粉煤灰充填胶凝材料及其应用

陈贤树，杨春保

(1.中国新型建材设计研究院，杭州310003;2.合肥水泥研究设计院，合肥230051)

由于粉煤灰固有的火山灰活性和自硬性，在常温常压下能与石灰等碱性物质生成具有胶凝特性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而产生强度。在尾矿胶结充填过程中，加入一定量的粉煤灰或者以粉煤灰为主的充填胶凝材料，既可以增加充填体的龄期强度，又可以提高充填体的抗渗性和耐久性。此外，由于粉煤灰在充填体中具有超出火山灰活性的特殊物理功能，例如粉煤灰的减水功能、增加浆体的体积功能、填充浆体粗骨料空隙功能、调节胶凝量和胶凝过程的功能，以及与水泥整体的协和功能等，起到了使充填体性能改善和质量提高的作用。

1 粉煤灰作充填胶凝材料

目前，国内外矿山胶结充填中大都用水泥作为唯一或主要胶固剂[1]，以尾矿(全尾砂或分级尾砂)或其它废石(煤矸石、碎石等)作骨料与水拌合成可管道输送的混合料(料浆浓度65% ～80%)。理论和实践证明:影响这种混合料(胶结充填体)强度的因素主要是胶固剂用量、充填浓度和尾矿或废石的细度(粒度)。因此，减少水泥用量、提高胶固剂固结能力、尽可能提高充填浓度、合理配置尾矿或者废石的细度或粒度是降低矿山充填成本的重要途径，其中水泥或者胶固剂的用量是影响成本的主要因素之一。如何降低充填成本，尽可能降低水泥或胶固剂的用量是能否大面积推广胶结充填采矿法的关键。据统计，我国目前采用胶结充填法开采的地下矿山，其充填成本占采矿总成本的40%左右，其中水泥或者胶固剂几乎占充填成本的一半。目前过高的水泥价格及用量对大面积推广胶结充填采矿法十分不利，同时由于水泥在水化过程中产生大量的水化热，使用水泥胶结充填后，在大体积充填体内部热量无法释放，热量聚集到一定程度后，充填体内部开始膨胀，并使充填体产生裂纹，从而影响充填体的强度和充填效果。因此寻找价格低廉，性能优异的水泥代用品，以减少胶固剂用量和提高充填质量是推广充填采矿法的主要途径。

采用粉煤灰为主要原料生产的矿山充填胶凝材料，部分替代水泥或全部代替水泥，以降低充填成本，提高充填体质量，曾是国家“九五”科技攻关项目，并取得了一定的成果，在国内部分矿山开始使用。。以电厂粉煤灰作为水泥替代品代替部分水泥或全部水泥用于尾矿胶结充填，通过分析其物理与化学特征及水化反应机理，以及与水泥胶结充填的大量对比试验和在金属矿山尾矿充填的实际使用，证明粉煤灰是一种良好的充填胶固剂，用于矿山胶结充填时明显降低胶固剂的用量，同时改善了充填体的质量。

1.1 主要充填材料物理、化学性能

试验所用尾砂为安徽霍邱某矿业公司3#选矿厂的全尾砂，密度为3.10g/cm3，标准稠度30%。粉煤灰为附近阜阳发电厂的干排灰。其主要物理性能及化学成分见表1，表2，表3。

表1 粉煤灰及全尾砂的主要化学成分/%

表2 粉煤灰及全尾砂级配/%

表3 粉煤灰及全尾砂的物理性质

粉煤灰和全尾砂的物理力学性能及化学成分检测结果表明:粉煤灰CaO含量2.13%，属于低钙灰，但是SiO2+Al203的含量达到71.02%，属于火山灰活性较好的灰。完全可以作为水泥代用品替代部分水泥，或者以粉煤灰为主的充填胶凝材料全部替代水泥，以满足充填体对充填强度的要求。同时由于粉煤灰密度小，当掺入一定量后，将减轻充填体重量，有利于降低水泥消耗，节约充填成本。

