全尾砂新型胶凝材料的现场力学试验*

魏 微 高 谦 杨志强

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室;3.金川集团股份有限公司)

随着工业社会的发展，矿产资源开采利用引发的环境破坏和废物排放，已成为相当严峻的环境问题［1-3］。矿山废料胶结充填可以消除或减少矿山固体废料的排放，提高资源回收率，有效保护地表完好，切实解决深部地压控制［4-5］。目前矿山胶结充填的主导胶凝材料是水泥，水泥材料费用一般占充填成本的60% ～70%以上［6］，减小水泥用量或寻求廉价胶结剂是节约充填成本的主要途径。一些矿山开始寻找廉价的、具有胶凝性能的工业副产品来代替或者部分代替水泥，如水淬高炉矿渣、粉煤灰和赤泥［7-8］。本试验所用的全尾砂新型胶凝材料是课题组自主研发的，是以工业废渣水淬高炉矿渣为主要材料，以石灰加脱硫石膏为复合激发剂，并添加试验室自配的外加剂制成。新型胶凝材料的生产原料主要是“工业废渣”，变废为宝，属“三废”利用循环经济项目;而且材料强度高，有利于环境保护，适于扩大其应用范围。通过前期的室内试验已经确定了新型胶凝材料的最佳配合比，而且新型胶凝材料充填体的强度远远高于32.5#水泥充填体的强度，可以完全取代水泥作为矿山废料的胶结剂。试验室和井下采场的环境及条件等都存在很大的差别，为了验证开发的新型胶结材料在井下养护条件的稳定性、可靠性，在应用于工业生产之前，本研究进行了新型胶凝材料的现场试验。

1 试验原材料和方法

1.1 试验原材料

本试验所用原料主要有水、新型胶凝材料(水淬高炉矿渣、石灰、脱硫石膏、试验室自配外加剂)、尾砂和水泥。

水取自石人沟铁矿采场。

水淬高炉矿渣取自唐钢唐龙(唐昂)新型建材有限公司，其化学成分见表1。X射线衍射(XRD)分析如图1。

表1 矿渣化学组成 %

图1 矿渣XRD图谱

由图1可以看出，矿渣为结晶较差的玻璃体，表现在XRD谱图上是2θ为30°附近的一个弥散峰。取样采用激光粒度分析仪，对水淬矿渣粉进行粒度分析，粒径的特征参数见表2。

表2 填料与胶凝材料的粒度测试结果

石灰采用唐山周边地区普通石灰窑烧制的石灰。

脱硫石膏取自唐山丰润新区热电厂，外观呈浅黄色，XRD分析结果表明其主要相是 CaSO4·2H2O，未见其他结晶相。粒径的特征参数见表2。

尾砂为石人沟铁矿全尾砂，粒径的特征参数见表2，尾砂的化学成分见表3，SEM显微形貌见图2。

图2 尾砂SEM照片

水泥为石人沟铁矿充填站使用的32.5#水泥。

表3 尾砂充填料化学组成 %

1.2 试验方法

采用新型胶凝材料和矿山使用的32.5#水泥2种胶凝材料，进行不同胶砂比和不同质量浓度的全尾砂充填胶凝材料的强度试验，对比分析2种胶凝材料对尾砂的固化能力，以此验证开发的新型胶凝材料的可靠性、稳定性以及对尾砂优越的固结能力。新型胶凝材料的配合比均采用试验室确定的最佳配合比，试件的成型尺寸为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，在充填井下养护，井下养护28 d后测试块的单轴抗压强度，取3块试样的平均值记录结果。

2 现场试验结果

2种胶凝材料全尾砂充填体的28 d单轴抗压强度如表4所示。

表4 全尾砂充填体强度试验结果

基于表4所示的试验数据，可以获得以下几点结论:①新型充填胶凝材料全尾砂试块强度与32.5#水泥材料的全尾砂试块强度之比均大于1，说明开发的新型胶凝材料对全尾砂的固化能力优于32.5#水泥。②胶砂比在1∶5～1∶20的条件下，砂浆浓度在66% ～72%的范围内，最小值1.53，最大值为3.54。③在低胶砂比的条件下(＜1∶10)，新型充填胶凝材料性能更高。

3 充填体强度随浓度的变化规律

在不同胶砂比条件下，充填体28 d单轴抗压强度随料浆质量浓度的变化曲线如图3所示。

图3 强度随浓度变化曲线◆—新材1∶5 胶砂;■—水泥1∶5 胶砂;▲—新材1∶8 胶砂;× —水泥1∶8 胶砂;▲—新材1∶10 胶砂;●—水泥1∶10 胶砂;○—新材1∶15 胶砂;△—水泥1∶15 胶砂;□—新材1∶20 胶砂;◇—水泥1∶20胶砂

由图3看出:①新型胶凝材料充填体和水泥充填体的单轴抗压强度随着料浆质量浓度的提高基本呈线性增长趋势，浓度越高强度越大。②新型胶凝材料1∶10胶砂比的充填体强度略高于32.5#水泥1∶5胶砂比为的充填体强度;高出值随浓度的提高而增大。③新型胶凝材料1∶20胶砂比的充填体强度与32.5#水泥1∶10胶砂比的充填体强度相当。

4 充填体强度随胶砂比的变化规律

在不同质量浓度条件下，充填体28 d单轴抗压强度随胶砂比的变化曲线如图4所示。

图4 强度随胶砂比变化曲线

由图4可看出:①充填体的强度随着胶砂比的提高而提高，提高曲线为折线型;水泥充填体在高胶砂比(1∶8～1∶5)条件下强度增长速度快，新型胶凝材料在低胶砂比(＜1∶10)条件下强度增长速度快。②相同胶砂比，新型胶凝材料最低质量浓度68%的充填体强度高于32.5#水泥最高质量浓度72%的充填体强度。③新型胶凝材料充填体的强度是相同质量浓度下32.5#水泥充填体强度的2倍以上。

5 结论

(1)经过现场的力学试验，证明开发的新型胶凝材料在任何胶砂比和砂浆质量浓度的条件下，全尾砂浆胶结充填体强度均高于相同条件下的32.5#水泥胶凝材料。

(2)胶砂比1∶8，新型胶凝材料充填体的强度是32.5#水泥材料充填体强度的3倍以上。当砂浆质量浓度为66%时，28 d的单轴抗压强度已经达到2.7 MPa，满足矿山对充填体强度的设计要求。

(3)根据初步计算，采用小于1∶8胶砂比的新型胶凝材料，1吨新型胶凝材料至少可以替代2 t以上的32.5#水泥材料。

(4)新型胶凝材料充填体的强度高，原料成本低，绿色环保，为矿山尾矿的资源化利用找到了一条新途径。

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