陳博文 梅甫定 盧開華

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖北省荊門市國(guó)土資源局，湖北 荊門 448000)

用粗磷尾礦制備膠結(jié)充填材料

陳博文1梅甫定1盧開華2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖北省荊門市國(guó)土資源局，湖北 荊門 448000)

為解決湖北三寧礦業(yè)挑水河磷礦選廠重介質(zhì)作業(yè)尾礦直接堆存存在的污染環(huán)境和土地占用等問題，在對(duì)該尾礦進(jìn)行性能測(cè)定的基礎(chǔ)上，開展了將其作為膠結(jié)材料用于充填采礦的可行性試驗(yàn)。結(jié)果表明：磷尾礦顆粒表面粗糙，有害元素含量低，可以作為膠結(jié)材料；磷尾礦為骨料制備的充填體不同齡期抗壓強(qiáng)度均隨灰砂比和料漿濃度增加而增強(qiáng)，但料漿濃度對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度影響相對(duì)較大；充填料漿坍落度、坍落擴(kuò)散度和稠度均隨灰砂比和料漿濃度增大而增大。為進(jìn)一步降低膠結(jié)材料成本，還進(jìn)行了粉煤灰部分替代水泥作為膠結(jié)材料的可行性正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：粉煤灰的添加有利于充填體強(qiáng)度的增高，尤其是后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)；充填料漿坍落度隨灰砂比、料漿濃度和粉煤灰摻量增大均先增后減，且影響程度由強(qiáng)到弱依次為灰砂比>料漿濃度>粉煤灰摻量。由于粉煤灰顆粒粒度細(xì)，且部分顆粒呈球形，使其在料漿中可以發(fā)揮滾珠軸承效應(yīng)，減小了磷尾礦顆粒之間的摩擦力，進(jìn)而提高了料漿的和易性；粉煤灰內(nèi)部空隙多，隨著粉煤灰摻量的增加，需水量也隨之增大，導(dǎo)致充填料漿的黏稠性增大，阻礙了料漿中骨料的移動(dòng)，進(jìn)而使得坍落度和稠度隨粉煤灰摻量增加呈現(xiàn)先增后降的規(guī)律。試驗(yàn)確定的膠結(jié)材料最佳配比為灰砂比0.250、料漿濃度80%、粉煤灰摻量1.00。利用粉煤灰和粗磷尾礦進(jìn)行膠結(jié)充填具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

粉煤灰 粗磷尾礦 膠結(jié)充填 正交試驗(yàn)

膠結(jié)充填材料在膠結(jié)充填采礦中起到重要作用，目前，得到廣泛應(yīng)用的膠結(jié)充填材料有水泥、粉煤灰、尾礦、細(xì)砂、高爐渣、廢石、赤泥等[1-5]，而在磷礦膠結(jié)充填中應(yīng)用的材料主要為水泥、粉煤灰、磷渣、磷石膏、高爐渣等[6-9]，以重介質(zhì)選礦產(chǎn)生的磷尾礦和粉煤灰作為充填材料進(jìn)行管道輸送膠結(jié)充填尚不多見。利用重選磷尾礦和粉煤灰作為充填材料不僅可以提高工業(yè)固體廢棄物的資源利用率，還能減少環(huán)境污染和土地占用，對(duì)粗磷尾礦膠結(jié)充填理論研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

1.1 原料性質(zhì)1.1.1 原料化學(xué)成分分析

試驗(yàn)用磷尾礦取自湖北三寧礦業(yè)挑水河磷礦，為重介質(zhì)選礦產(chǎn)生的尾礦，試驗(yàn)時(shí)采用PE-I 100 mm×125 mm鄂式破碎機(jī)將其破碎至-5 mm；粉煤灰取自湖北三寧化工股份有限公司；水泥為華新P.O 42.5水泥。磷尾礦和粉煤灰化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

表1表明：磷尾礦Si和Al含量偏低，Ca、Mg和Fe含量較高，可為膠凝體系提供鈣源和鐵源，此外，磷尾礦中P和S含量均較低，對(duì)充填體質(zhì)量無(wú)顯著影響，同時(shí)磷尾礦中有毒重金屬元素As、Cd、Pb和Hg含量均很低，對(duì)環(huán)境無(wú)顯著影響；粉煤灰Si和Al含量較高，Ca、Mg和Fe含量較低，此外，該粉煤灰中S和P含量較低，不會(huì)發(fā)生誘導(dǎo)充填體性能劣化的反應(yīng)，同時(shí)有毒重金屬As、Cd、Pb和Hg含量均較低，對(duì)環(huán)境無(wú)顯著影響。

