吨计的尾矿，利用率极低。

尾矿胶结是提高尾矿资源利用率的有效途径之一，尾矿胶结充填材料大多都是以水泥作为胶结剂[2]，但充填成本过高。为降低尾矿胶结充填成本，本文探索利用高炉渣、石膏、赤泥等工业废渣，制备工业废渣-尾矿基新型胶结充填材料。

1　原材料与试验方法

1.1试验原材料

本试验采用高炉矿渣、石灰、石膏、赤泥、姑山矿铁尾矿和固体水玻璃为原材料，制备尾矿胶结充填材料。其中高炉矿渣取自于马鞍山市中天新型建材有限公司，其生产的矿渣微粉符合《GB/T18046—2008》标准中S95级别要求。各原材料的化学组成见表1。

表1　各原料的化学成分分析(质量分数) %

1.2试验设备

JJ-5型水泥砂浆搅拌机；振动台，振幅0.3～0.6mm，振动频率2 860次/min；SHBY-40B型数控水泥混凝土标准养护箱；QJ-211S电子万能试验机；模具，尺寸为20mm×20mm×20mm六联；电子称，1 000g/0.1g。

1.3试验方法

分别称取一定量的尾矿、赤泥、石膏、高炉矿渣、石灰、固体水玻璃和水，加入到水泥胶砂搅拌机中搅拌，在砂浆混合均匀之后加入到20mm×20mm×20mm的六联模具中，放在震动台上震动成型，将模具放入标准养护箱中养护24h，脱模后在常温下养护至3,7,28d后检测其抗压性能。尾矿砂浆充填材料试块的制备及抗压强度检测工艺流程见图1，试块制作、养护及测试过程见图2。

图1　尾矿胶结充填材料试块制备及抗压强度检测流程

图2　实验室试块制作及强度测试

2　正交试验设计与结果分析

影响尾矿胶结充填材料抗压性能的因素众多，在前期大量探索性试验的基础上，固定浆料浓度为70%，按照表2中所选的因素与水平，制备工业废渣-尾矿基新型胶结充填材料试块，分别养护至3，7，28d测试其抗压性能。选取的各因素与水平见表2，对应L9(34)正交试验结果记录见表3，L9(34)正交试验结果极差分析见表4。

g

表3　L9(34)正交试验结果

表4　L9(34)正交试验结果极差分析MPa

根据表4可以得出，对于试块而言，7d中期抗压强度与28d后期抗压强度的影响因素顺序均为A>B>C>D；但对于试块3d前期抗压强度的影响顺序为C>A>B>D。

不同龄期试块的抗压强度所对应的优方案也不同，但可以通过综合平衡法得到，具体的平衡过程如下：

因素A：对于试块的中期强度与后期强度都是取A1水平较好，而且对于中期与后期强度而言，A因素都是最主要的因素，因此在确定优方案时应作重点考虑。对于早期强度极差分析表中K1与K2相差不大，因此综合考虑A因素对各指标的重要程度，选取A1。

对于因素B与因素C，其水平对试块早期强度、中期强度与后期强度的影响具有一致性，因此，因素B与因素C的水平均取B1C3。

因素D与因素A的综合平衡分析方法基本一致，试块早期强度与中期强度都是取水平D2较好，后期强度倾向于D1，在满足试块试验设计强度的基础上，从成本方面考虑，应增加尾矿的使用量，既可以降低尾矿胶结充填材料成本，又可以提高尾矿利用率，因此，综合考虑之后选取水平D2。

综上所述，确定最终的优方案为A1B1C3D2∶浆料浓度70%、灰砂比1∶3.89，高炉渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固体水玻璃7.41%。

3　高炉矿渣胶凝机理

石灰与水发生反应：CaO+H2O→Ca(OH)2，

高炉渣中活性玻璃体与Ca(OH)2发生如下反应：

活性SiO2+Ca(OH)2(aq)→CaO·SiO2(aq)，

活性Al2O3+Ca(OH)2(aq)→CaO·Al2O3(aq),

体系中存在的石膏也会发生如下反应：

活性Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4·2H2O)(aq)→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O[5]。

4　结　论

(1)通过对试验的分析研究，选定以石灰、尾矿、石膏、高炉渣为主要原材料，以固体水玻璃为激活剂，制备新型工业废渣-尾矿基胶结充填材料。

(2)制备新型工业废渣-尾矿基胶结充填材料的最佳配方为：浆料浓度70%、灰砂比1∶3.89，高炉渣78.70%、石灰11.11%、石膏2.78%、固体水玻璃7.41%，其中对早期强度影响最大的为固体水玻璃含量，对中期与后期强度影响最大的为高炉渣含量。

(3)本试验研究制备的新型工业废渣-尾矿基胶结充填材料，工业废渣所占的比例为98.48%，充分利用了废弃尾矿，提高了石膏、高炉渣等工业废渣的利用率，减少了石膏、高炉渣等工业废渣对环境的污染，符合当前国家所倡导的环境节约型、资源节约型的发展理念，对工业生产具有重要的指导意义。

[1]朱明,刘志强.某选铁尾矿制备胶凝材料的研究[J].中国矿山工程,2012(4)：14-17.

[2]何哲祥.全尾砂胶结充填技术的研究与实践[J].中国有色金属学报，1998(12):739-744.

[3]吴期生.碱高炉渣水泥的研究与发展[J].中国建材科技，1999(1):1-9.

[4]尹裕.矿山新型胶结充填材料的试验研究[J].现代矿业，2011(8):29-31.

[5]牛福生,聂铁苗,张锦瑞.地质聚合物中常用的矿渣激发剂及激发机理[J].混凝土，2009(11):83-85.

StudyontheCompressivePerformanceofaNewTypeCemented-FillingMaterialBasedonIndustrialWasteSlagandTailings

YangMinglu1,2,3LiuYunqiu1,2,3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines;3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficientCyclicandUtilizationofMetallicMineralResourcesCo.,Ltd.)

Inordertoalleviatetheharmofthestockpilingofblastfurnaceslagtoenvironmentandreducethecostminingcementedfilling,thetailings,blastfurnaceslag,gypsum,redmudandotherindustrialwasteslagaretakenasthemainrawmaterials,thesolidsodiumsilicateistakenastheactivatortoconducttheexperimentofproductingthenewcemented-fillingmaterial.Theexperimentalresultsshowthattheoptimalformularofthenewcemented-fillingmaterialincludingslurryconcentration(70%),cementsandratio(1∶3.89),blastfurnanceslag(78.70%),lime(11.11%),gypsum(2.78%)andsolidsodiumsilicate(7.41%),besidesthat,thegelationmechanismofblastfurnaceslaginthenewcemented-fillingmaterialisalsoanalyzedindetail,theaboveanalysisresultshavesometheimportantinstructionsignificancetotheresourcesreutilizationandindustrialproduction.

Cementedfilling,Tailings,Blastfurnaceslag,Orthogonaltest

2016-03-09)

杨明录(1990—)，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。