1.2 粉煤灰胶凝机理

粉煤灰是具有一定活性的火山灰质材料，其化学成分主要是 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和未燃烧的碳粒等[2]。从化学成分上看，粉煤灰属于 CaO－SiO2－Al2O3三元系统，其活性主要由SiO2、Al2O3的含量决定。粉煤灰的矿物相组成主要是铝硅玻璃体，还有α－SiO2和莫来石(3Al2O3·SiO2)等晶体矿物及未燃尽的碳粒。铝硅玻璃体的含量在70%以上，是粉煤灰体现活性的主要组成部分，一般条件下，玻璃体量越多，活性越高。而普通水泥中主要矿物为 C2S、C3S、C3A、C4AF、CaSO4等。在水泥、粉煤灰、尾砂料浆中，粉煤灰的化学反应包括粉煤灰自身的水化和与水泥的水化。粉煤灰自身的水化能力与氧化钙的含量关系很大，高钙粉煤灰通常加水后能有比较强烈的反应，而低钙粉灰这种水化反应则比较弱。硬化前期，硬化主体是在数量上和能量上都占优势的水泥的水化，硬化后期，粉煤灰才开始表现出优良的火山灰性质。在料浆反应过程中，C2S、C3S反应速度较快，并生成大量的Ca(OH)2，由于Ca(OH)2及 CaSO4的存在，可促使粉煤灰水化反应的加速进行。一般情况下粉煤灰初始阶段水化较慢，在后期才开始加速反应，相应的充填体早期强度不高，后期强度显著提高。因此，粉煤灰可作为充填料的一种基本材料，既起到“微集料”效应，又在作用上表现为“低标号水泥”，共同优化充填体结构。鉴于粉煤灰的活性胶凝作用，实践中可以将粉煤灰用于矿山胶结充填，一方面可以大大降低矿山充填成本，提高充填体的强度，改善充填效果，另一方面还可以使粉煤灰这一固体废弃物得到极大的利用，减少由于其排放造成的环境污染。当其它条件一定时，龄期强度随着粉煤灰耗量的增大而增大，与此同时，流动性能却有所下降。因此，实际过程中，应权衡充填体的强度与流动性，确定合适的粉煤灰用量范围。

2 粉煤灰充填胶凝材料的应用

2.1 粉煤灰充填胶凝材料生产线简介

以安徽某金属矿山建设的一条年产90万t的粉煤灰充填胶凝材料的生产线和使用情况为例介绍。

(1)粉煤灰充填胶凝材料的生产原料为:粉煤灰、矿渣、水泥熟料、石膏、石灰石和激发剂等，具体的生产配比如表4，其中粉煤灰占40%以上。

(2)生产工艺:湿矿渣采用回转式单筒烘干机烘干，同时配置高效的沸腾炉供热系统，烘干水份≤1.5%，石膏和熟料通过破碎机破碎，破碎后的物料粒度≤10mm，烘干及破碎后的物料分别进入各自原料库。粉煤灰和激发剂为粉状物料，直接通过散装罐车泵送入库。由于各种原料的特性不同，特别是粉煤灰与熟料和矿渣的粒度和易磨性差异较大，一起粉磨很难实现同步或接近磨细要求，势必造成部分物料过粉磨、部分物料欠粉磨，最终影响成品粒度分布不合理，因此本生产线的粉磨系统采用了分别粉磨的工艺流程，其中熟料、矿渣、石膏为块状物料一起粉磨;粉煤灰、激发剂为粉状物料一起粉磨。粉磨后即为半成品，比表面积控制在400m2/kg左右。采用分别粉磨工艺不仅可以很好的控制半成品要求的细度，同时便于调整磨机研磨体级配，提高粉磨效率，节约能耗，降低生产成本。两组粉磨后的物料分别进入中间仓进行储存，在仓底设置粉料转子秤计量，按照一定比例配制，通过单卧轴强力搅拌机进行混合，入均化库均化后即为成品，再由气力输送设备送至充填站储库备用。