表1 磷尾礦和粉煤灰化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 1 Chemical composition analysis results of coarsephosphate tailings(PT) and fly ash(FA)

%

注：其中Cd含量的單位為g/t。

1.1.2 原料物理特性分析

粗磷尾礦和粉煤灰的主要物理特性如表2所示。

表2 粗磷尾礦和粉煤灰主要物理特性

表2表明：磷尾礦吸水率(2.5%)大于GB/T 14685—2011規(guī)定的2%，表明磷尾礦顆粒內(nèi)部孔隙多；同時(shí)，粗磷尾礦粒徑分布呈現(xiàn)粗粒級(jí)含量偏多，細(xì)粒級(jí)含量偏少的特點(diǎn)。

對(duì)磷尾礦和粉煤灰分別進(jìn)行SEM分析，結(jié)果見圖1。

圖1(a)表明：粗磷尾礦分散成小粒徑不規(guī)則塊狀、片狀或棱柱狀，且大粒徑尾礦表面黏附小粒徑尾礦以及凝膠狀集合體、圓狀和棱狀粒屑。

圖1(b)表明：粉煤灰平均粒徑及粒徑分布范圍較小，且其顆粒表面光滑度與磷尾礦相比有了較大改善；少見球形顆粒，多見表面粗糙且不規(guī)則黏聚顆粒、鈍角顆粒以及碎屑，粉煤灰顆粒孔隙率大，制備時(shí)需水量大，會(huì)降低充填體質(zhì)量[10]。

對(duì)磷尾礦和粉煤灰進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見圖2。

圖2(a)表明：磷尾礦中-0.315 mm粒級(jí)含量約19%，符合我國(guó)JGJ55—2011標(biāo)準(zhǔn)(泵送混凝土集料中-0.315 mm粒級(jí)含量不少于15%)。

圖2(b)表明：粉煤灰粒徑分布范圍為0.4～160μm，其中2～100 μm范圍的顆粒含量超過80%，大于45 μm含量為28.15%，d50為24.79 μm。此外，

(a)磷尾礦

(b)粉煤灰

(a)磷尾礦

(b)粉煤灰

粉煤灰比表面積為0.909 m2/g，表面積平均粒徑和體積平均粒徑分別為6.601 μm和32.706 μm。

1.1.3 原料礦物成分分析

對(duì)磷尾礦和粉煤灰分別進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖3。

(a)磷尾礦

(b)粉煤灰

圖3表明：磷尾礦主要晶相為白云石、羥基磷灰石、赤鐵礦和石英，還含有少量方解石和石膏，其中白云石含量最高(69.65%)，其次為羥基磷灰石(10.15%)、赤鐵礦(12.75%)和石英(6.91%)；粉煤灰主要晶相為石英、鈉長(zhǎng)石和云母，還含有少量赤鐵礦，其中石英相含量最高(61.55%)，其次為白云母(20.99%)和鈉長(zhǎng)石(15.99%)。

1.2 試驗(yàn)方法1.2.1 試塊制備及抗壓強(qiáng)度測(cè)定

膠結(jié)充填體試塊制備時(shí)，根據(jù)正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案按一定配比稱取原料并混合均勻，常溫下加自來水?dāng)嚢杈鶆?，將料漿澆筑于70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)試模，然后置于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)(濕度95%，溫度23±2 ℃)，72 h后拆模并繼續(xù)置于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

試塊養(yǎng)護(hù)至預(yù)設(shè)齡期后，采用Instron 1342型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)按照1 mm/min的加載速率測(cè)定試塊的抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 和易性測(cè)定

料漿坍落度采用標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定過程參照ASTM C143標(biāo)準(zhǔn)；料漿坍落擴(kuò)散度測(cè)試參照ASTM C1611標(biāo)準(zhǔn)；料漿稠度采用SC-145砂漿稠度儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定過程參照J(rèn)GJ/T 70—2009標(biāo)準(zhǔn)。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

為考察磷尾礦制備膠結(jié)充填材料的性能，對(duì)其主要影響因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)。

2.1 磷尾礦制備膠結(jié)充填材料

以磷尾礦為原料制備膠結(jié)充填試塊試驗(yàn)以灰砂比(w(水泥)∶w(磷尾礦))和料漿濃度為考察因素(依次為因素A、B)，每個(gè)因素各取3個(gè)水平，采用L9(34)安排試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表3，試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

