黃 迪，倪 文，祝麗萍

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

粉磨工藝對(duì)赤泥膠結(jié)充填料性能的影響

黃 迪，倪 文，祝麗萍

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

為提高膠結(jié)充填材料的強(qiáng)度性能，試驗(yàn)研究了分別粉磨和梯級(jí)粉磨工藝對(duì)赤泥全尾砂膠結(jié)充填材料強(qiáng)度性能、粉體粒徑以及水化過程的影響.結(jié)果表明：梯級(jí)粉磨工藝下試塊的1、3、28 d最大抗壓強(qiáng)比分別粉磨工藝下試塊1、3、28 d最大抗壓強(qiáng)度分別高出21%、16.6%、3.7%;梯級(jí)粉磨工藝使物料粉體的比表面積均高于分別粉磨工藝的粉體比表面積;梯級(jí)粉磨工藝下粉體中粒徑為3.30 μm，明顯小于分別粉磨工藝粉體4.38 μm的中粒徑;SEM分析看出梯級(jí)粉磨工藝下試塊水化產(chǎn)物生長(zhǎng)較快.粉磨工藝對(duì)赤泥全尾砂膠結(jié)充填材料強(qiáng)度性能、水化過程及粉體粒徑均有影響.梯級(jí)粉磨工藝比分別粉磨工藝更有利于提高充填料性能.

粉磨工藝;赤泥;膠結(jié)充填;梯級(jí)粉磨;分別粉磨

赤泥作為氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的固體廢棄物，排放量大、對(duì)生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重，其處理問題一直受國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注［1－4］.目前，赤泥的處理途徑主要集中在生產(chǎn)水泥、提取有價(jià)金屬及填海等方面［5－6］.赤泥膠結(jié)充填料是結(jié)合礦山充填量大、強(qiáng)度要求低的特點(diǎn)，利用赤泥的活性，開發(fā)的一種低成本充填新材料.赤泥用于礦山充填不僅可以提高赤泥的利用量，而且大幅度降低了充填材料的成本［7－9］，特別適用于開采高品位富礦、礦巖不穩(wěn)定的厚大礦體.山東鋁業(yè)公司與長(zhǎng)沙礦山研究院合作研究了以燒結(jié)法赤泥、粉煤灰和石灰混合制得的充填材料，并在湖田鋁礦進(jìn)行了工業(yè)化實(shí)驗(yàn)［9－10］，但該充填材料早期強(qiáng)度較低.目前，將拜耳法赤泥用于實(shí)際礦山充填的研究未見報(bào)道.

本文將拜耳法赤泥和水淬高爐礦渣等混合用作充填材料.前期試驗(yàn)已證明了此方案的可行性［11］，通過對(duì)2種不同的粉磨工藝進(jìn)行研究和分析，試圖尋找一種能提高充填材料強(qiáng)度、改善其工作性能的生產(chǎn)工藝.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

拜耳法赤泥取自山東鋁業(yè)公司露天赤泥堆場(chǎng)，化學(xué)成分見表1.對(duì)粉磨后的赤泥進(jìn)行XRD分析，該赤泥的結(jié)晶態(tài)物質(zhì)主要為水鈣沸石、水合鋁硅酸鈉、赤鐵礦、伊利石、方解石等.

水淬高爐礦渣取自首鋼，顏色呈灰白色，化學(xué)成分見表1.對(duì)磨細(xì)的水淬高爐礦渣進(jìn)行XRD分析表明，該水淬高爐礦渣物相組成以玻璃態(tài)為主，未見其他明顯的結(jié)晶相.

試驗(yàn)使用的水泥熟料為普通硅酸鹽水泥熟料，由冀東水泥廠生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1.

脫硫石膏為北京石景山電廠濕法脫硫排出的工業(yè)廢物，XRD分析結(jié)果表明其主要物相是CaSO4·2H2O，未見其他結(jié)晶相.

