金山店细粒铁尾矿固化造块试验

周 曼 李铁一 刘正强 罗文斌 雷国元 虞志平

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室;3.武钢矿业有限公司金山店铁矿)

经过固化造块的尾矿可以回填采矿塌陷区或堆存在排土场，实现尾矿不入库的目标。抗压强度和耐水性能是尾矿固化造块技术的2个重要指标。

目前，关于尾矿固化块的研究大都围绕固化剂的掺量、砂浆浓度、尾砂粒级、灰砂比及养护龄期等工艺指标展开［1-4］，旨在提高尾矿固化块强度，但对固化块的耐水性却不够重视。本试验以工业固体废物为胶凝材料，以尾矿产地附近硫酸厂余热为热源，对武钢金山店细粒铁尾矿进行了固化造块研究，探讨提高固化块力学性能和耐水性能的途径。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

(1)铁尾矿取自金山店铁矿，－88μm占80.8%，其中－38.5μm占60.8%，属于细粒尾矿。其主要化学成分见表1。

表1 金山店铁尾矿主要化学成分分析结果 %

(2)X为某厂工业固体废弃物经磨矿活化的产物，－50μm占99.57%。

(3)Y、Z为X的活性激发剂。其中Y是碱性激发剂，细度为－28μm占95%;Z为盐类激发剂，细度为－48μm占95%。

1.2 试验方法

尾矿固化造块流程见图1。试验所用尾矿含水率为30%，X、Y、Z按照一定的质量比混合制成固化剂，尾矿与固化剂混合后在一定温度下陈化一定时间，至含水率为17%左右时压制成型，固化块尺寸为 36 mm×36 mm，然后进行自然养护、蒸汽养护和蒸压养护。分别测定不同养护方式下固化块的抗压强度和水中浸泡24 h后的抗压强度。

图1 尾矿固化造块流程

2 试验结果与讨论

2.1 固化剂配方试验

2.1.1 Y用量试验

碱性激发剂Y用量(与固化剂+尾矿总质量之比)试验的X、Z掺量分别为固化剂+尾矿总质量(干基)的8.0%和1.0%，30℃下陈化后压制成型，压力为20 MPa，自然养护一定时间的干固化块的抗压强度见图2。

图2 Y掺量对干固化块抗压强度的影响

从图2可以看出，提高碱性激发剂Y的掺量，固化块的抗压强度先显著提高，这是由于提高固化块体系的碱度有利于加速X玻璃体的解聚和、的游离，促进、与溶液中的Ca2+化合生成水化硅酸钙类物质，水化产物(如水化硅酸钙、钙矾石等)的增加使固化块的结构致密、强度提高［5］。综合考虑，初步确定碱性激发剂Y的掺量占原料总质量的3.7%。

2.1.2 Z用量试验

盐类激发剂Z用量试验的X、Y掺量分别为固化剂+尾矿总质量的8.0%和3.7%，30℃下陈化后压制成型，压力为20 MPa，自然养护一定时间的干固化块的抗压强度见图3。

图3 Z掺量对干固化块抗压强度的影响▼—3 d;●—7 d

从图3可以看出，提高盐类激发剂Z的掺量，固化块的抗压强度先上升后下降。这是由于Z的掺入促进了X中SiO2与Ca(OH)2进行火山灰反应，生成稳定的水化硅酸钙凝胶和钙矾石等，改善了固化块内部结构，提高了固化块的强度与密实性［6］;当Z掺量过大时，钙矾石的量不断增加，Z的缓凝效应开始起作用，反而使得固化块的强度降低。因此，初步确定盐类激发剂Z的掺量占原料总质量的1.0%。

2.1.3 固化剂配方试验结论

上述试验结果表明，适宜的固化剂配方为X、Y、Z 的质量比 =8∶3.7∶1。

2.2 陈化温度试验

陈化温度试验的X、Y、Z掺量分别为固化剂+尾矿总质量的8.0%、3.7%和1.0%，陈化后压制成型，压力为20 MPa，自然养护一定时间的干固化块抗压强度见图4。

图4 陈化温度对干固化块抗压强度的影响▼—3 d;●—7 d

从图4可以看出，随着陈化温度的升高，尾矿固化块的抗压强度先增大后减小。这是由于陈化温度过低，胶凝体系的反应活性受到抑制，水化反应速度降低，固化块强度增长缓慢;而陈化温度过高，水分损失过快，前期水化反应时间过短，导致水化反应不够彻底，同样不利于后期强度的增长。因此，确定陈化温度为30℃，干固化块7 d的抗压强度为7.9 MPa，达到了金山店尾矿固化造块7 d的抗压强度不低于5.0 MPa的要求。