表3 磷尾礦制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)因素水平表

對(duì)表4進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表5所示。

表5表明：充填體抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增強(qiáng)；充填體不同齡期抗壓強(qiáng)度均隨灰砂比和料漿濃度增加而增強(qiáng)，但料漿濃度對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度影響相對(duì)較大。磷尾礦骨料粒度大，表面粗糙，使得充填體孔隙率較大，當(dāng)灰砂比較低時(shí)，充填體中的空隙率和孔道數(shù)相應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致充填體抗壓強(qiáng)度偏低。而料漿濃度較低時(shí)，膠凝體系產(chǎn)生的水化產(chǎn)物較少，使得充填體無(wú)法形成致密的結(jié)構(gòu)，因此充填體抗壓強(qiáng)度低。充填料漿坍落度、坍落擴(kuò)散度和稠度均隨灰砂比和料漿濃度增大而增大，但料漿濃度對(duì)充填料漿和易性影響相對(duì)較大；當(dāng)灰砂比和料漿濃度較低時(shí)，充填體和易性較差，料漿離析和泌水嚴(yán)重。充填骨料磷尾礦中細(xì)粒級(jí)含量偏低，而且骨料表面粗糙，使得骨料顆粒之間的摩擦力增大，當(dāng)料漿濃度和灰砂比較低時(shí)，充填料漿的保水性和黏聚性較差，分層離析和泌水現(xiàn)象嚴(yán)重，因此充填料漿和易性也較差。磷尾礦和水泥膠凝材料制備充填料漿最優(yōu)配比方案為灰砂比0.25、料漿濃度83%。

表4 磷尾礦制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 磷尾礦制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

2.2 磷尾礦、粉煤灰制備膠結(jié)充填材料

為進(jìn)一步降低膠結(jié)充填料制備成本，進(jìn)行了粉煤灰作為膠結(jié)材料替代部分水泥的正交試驗(yàn)。以灰砂比(w(水泥+粉煤灰)∶w(磷尾礦))、料漿濃度、粉煤灰摻量(w(粉煤灰)∶w(水泥))為考察因素(依次為因素A、B、C)，每個(gè)因素各取3個(gè)水平，采用L9(34)安排試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表6，試驗(yàn)結(jié)果列于表7。

對(duì)表7進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表8所示。

表6 磷尾礦、粉煤灰制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)因素水平表

表7 磷尾礦、粉煤灰制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)結(jié)果

表8 磷尾礦、粉煤灰制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

表8表明：充填體抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增強(qiáng)；充填體不同齡期抗壓強(qiáng)度均隨灰砂比、料漿濃度增大而增強(qiáng)，且灰砂比對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度影響相對(duì)較大；添加粉煤灰后的充填體抗壓強(qiáng)度整體高于未添加粉煤灰時(shí)的充填體強(qiáng)度，但早期抗壓強(qiáng)度提高不明顯，后期抗壓強(qiáng)度提高顯著，由此可見，粉煤灰的添加有利于充填體后期強(qiáng)度的提高。粉煤灰的添加不僅提高了混合料的堆積密度，使充填體的微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，還促進(jìn)了膠凝體系二次水化反應(yīng)的發(fā)生，即水化初期主要由水泥水化產(chǎn)生C-S-H凝膠、Ca(OH)2以及少量鈣礬石，然后粉煤灰與水泥產(chǎn)生的游離Ca(OH)2反應(yīng)形成水化產(chǎn)物，因此粉煤灰參與的二次水化反應(yīng)使得膠凝體系中的水化產(chǎn)物不斷增加，Ca(OH)2不斷減少，促進(jìn)了充填體后期強(qiáng)度的發(fā)展[11]。添加粉煤灰后的充填料漿和易性得到明顯改善，充填料漿坍落度隨灰砂比、料漿濃度和粉煤灰摻量增加而先增后減，且影響程度A>B>C；坍落擴(kuò)散度隨灰砂比增大而增大，隨料漿濃度增大而先增后減，隨粉煤灰摻量增大而減小，且影響程度B>C>A；稠度隨粉煤灰摻量增加先增后減，各因素對(duì)其影響程度B>C>A。粉煤灰中的球形顆粒使其在料漿中可以發(fā)揮滾珠軸承的效應(yīng)，減小了磷尾礦顆粒之間的摩擦力，提高了料漿的和易性[12]。但是，隨著粉煤灰摻量的不斷增加，膠凝體系中細(xì)顆粒含量也不斷增加，由于細(xì)顆粒比表面積大，因此需水量也隨之增加，導(dǎo)致充填料漿的黏稠性增大，阻礙了料漿中骨料的移動(dòng)，進(jìn)而使得坍落度和稠度隨粉煤灰用量增加呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。膠結(jié)材料最佳配比方案為A1B2C2,此時(shí)獲得的膠結(jié)材料各指標(biāo)較好。