尾砂為鞍山尾礦，其堆積密度為1.67 g·cm－3，真實(shí)密度為2.95 g·cm－3，孔隙率為43.39%.

表1 主要原料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 分析方法

試驗(yàn)所用的強(qiáng)度測(cè)試方法均按照 GB/T 17671—1999測(cè)定;混磨物料比表面積采用GB/T 8074—1987《水泥比表面積測(cè)定方法(勃氏法)》測(cè)定;SEM分析所用儀器為英國(guó)劍橋公司生產(chǎn)的S250型掃描電鏡;物料粒徑分布采用激光粒度儀測(cè)定.

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

在粉磨過程中，單獨(dú)粉磨赤泥存在粘球、顆粒團(tuán)聚的問題［12］，所以考慮將水淬高爐礦渣預(yù)先粉磨再加入其余原料共同粉磨的梯級(jí)粉磨工藝［13－14］，并與分別磨細(xì)原料的粉磨工藝進(jìn)行對(duì)比.梯級(jí)粉磨工藝既克服了赤泥的粘球問題，又發(fā)揮了微球磨效應(yīng).微球磨效應(yīng)使得高爐水淬礦渣和赤泥這些微小顆粒的細(xì)度進(jìn)一步增大，使其充分發(fā)揮活化效應(yīng);另一方面使得整個(gè)膠結(jié)劑顆粒的級(jí)配更加合理，對(duì)充填材料的早期強(qiáng)度有很大的貢獻(xiàn).

實(shí)驗(yàn)采用了以下2種在實(shí)驗(yàn)室條件下基本等能耗的粉磨工藝方案進(jìn)行對(duì)比研究.方案Ⅰ:各原料先分別磨細(xì)再混合;原料磨細(xì)用1.5 KW的SMΦ 500×500試驗(yàn)?zāi)ィ旌嫌?.75 KW的QM－4H行星式球磨機(jī).具體粉磨工藝見圖1(a).方案Ⅱ:水淬高爐礦渣預(yù)磨后再與其余原料共同粉磨.預(yù)磨及共同粉磨均采用1.5 KW的SMΦ 500× 500試驗(yàn)?zāi)?具體粉磨工藝見圖1(b).

圖1 具體工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 粉磨工藝對(duì)試塊強(qiáng)度的影響

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果［11］，在拜耳法赤泥+高爐水淬渣+脫硫石膏+水泥熟料體系中，當(dāng)赤泥與高爐水淬渣的共同摻量為80%、拜耳法赤泥摻量為20%～30%時(shí)，膠砂試塊強(qiáng)度較高，因此，在赤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～30%內(nèi)，取等間隔的6個(gè)配料點(diǎn)進(jìn)行配料，全尾砂作為骨料加入到充填材料中.混磨工藝實(shí)驗(yàn)配比見表2.膠結(jié)劑組成為赤泥+礦渣+熟料+脫硫石膏;料漿質(zhì)量濃度=(膠結(jié)劑質(zhì)量+全尾砂質(zhì)量)/(膠結(jié)劑質(zhì)量+全尾砂質(zhì)量+用水量)，各配比的料漿質(zhì)量濃度均為82%;膠凝材料與全尾砂的質(zhì)量比均為3∶17.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

表2 赤泥全尾砂膠結(jié)充填材料配比方案

圖2 不同赤泥摻量在2種混磨方案下制備試塊的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

由圖2可見，在養(yǎng)護(hù)期齡為1、3 d條件下，當(dāng)膠結(jié)劑中赤泥的摻量由20%等間距遞增到30%時(shí)，方案Ⅱ制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度均大于方案Ⅰ制備的膠砂試塊，且隨著養(yǎng)護(hù)期齡的增加這種差距有逐漸縮小的趨勢(shì).