2.2 粉煤灰胶凝材料在矿山全尾砂充填中的应用

2.2.1 强度检测结果 (1)标砂强度 将生产的粉煤灰胶凝材料与普通的P.C32.5复合硅酸盐水泥，参照国标GB175－2007进行了标准砂强度检测，结果见表5。

表5 粉煤灰充填胶凝材料与P.C32.5级水泥标砂强度

从表5可以看出，粉煤灰胶凝材料的3d强度略低于 P.C32.5 级水泥，28d 强度高于 P.C32.5 级水泥，主要原因在于由于粉煤灰的水化速度较慢，在掺量较高时，前期强度偏低，后期随着激发剂的作用以及粉煤灰水化速度的加快，强度持续增长，甚至超过水泥。但其强度指标均达到复合硅酸盐水泥标准，因此用粉煤灰胶凝材料替代水泥用于井下充填是可行的。

(2)尾砂强度 将生产的粉煤灰胶凝材料与普通的P.C32.5复合硅酸盐水泥，在不同的充填浓度下进行了全尾砂强度检测，结果见表6。

表6 粉煤灰充填胶凝材料与P.C32.5级水泥尾砂强度

从表6可以看出，在同样的灰砂比情况下，充填浓度为70%和75%时，粉煤灰胶凝材料的尾砂强度均高于普通P.C32.5级复合硅酸盐水泥，说明水泥对尾砂特别是细粒级尾砂的固结能力较低。而粉煤灰胶凝材料由于其细度较高以及大量粉煤灰中的玻璃微珠的微介质流动作用，提高了尾砂混凝土的密实性和固结能力，从而提高了尾砂强度。

(3)尾砂浆体流动性 坍落度是反映尾砂浆体流动性的主要指标，在相同的灰砂比和充填浓度下，进行了粉煤灰胶凝材料和普通P.C32.5级复合硅酸盐水泥的坍落度试验，结果见表7。

在矿山井下充填中，一般都采用的自流式充填，同时为了保证充填体的强度和节约充填成本，要求尽可能提高充填浓度。但要满足全尾砂的结构流自流输送，坍落度需要达到220mm以上。从表7试验结果看，在浓度70%时，粉煤灰胶凝材料和P.C32.5级复合水泥的坍落度值差距不大，且均能满足自流充填要求。但当浓度达到75%时，P.C32.5级复合水泥已经不能满足自流充填要求。因此粉煤灰胶凝材料的尾砂浆体流动性好于P.C32.5级复合水泥，在浓度越高的条件下，这种优势越突出。

表7 粉煤灰充填胶凝材料与P.C32.5级水泥坍落度值

2.2.2 充填站实际使用情况 安徽某金属矿山自从年产90万t粉煤灰胶凝材料投入使用，在充填站已经全部替代水泥进行胶结充填。目前的充填浓度已由原有的水泥充填浓度的68%～70%提高到了70%～72%，且充填的灰砂比由原用水泥的平均1:6.12降低到了1:7.18。从实际的井下充填体取芯强度看，均好于原有的水泥充填，体现出良好的经济效益和社会效益。

3 结论

利用粉煤灰固有的火山灰活性和自硬性，通过科学的材料配比和合理的加工工艺，制备的粉煤灰胶凝材料替代传统的硅酸盐水泥用于尾矿胶结充填，在试验和实际使用过程中证明是确实可行的。无论在充填体强度、充填体流动性以及充填成本上都比水泥胶结充填有一定的优势。同时该材料每年可以消化大量的粉煤灰，为粉煤灰的综合利用提供了又一条新途径。

[1]《降低胶结充填成本的途径及应用》饶运章《中国矿业》1995.05.

[2]《粉煤灰胶凝活性及在矿山胶结充填中的研究与应用》张磊 吕宪俊 金子桥《矿业研究与开发》2010.04