钢渣基复合充填胶凝材料开发及配比优化

路燕泽，王立杰，王社光，王庆刚，何 伟

(河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司，河北 邢台 054100)

近年来，以安全、环保著称的尾砂胶结充填采矿法被大力应用和推广。但充填采矿法具有工序多、工艺复杂、成本高等特点，直接影响矿山的经济效益[1-3]。国内外学者利用固废资源进行了大量新型胶凝材料研发工作，分别利用磷石膏、粉煤灰、脱硫灰渣、赤泥和矿渣开发胶凝材料，不仅满足强度要求，而且降低了充填成本，减少了地表固体废弃物堆存，保护了生态环境[4-13]。此外，还有研究基于BP神经网络和正交试验，利用BP神经网络进行充填料配比优化研究，以获得最佳成本[14-15]。目前，高品质矿渣已在国内得到充分利用，但由于钢渣易磨性差、活性低以及具有体积膨胀性等属性，利用率仍小于30%。 我国每年有超过1亿t的钢渣排放，大量堆存处理，不仅造成资源浪费，而且还会污染环境。因此，利用钢渣开发充填胶凝材料具有重要意义及应用价值，是冶金矿山行业绿色可持续发展的迫切需要。

本文在前人研究的基础上，以某铁矿选矿全尾砂为骨料，协同利用钢渣、矿渣及脱硫石膏等固废资源，开发出满足要求的新型低成本钢渣基复合胶凝材料并进行配比优化，以获得更大的经济效益，为冶金矿山绿色清洁生产探索出一条新的途径。

1 试验材料物化特性

1.1 全尾砂

试验采用某铁矿全尾砂作为骨料，对其物化特性进行分析，采用XRF分析其成分，结果见表1。由表1可以看出，取样全尾砂二氧化硅含量为30.55%、氧化钙含量达35.89%、三氧化二铁含量为10.57%。同时，进行全尾砂粒径级配分析，分析结果见表2，全尾砂粒径级配分析如图1所示。由表2和图1可以看出，全尾砂粒径中值粒径为22.66 μm，全尾砂粒径较小，含泥量较高，属于中细尾砂充填骨料。 其比重为2.97，渗透系数为3.667×10-5cm/s，为低渗透尾砂。

图1 全尾砂粒径级配分析Fig.1 Analysis of grain size grading of tailing

表1 全尾砂主要化学组成Table 1 Main chemical composition of tailing

表2 全尾砂粒径分布特征值Table 2 Characteristic value of particle size distribution of tailing 单位：μm

1.2 胶凝材料

以矿山周边的固废资源，如钢渣、矿渣和工业副产脱硫石膏为原料开发新型胶凝材料，其主要成分见表3，粒径级配分析如图2所示。由表3和图2可以看出，钢渣粉碱度系数为2.04，属于中碱钢渣；矿渣粉碱度系数为0.93<1.00，质量系数为1.85≥1.80，活性系数为0.46≥0.30，属于酸性矿渣。三者的细度(45 μm筛余)分别为7.3%、0.5%和13.0%，均满足试验要求。

表3 胶凝材料物化特性分析结果Table 3 Analysis results of physicochemical properties of cementitious material

图2 胶凝材料原料粒径级配分析Fig.2 Analysis of particle size gradation of cementitious material

2 新型胶凝材料配比试验

根据前期试验，基本确定钢渣掺量为40%～45%时强度较高，在此基础上按照矿渣掺量39%～54%、脱硫石膏6%～16%、胶砂比1∶4、浓度66%制备充填料浆试块进行标准养护。C1试块为胶砂比1∶4的42.5普通硅酸盐水泥胶结充填体，其7 d强度和28 d强度见表4，根据表4绘制图3。由图3可知，钢渣粉掺量分别为40%和45%，随着脱硫石膏掺量的增加，7 d强度和28 d强度均先增大后减小。二次多项式的拟合曲线同样显示出相同的规律，并且通过求极值获得钢渣掺量40%时，脱硫石膏最优掺量为10%；而钢渣掺量45%时，7 d强度取得极值时，脱硫石膏最优掺量为10%，28 d强度取得极值时，脱硫石膏最优掺量为11%。无论哪种掺量其强度均高于PO.42.5水泥胶结体强度。

图3 脱硫石膏掺量对胶结体强度的影响Fig.3 Influence of the content of desulfurizedgypsum on cement strength

