铁尾矿固结合成双免墙体材料强度与失水特性研究

邵雁,宋自新,郭华军,朱飞,陈堃,杜德军,王豪杰,夏成功，董祎挈

（1中冶南方都市环保工程技术股份有限公司 湖北 武汉 430071 2武汉大学 湖北 武汉 430079）

0 引言

我国金属矿产资源极为丰富，据统计，全国现有重金属尾矿库约7 800余座，以铁矿为例，每年开采的铁矿石所炼成的钢铁达数亿吨，同时会产生大量的铁尾矿[1]。国内对铁尾矿大都采用充填的方式处理，即在尾矿中加入一定量的固化剂，搅拌均匀后充填至矿山采空区，受到外界温度、水流侵蚀等影响，尾矿固结体的强度会随时间的延长发生变化，采空区极易发生倾覆塌陷等事故，对生产安全造成严重威胁[2]。

许多科学工作者[3～5]尝试采用尾矿干堆技术等相关方法对传统尾矿处理技术进行改良，同时科学家们还尝试改变固化剂的种类，研发适合于不同尾矿的胶结剂，以求达到高的固结强度与较高的稳定性、安全性。综合上述研究结果可知，国内外对尾矿资源化利用的相关研究相对较少。

本文采用自主研发的尾矿胶凝材料，对铁尾矿进行改良固化，并采用高压成型的方式，在免烧免蒸的条件下制备墙体材料，采用无侧限抗压实验测定其抗压特性，检测其含水率，对比国家相关技术标准，评价不同合成配比下双免砖的强度指标。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用尾矿取自山东鲁中矿业公司本部，取样地点为尾矿库充填站。取样时，将试样装入50L塑料桶中，密封保存。由表观形态可见，尾矿呈红褐色，属流态状物质，静置后发生明显分层，去除上层清液后，取下层尾矿开展试验，初始含水率如表1所示。

表1 尾矿原始含水率 /%

试验所用固化剂为自主研发的H4系列固化剂，是一种以工业废渣为主要原料的一种新型灰渣胶凝材料，为灰色粉末状，主要成分有矿渣、熟料、石膏等，配以一定量的活化剂和激发剂混合粉磨制成，本实验所用胶结剂初凝时间5～60min，终凝时间10～600min。

1.2 试验方法

将本部尾矿进行干燥处理，在室外进行自然晾干使其含水率降到15%以下，再将晾干的尾矿进行搅拌混匀，使得最终的尾砂与固化剂、碎石和水有一个比较好的混合状态，避免有大颗粒状的尾砂存在制得的砖块中，影响墙体材料的强度。墙体材料的配合比见表2所示。

称量试验所需要的原料，按尾砂、碎石、粉煤灰、固化剂和水的先后顺序按照配合比将这些原料倒入砂浆搅拌机中。将尾砂、碎石和固化剂倒入搅拌机中慢搅1min，将干基的物质混合均匀后再外加水慢搅2min。

称取相应质量的混合物加入Φ10×6cm模具中，在压力机上成型并脱膜，成型压力160kN，

表2 配合比（干基）/%

控制加荷速度在5～7kN/s，重复上述操作每组做6个试块。采用常温自然保湿养护工艺，将压制好的试块用保鲜膜包好放入养护箱中在标准养护条件下（温度为20±2℃，相对湿度在90%以上）养护，待到养护龄期，进行性能检测。墙体材料养护到了3d、7d和28d时，对试块进行抗压强度性能测试中的微观结构、化学键及化学元素等的组成。

2 试验结果与讨论

2.1 尾矿的理化性质

本部尾矿粒径分布详见图1，化学成分组成详见表3。

图1 本部尾矿粒径分布

表3 本部尾矿化学成分组成/%

本部尾矿的粒径分布如图1，化学成分组成如表3所示。可以看出，本部尾矿的粒径主要分布于 10～00μm之间，其中平均粒径 D50为22.47μm，颗粒组成较细。颗粒细度将直接决定墙体材料强度，平均粒径越低，相同固化剂固化条件下，所合成的墙体材料抗压强度越差。本部尾矿化学成分中，SiO2与Fe2O3的含量较多，可见通过冶炼后，铁尾矿中仍然还有大量的铁系物质，还有二次提炼的空间，CaO的含量仅占尾矿总量的14.36%，而试验使用固化剂属钙系材料，增加钙系物质含量有助于墙体材料抗压强度的增强。

2.2 墙体材料无侧限抗压强度

表4中的数据每个养护期都有两个平行样，先将两个平行样取平均值如表5所示。

表4 免烧砖抗压强度数据记录表

续表4

表5 免烧砖各养护期抗压强度 /MPa

将表5中数据作图如图2所示。

图2 墙体材料抗压强度

由图2可以明显看出A6组的抗压强度最高，其28天抗压强度达到了22.35MPa，达到了粉煤灰砖国家标准JC 239-2001中MU 20的强度等级，完全达到了技术要求。该组的干基配合比为：本部尾砂30%、HAS固化剂15%、破碎废石55%，含水率为9%。将该组配方与A1-A5五组进行对比可以看出，该组的固化剂用量和碎石用量都是最高的。固化剂在免烧砖成型过程中可以增强尾砂中的活性，使整个体系中形成更多的C-S-H凝胶，增大了水化反应的程度；碎石在免烧砖成型的过程中可以起到骨架支撑和水化反应载体的作用，使整个体系的刚性结构更加稳固。

图3 墙体材料失水率

2.3 墙体材料失水率

由图3我们可以看出，免烧砖的失水率随着养护时间的增加而不断增大，且增长速率随着养护时间的增加逐渐变缓。当养护时间达到28天时，失水率基本没有很大的变动，即免烧砖中的含水率变动很少，这就意味着水化反应已经基本结束。

3 结论

墙体材料的抗压强度均达到了空心砖GB 13545-2014规定的MU5.0型号的所有指标；其中A6的抗压强度达到了实心砖JC 239-2001中规定MU10型号的所有指标；A3-A6四组的抗压强度达到了实心砖JC 239-2001中规定MU10型号的所有指标，均远超国家相关标准。