3 結(jié) 論

(1)采用磷尾礦為骨料制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)結(jié)果表明：充填體不同齡期抗壓強(qiáng)度均隨灰砂比和料漿濃度增大而增強(qiáng)，但料漿濃度對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度影響相對(duì)較大。充填料漿坍落度、坍落擴(kuò)散度和稠度均隨灰砂比和料漿濃度增大而增大，但料漿濃度對(duì)充填料漿和易性影響相對(duì)較大；當(dāng)灰砂比和料漿濃度較低時(shí)，充填體和易性較差，料漿離析和泌水嚴(yán)重。

(2)采用粉煤灰替代部分水泥制備膠結(jié)材料正交試驗(yàn)表明：粉煤灰的添加有利于充填體后期強(qiáng)度的增強(qiáng)；添加粉煤灰后的充填料漿和易性得到明顯改善，充填料漿坍落度隨灰砂比、料漿濃度和粉煤灰摻量增大均先增后減，且影響程度A>B>C。粉煤灰中的球形顆粒可以在料漿中發(fā)揮滾珠軸承效應(yīng)，減小了磷尾礦顆粒之間的摩擦力，進(jìn)而提高了料漿的和易性；隨著粉煤灰摻量的不斷增加，需水量也隨之增大，導(dǎo)致充填料漿的黏稠性增大，阻礙了料漿中骨料的移動(dòng)，進(jìn)而使得坍落度和稠度呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。

(3)膠結(jié)材料最佳配比方案為A1B2C2,此時(shí)獲得的膠結(jié)材料各項(xiàng)指標(biāo)較好。

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(責(zé)任編輯 王亞琴)

Cemented Paste Backfilling Material Preparation Using Coarse Phosphate Tailings

Chen Bowen1Mei Fuding1Lu Kaihua2(1.ChinaUniversityofGeosciences

(Wuhan)，F(xiàn)acultyofEngineering，Wuhan430074，China;2.BureauofLandandResources，JingmenCity，HubeiProvince,Jingmen448000，China)

In order to solve the problems of environmental pollution and land occupation by direct stock of Phosphate Tailings(PT) from dense medium separation of Tiaoshuihe Phosphate Plant，Sanning Mining，Hubei Province.Feasibility tests of PT used as cementing material for filling in mining operation was conducted on the basis of its property measurement.Results indicated that：coarse PT can be used as cementitious material for its roughness surface and low content of harmful elements；Compressive strength of backing filling body in each age enhanced with the increase of cement-sand ratio and slurry concentration，while slurry concentration has more influence on compressive strength of filling body；filling pulp slump，slump flow and consistency all increased with the increase of cement-sand ratio and slurry concentration.In order to further reduce the cementing material cost，feasibility of cement partly replaced by Fly Ash(FA) as cementing material orthogonal experiment were conducted.The results showed that：addition of FA is beneficial for the strength enhance of filling body，especially long-term strength；filling slurry slumps first increase and then decrease with the increase of cement-aggregate ratio，slurry concentration and dosage of FA，and the impaction weakened by cement-aggregate ratio，slurry concentration，dosage of FA.FA can play a role in ball bearing effect for its fineness particle sizes and partly in spherical form，thus reduce the friction between phosphate tailing particles and improve the workability of slurry；there are so many internal spaces inside the FA，with the dosage increase of FA，water demanding also increases，which resulted in the viscosity increase of the filling pulp，hindered aggregate moving in the slurry，consequently，both slumps and consistence show first increase and then decrease rule with dosage of FA.The optimum ratio of cementitions mateials are cement aggregate ratio 0.250,sturry concentration 80%,dosage of FA 1.00.Using PT and FA in cemented backfilling industry has significant economic，environmental and social benefits.

Fly ash(FA)，Coarse phosphate tailings，Cemented paste backfill，Orthogonal experiment

2015-05-27

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：2014CFA529)。

陳博文(1990—)，男，碩士研究生。

TD80

A

1001-1250(2015)-10-184-05