表4 胶结充填体强度试验结果Table 4 Strength test results of cemented filling body

3 新型胶凝材料配比验证试验

根据上述试验研究结果可确定胶凝材料最佳配比为钢渣粉∶脱硫石膏∶矿渣粉=4∶1∶5。为验证其可靠性，开展不同胶砂比和充填料浆浓度的胶结体强度验证试验，为充填采矿设计提供依据。其中，胶砂比分别为1∶4、1∶5、1∶6和1∶8，料浆质量浓度分别为58%、60%、62%、64%、66%。具体试验方案和试验结果见表5。

表5 胶结充填体胶砂强度试验结果Table 5 Strength test results of cemented backfill mortar

图4为7 d、28 d胶结充填体强度与充填料浆浓度的关系曲线。由图4可知，胶结充填体强度随料浆浓度和胶砂比提高而线性增加；在满足充填料浆管道输送的条件下，应尽可能提高充填料浆的浓度；当胶砂比1∶4和料浆浓度58%时，28 d充填体强度为2.54 MPa>2.50 MPa；当胶砂比1∶6和料浆浓度为58%时，28 d充填体强度为1.2 MPa>1.0 MPa，分别满足一步采场和二步采场充填体强度要求。

图4 胶结充填体胶砂强度与料浆浓度的关系Fig.4 Relationship between the strength of cemented backfill mortar and slurry concentration

4 新型胶凝材料全尾砂料浆稳定性测试

在上述研究基础上，开展不同浓度和胶砂比的充填料浆稳定性试验，主要包括泌水率及分层度的测试， 试验结果见表6， 对其进行分析， 结果如图5所示。由图5可知，料浆泌水率随着料浆浓度的增大而减小，分层度随着料浆浓度的增大而减小。当胶砂比在1∶4～1∶5和料浆浓度在60%～66%范围内，钢渣基固结粉全尾砂充填料浆的泌水率<3.2%、

表6 料浆稳定性试验结果Table 6 Test results of slurry stability

图5 料浆浓度对料浆稳定性的影响Fig.5 Effect of slurry concentration on slurry stability

分层度<3.9 cm，充填料浆满足稳定性要求，无离析现象。

5 回归分析及充填料浆配比优化

5.1 回归分析

以表6和表7为样本进行二次多项式逐步回归分析，可获得7 d强度、28 d强度、泌水率和分层度与胶砂比、料浆质量浓度的回归函数，见式(1)～式(4)。

R7 d=4.94-6.47x1-0.24x2-21.28x12+

0.002 2x22+0.382x1x2

(1)

R28 d=4.29-35.59x1-0.16x2-4.66x12+

0.001 2x22+0.842x1x2

(2)

M=-7.85-75.26x1+1.07x2-

0.013x22+0.893x1x2

(3)

F=114.02-84.33x1-3.08x2+88.11x12-

0.022x22+0.645x1x2

(4)

式中：R为抗压强度，MPa；x1为胶砂比；x2为料浆质量浓度，%；F为分层度，cm；M为泌水率，%。

5.2 充填料浆配比优化

在满足强度要求的前提下进一步优化充填成本，建立料浆配比优化函数见式(5)，计算得到最佳优化方案：料浆浓度64%、胶砂比1∶5，胶凝材料成本53.9元/m3，折算成干粉成本245元/t。 进行试验验证后得到7 d强度1.32 MPa、28 d强度2.68 MPa、分层度3.7 cm、泌水率3.2%，满足采矿需求，且成本比PO.42.5水泥低约35%。

minZ=290c1+3.3c2+12c3

(5)

式中：minZ为成本；c1为矿渣量，kg/m3；c2为用水量，kg/m3；c3为尾砂量。

6 结 论

1) 对试验材料全尾砂进行物化分析，其主要成分为二氧化硅、氧化钙、三氧化二铁，含量分别为30.55%、35.89%、10.57%；全尾砂粒径主要分布在10～100 μm的范围内，中值粒径为26.7 μm，属于中细尾砂充填骨料。

2) 根据试验及极值分析，钢渣粉掺量40%和45%，随着脱硫石膏掺量的增大，其7 d和28 d胶结体强度均先增大后减小；根据二次多项式回归极值分析，并经试验验证，确定钢渣-矿渣复合充填胶凝材料优化配比为：钢渣粉∶脱硫石膏∶矿渣粉=4∶1∶5，其胶结体强度高于PO.42.5水泥。当胶砂比1∶4和料浆浓度为58%时，充填体28 d强度为2.54 MPa>2.5 MPa。

3) 为进一步降低充填成本，建立料浆配比优化函数关系式并计算获得最低成本优化方案：胶砂比1∶5、料浆浓度64%，钢渣基复合充填胶凝材料成本低于PO.42.5水泥约35%。