由圖2(a)可見，方案Ⅰ和Ⅱ制備的膠砂試塊1 d抗壓強(qiáng)度均隨著赤泥摻量的增加出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，且2種方案下試塊的最大抗壓強(qiáng)度均在赤泥摻量為24%時(shí)出現(xiàn).方案Ⅱ試塊的1 d最大抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa，比方案Ⅰ試塊的1 d最大抗壓強(qiáng)度2.8 MPa高21%.在赤泥摻量20%～30%時(shí)，方案Ⅱ試塊的1 d抗壓強(qiáng)度比方案Ⅰ試塊的平均高出20.9%，這說明在方案Ⅱ粉磨工藝下制備的試塊早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快.初步估計(jì)原因如下:方案Ⅱ?qū)λ愀郀t礦渣進(jìn)行預(yù)粉磨，在達(dá)到一定細(xì)度后加入赤泥、熟料等共同粉磨.這樣，高爐水淬渣和赤泥這些細(xì)粒顆粒在熟料的微球磨效應(yīng)下，細(xì)度得到明顯提高.一方面加速了赤泥中活性硅、鋁在堿性溶液的擴(kuò)散，另一方面使得熟料的水化產(chǎn)物Ca(OH)2更容易與高爐水淬礦渣的玻璃網(wǎng)絡(luò)體發(fā)生反應(yīng)，加速玻璃網(wǎng)絡(luò)體的解聚，充分提高了充填材料的早期強(qiáng)度［15］.

根據(jù)2種粉磨工藝下試塊的1 d強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，當(dāng)赤泥摻量在膠結(jié)劑中為24%時(shí)，充填材料具有較好的強(qiáng)度，能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合對(duì)膠結(jié)充填采礦的要求［16－17］.

由圖2(b)可見，在養(yǎng)護(hù)期齡為3 d時(shí)，隨著赤泥摻量的增加，2種方案下膠砂試塊抗壓強(qiáng)度依然呈現(xiàn)出一個(gè)先增后降的趨勢(shì)，且3 d抗壓強(qiáng)度最大值同樣在赤泥摻量24%處出現(xiàn).方案Ⅱ試塊的3 d抗壓強(qiáng)度最大值為5.7 MPa，比方案Ⅰ試塊的3 d抗壓強(qiáng)度最大值4.8 MPa高出16.6%.在赤泥摻量為20%～30%的條件下，方案Ⅱ試塊的3 d抗壓強(qiáng)度平均高出方案Ⅰ試塊的20.3%.與養(yǎng)護(hù)期齡1 d時(shí)相比，在養(yǎng)護(hù)期齡3 d時(shí)，方案Ⅱ試塊的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)有所縮小.隨著養(yǎng)護(hù)期齡的增加，方案Ⅰ試塊中各物料的活性成分得到了進(jìn)一步的釋放，這種由粉磨細(xì)度增大帶來的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)將縮小.

2.2 粉磨工藝對(duì)物料比表面積及粒徑分布的影響

根據(jù)表2的配比，選取B、C、D、E 4組配比方案測(cè)試粉體比表面積，并進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，赤泥摻量不同的各組混合物料，其比表面積均在400 cm2/g左右.方案Ⅰ下物料的比表面積均小于方案Ⅱ的物料.說明方案Ⅱ粉磨工藝對(duì)混合物料細(xì)度的提高是有利的.在2種方案下，各膠砂試塊的初凝時(shí)間為1.3～2 h，終凝時(shí)間為2.3～3 h，均符合充填料要求［18］.

表3 不同粉磨工藝下混合物料試驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2種粉磨方案下所得物料粉體的激光粒度分布曲線如圖3所示.經(jīng)方案Ⅱ工藝粉磨后物料中的細(xì)顆粒量要大于方案Ⅰ物料中細(xì)顆粒量;方案Ⅱ中小于3.02 μm的顆粒粒徑占整體粒徑分布的占47.0%，而方案Ⅰ中小于3.02 μm的粒徑顆粒只占39.6%;由圖3中累積粒徑分布曲線可知，方案Ⅰ物料中的中粒徑為4.38 μm，方案Ⅱ物料的中粒徑為3.30 μm，說明方案Ⅱ粉磨工藝粉磨效率更高，得到的物料更細(xì).