2.3 自然养护条件下的耐水性能试验

在保持2.1.3节固化剂配方不变的情况下调整固化剂、尾矿及水泥的用量进行固化块耐水性试验，试验的陈化温度为30℃，成型压力为20 MPa，试验结果见表2。

表2 耐水性能试验结果

从表2可以看出，这些自然养护的固化块耐水性能普遍不够，仅有增加固化剂总量的固化块耐水性能有所提高，其余固化块均出现大量的横向开裂;有固化剂的固化体系中掺入少量水泥可以提高干固化块7 d的抗压强度，但不能明显改善固化块的耐水性;水泥替代固化剂的效果不理想，导致干固化块7 d的抗压强度显著下降，主要是因为水泥水化速度快，其水化产物包裹在原固化剂颗粒表面，阻碍了后期水化反应的进行，因而强度下降。

造成固化块耐水性较差的主要原因是尾矿粒度太细，固化时体系中形成很多直径很小的毛细管，遇水时，毛细压作用产生很大的膨胀力，从而降低了固化块的抗压强度，甚至胀裂。因此，后续将探讨养护方式的改变对固化块耐水性的影响。

2.4 养护方式试验

2.4.1 常压蒸养时间试验

在进行常压蒸养时间试验前先进行了蒸汽温度试验，确定的常压蒸养温度为95℃。提高蒸汽温度有利于促进固化剂的溶解，加速水化反应的进行，水化产物量增加，固化块的抗压强度和耐水性提高［7］。

为了尽可能提高尾矿利用率，分别对占原料质量分数12.7%和11.1%固化剂的固化块进行了蒸汽养护时间试验。陈化温度为30℃，成型压力为20 MPa，95℃下进行蒸汽养护，固化块强度见图5。

图5 蒸汽养护时间对固化块强度的影响●—固化剂掺量为12.7%未吸水固化块;○—固化剂掺量为12.7%吸水饱和固化块;▲—固化剂掺量为11.1%未吸水固化块;△—固化剂掺量为11.1%吸水饱和固化块

从图5可以看出，在蒸汽养护初期，增加蒸汽养护时间可以提高固化块的抗压强度。固化剂掺量为12.7%的固化块蒸汽养护6 h干固化块和吸水饱和固化块的抗压强度分别达到7 MPa和3 MPa以上，满足金山店固化块强度指标要求(干固化块和吸水饱和固化块抗压强度分别大于5 MPa和3 MPa);固化剂掺量为11.1%的固化块蒸汽养护6 h干固化块和吸水饱和固化块的抗压强度分别低于5.0和2.0 MPa，不满足固化块强度指标要求。

2.4.2 高压蒸养时间试验

高压蒸养时间试验进一步提高了尾矿掺加比例。固化剂掺量分别为11.1%和9.6%，陈化温度为30℃，成型压力为20 MPa，高压蒸养温度为180℃、压力为1 MPa，固化块强度见图6。

图6 高压蒸养时间对固化块强度的影响

从图6可以看出，高压蒸养可以在短时间内显著提高尾矿固化块抗压强度和耐水性;2种固化块蒸压养护80 min即可满足固化块强度指标要求。这是由于在高压蒸汽环境下，X的活性得到更充分的激发，水化反应更完全，水化产物生成量增多;此外，在高压蒸养条件下，尾矿中的石英矿物与碱性激发剂生成水化硅酸盐凝胶，从而增加了固化块的密实度，降低了毛细管数量，使干固化块强度及耐水性显著提高。

2.5 成型压力试验

成型压力试验的固化剂掺量分别为11.1%和9.6%，陈化温度为30℃，高压蒸养温度为180℃、压力为1.0 MPa、时间为80 min，固化块强度见图7。

图7 高压蒸养下成型压力对固化块性能的影响

从图7可以看出，干固化块的抗压强度随成型压力增大而增大;吸水饱和固化块的强度随成型压力增大先增大后维持在高位。因此，确定固化块成型压力为25 MPa。

3 结论

(1)经磨矿活化的工业固体废弃物X在激发剂Y、Z激发下可以成为金山店细粒尾矿固化的胶凝材料，该固化剂的配方为 X、Y、Z 的质量比 =8∶3.7∶1，固化剂与尾矿质量比为12.7∶87.3。

(2)原料适宜的陈化温度为30℃。

(3)自然养护的固化块耐水性较差，蒸汽养护、蒸压养护可以显著提高固化块的耐水性能。

(4)固化块的成型压力为25 MPa时，固化剂的掺量可以进一步减少到9.6%，对应干固化块的抗压强度和耐水性均能满足指标要求。

［1］ 刘 磊，吕宪俊，王桂芳，等．铁矿全尾矿胶结充填强度正交回归试验研究［J］．金属矿山，2008(10):29-31.

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