高硫尾砂胶凝材料试验研究

周 宇，孙 达，谢顺来，张 刚

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司， 湖北 武汉 430073)

高硫尾砂胶凝材料试验研究

周 宇，孙 达，谢顺来，张 刚

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司， 湖北 武汉 430073)

某选厂高硫尾砂采用普通硅酸盐水泥作胶凝材料时，其充填体抗压强度在后期出现衰减。针对该高硫尾砂，研制出了2种胶凝材料，并将该2种胶凝材料与普通硅酸盐水泥进行抗压强度、坍落度、泌水性等对比试验，结果表明，2种新胶凝材料灰砂比为1∶8的胶结试块的后期强度持续增加，90 d抗压强度可分别达到3.21 MPa和2.95 MPa，较42.5普通硅酸盐水泥增加了1～3倍，且充填料浆的坍落度、泌水性等指标无明显变化。

高硫尾砂；胶结充填；胶凝材料；抗压强度

MgSO4侵蚀：

3MgSO4+C-S-H(硅酸钙凝胶)→3CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+2SiO3· H2O；

3MgSO4+3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O(硫铝酸钙)→4CaSO4·2H2O+3Mg(OH)2+Al2O3·3H2O

1 尾砂元素及强度试验

对某选厂尾砂进行多元素分析，结果见表1。

尾砂中Al2O3、SiO2、Fe2O3的单盐或所组成的复合矿物，具有化学稳定性，对充填体强度的提高有一定的促进作用。根据化学成分分析结果，尾砂中硫含量为4.78%，属于高硫尾砂。

在充填料浆浓度为67.5%的条件下，采用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，对不同灰砂比胶结试块进行抗压强度试验，结果见表2、图1和图2。

表1 尾砂多元素分析结果 /%

表2 胶结试块抗压强度结果

图1 胶结试块抗压强度随时间的变化趋势

试验结果表明，胶结试块抗压强度随着时间的增加先升高后降低；胶结试块在后期出现了明显的裂纹，抗压强度呈现衰减趋势。

2 高硫尾砂胶凝材料

2.1 胶凝材料的组份

不同胶凝材料的种类、组份和水化过程都有所区别。针对高硫尾砂会使充填体后期抗压强度衰减的特性，对胶凝材料组份进行调节，使得胶凝材料在后期进行二次水化作用，即初次水化释放出的氢氧化钙和其他组份会与胶凝材料中的活性SiO2和Al2O3相互作用，继续生成纤维状的水化硅酸钙和钙矾石，使得其充填体较传统水泥形成的充填体更加致密；并且在较长时期内胶凝材料的水化过程都将持续进行，使得充填体后期强度持续增长。

图2 灰砂比为1∶6的试块在不同龄期的外形变化

2.2 胶凝材料的比表面积

传统水泥的粉磨细度一般控制在比表面积为3000～4000 cm2/g，而为了使胶凝材料中的活性物质能够得到充分的发挥，其粉磨细度一般要求较细，在充填中，超细胶凝材料和其水化产物可以充填于大的颗粒空隙中，降低孔隙尺寸，优化水泥硬化体颗粒级配，增加密实度，产生的孔结构比普通水泥硬化体优良，提高充填体的抗压强度。但是当胶凝材料粉磨得过细、比表面积过大时，胶凝材料的需水量、干缩性和水化热都增大，会导致充填料浆坍落度损失，流动性变差，相关研究表明胶凝材料的比表面积在4000 ～5000 cm2/g的范围为宜。

3 新胶凝材料的抗压强度及性能试验

针对某选厂高硫尾砂的特性，研制出胶凝材料ks-01和胶凝材料ks-02，在浓度67.5%的条件下，对ks-01、ks-02、42.5普通硅酸盐水泥3种胶凝材料进行了抗压强度、坍落度、比表面积和泌水率等对比试验。

3.1 抗压强度试验

不同灰砂比料浆的抗压强度试验结果见表3和图3。

根据试验结果可以得出：

(1) 胶凝材料ks-01和ks-02胶结试块的后期抗压强度随着时间的增加而增强，并未出现强度降低；

(2) 胶凝材料ks-02胶结试块具有早期强度高，后期强度稳定的特点，胶凝材料ks-01胶结试块具有后期强度高的特点，矿山可根据井下采矿的作业制度进行相应的选择。

(3) 胶凝材料ks-01和ks-02胶结试块的抗压强度较42.5普通硅酸盐水泥增加了1～3倍。

表3 胶结试块抗压强度结果

图3 3种胶凝材料在灰砂比为1∶6时随时间变化趋势

3.2 比表面积测定

对3种胶凝材料进行比表面积测定，结果见表4。

表4 胶凝材料的比表面积测定结果

胶凝材料ks-01和胶凝材料ks-02比表面积均在4000 ～5000 cm2/g，可以使胶凝材料中的活性物质能够得到充分的发挥。

3.3 坍落度试验

不同灰砂比料浆的坍落度试验结果见表5。

试验结果表明，3种胶凝材料充填料浆的流动性能接近，胶凝材料ks-01充填料浆的流动性稍弱于42.5普通硅酸盐水泥和胶凝材料ks-02。

3.4 泌水率试验

不同灰砂比料浆的泌水率试验结果见表6。

试验结果表明，3种胶凝材料充填料浆的泌水性能接近，胶凝材料ks-01和ks-02充填料浆的泌水率略优于42.5普通硅酸盐水泥。

表5 3种胶凝材料胶结充填料浆坍落度试验结果

表6 3种胶凝材料胶结充填料浆泌水率试验结果

4 结 论

(1) 某矿山在胶结充填法采矿中，作为充填骨料的尾砂含硫较高，采用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其充填体抗压强度在后期出现衰减。

(2) 改进后的新型胶凝材料有效地解决了高硫尾砂对充填体的负面影响，胶凝材料ks-01和ks-02在灰砂比为1∶8的条件下，后期强度持续增加，在90 d时分别可达3.21 MPa和2.95 MPa。

(3) 胶凝材料ks-02胶结试块具有早期强度高、后期强度稳定的特点，胶凝材料ks-01胶结试块具有后期强度高的特点，矿山可根据井下采矿的作业制度进行相应的选择。

(4) 胶凝材料ks-01和ks-02胶结试块的抗压强度较42.5普通硅酸盐水泥增加了1～3倍，且充填料浆的坍落度、泌水性等指标无明显变化。

[1]周爱民.矿山废料胶结充填[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2]孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵.当代胶结充填技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[3]姜 薇,雷国元,李铁一,等. 细粒铁尾矿胶结充填体性能试验研究[J].矿业研究与开发,2014，34(05):26￣30.

[4]王有团,杨志强,李茂辉，等. 新型充填胶凝材料全尾砂浆工作特性试验研究[J].矿业研究与开发,2014，34(07):63￣66.

[5]任少峰,张忠辉,杨纪光,等. 全尾砂与分级尾砂胶结充填强度的试验研究[J].采矿技术,2014，14(02):31￣32.

[6]肖柏林,杨志强,高 谦. 金川矿山磷石膏基新型充填胶凝材料的研制[J].矿业研究与开发,2015，35(01):21￣24.

2015￣03￣20)

周 宇(1990-)，男，湖北武汉人，主要从事矿山充填和选矿试验研究工作。