圖3 混合物料粒度分布圖

2.3 粉磨工藝對(duì)試塊水化產(chǎn)物的影響

充填體試塊的內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)的形成與其顆粒組成有直接關(guān)系，而充填材料顆粒組成與其粉磨工藝密切相關(guān)，所以可通過觀察膠結(jié)充填材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來研究采取何種磨工藝.

圖4是膠砂試塊水化3 d時(shí)的SEM圖片，圖4(a)是在方案Ⅰ下制備的試塊，圖4(b)是在方案Ⅱ下制備的試塊.可以看到，在絮狀凝膠體上出現(xiàn)了一些細(xì)小的針棒狀物質(zhì)，尤其是在膠凝體的凹陷處和孔洞處出現(xiàn)的較多.不同的是，圖4(b)中這些針棒狀物質(zhì)比圖4(a)中出現(xiàn)的范圍廣、面積大，而且晶體生長(zhǎng)較好.初步判定這些針棒狀礦物為鈣礬石.之所以圖4(b)中的針棒狀鈣礬石較多，可能是因?yàn)榉桨涪虻姆勰スに囀够旌狭现屑?xì)粒增加，這有利于激發(fā)劑對(duì)拜耳法赤泥中鈉硅渣以及高爐水淬礦渣中硅鋁網(wǎng)絡(luò)體的激發(fā)和解聚，為鈣礬石的形成提供更多的Al3+.這也是方案Ⅱ的試塊強(qiáng)度高于方案Ⅰ的原因之一.

圖4 2種方案粉磨工藝下砂漿試塊水化產(chǎn)物的SEM圖

3 結(jié)論

1)在充填材料的生產(chǎn)中，梯級(jí)粉磨工藝與分別磨粉磨工藝相比，能夠有效提高充填材料的早期強(qiáng)度.梯級(jí)粉磨工藝試塊1、3 d的抗壓強(qiáng)度比分別粉磨試塊的分別高21%、16.6%.

2)采用梯級(jí)粉磨工藝增加了物料細(xì)粒部分的含量，從而提高物料的比表面積，在赤泥摻量為24%的配比中，梯級(jí)粉磨物料的比表面積為492 cm2/g，分別粉磨物料比表面積為443 cm2/g.梯級(jí)混粉物料粉體的中粒徑為3.30 μm，小于分別粉磨物料粉體4.38 μm的中粒徑.

3)由膠砂試塊的水化產(chǎn)物SEM圖可知，采用梯級(jí)粉磨工藝促進(jìn)了水化產(chǎn)物鈣礬石的生長(zhǎng).

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Effect of milling techniques on the properties of red mud cemented paste backfilling materials

HUANG Di，NI Wen，ZHU Li-ping
(School of Civil＆Environment Engineering，University of Science＆Technology Beijing，Beijing 100083，China)

To improve the strength of red mud cemented back-filling materials，both separate milling and step milling techniques were used and their effects on grain size distribution and hydration processes were also investigated.The results showed that the compressive strengths of the samples of 1-day，3-days and 28-days curing prepared by step milling were 21%，16.6%and 3.7%higher than those of the samples prepared by separate milling.Larger surface area of the mixed powder could also be obtained by step milling technique than separate milling technique.The medium particle size of the mixed powder obtained by step milling technique and separate milling technique are 3.30 and 4.38 μm，respectively.The SEM analysis suggested that the samples by step milling technique had much quicker increasing of hydroxide products than that of the samples by separate milling technique.

milling technique;red mud;paste back-filling;step milling techniques;separate milling techniques

TD985 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)04－0117－05

2010－07－20.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAC21B03).

黃 迪(1985－)，女，碩士研究生;

倪 文(1961－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

倪 文，E-mail:niwen@ces.ustb.edu.cn.

(編輯 程利冬)