劉　龍　徐修平，3　楊曉軍，3　華　超，3　華紹廣

(1.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

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鉛鋅尾礦新型膠凝材料的制備與性能*

劉龍1，2徐修平1，2，3楊曉軍1，2，3華超1，2，3華紹廣1，3

(1.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

摘要針對鉛鋅尾礦濃度低、含水量高、尾砂含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、粒度低的特點(diǎn)，通過研究充填體作用機(jī)理，試驗(yàn)制備出一種通過激活劑激活水淬渣的新型膠凝材料。通過對不同濃度不同養(yǎng)護(hù)齡期新型充填料的強(qiáng)度測試和化學(xué)機(jī)理探究，試驗(yàn)研究結(jié)果表明：新型充填料在不同濃度下，早期強(qiáng)度略高于水泥膠結(jié)料，后期強(qiáng)度大于水泥膠結(jié)料，且流動性好，用量少，成本低，滿足礦山要求。

關(guān)鍵詞鉛鋅尾礦膠凝材料粒度抗壓強(qiáng)度

由于資源需求在世界范圍內(nèi)的快速增長，采礦正由地表向地下深層發(fā)展。充填采礦法由于其在提高資源回采率，防止地質(zhì)災(zāi)害和減少尾礦處理費(fèi)用等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)成為地下開采的主要方式?，F(xiàn)在使用的膠結(jié)充填方式，其成本主要來源于購買膠凝劑，占整個(gè)采礦成本的1/3左右。所以，性能好、價(jià)格低的膠凝材料成為提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的重要因素[1]。

膠凝材料主要有水泥、高水固結(jié)材料、水泥+礦渣、新型膠凝材料等幾種類型，而水泥是目前大多數(shù)礦山使用的膠凝劑[2-3]。南京銀茂鉛鋅礦業(yè)使用水泥為膠凝材料，標(biāo)號為425。但實(shí)際充填存在以下技術(shù)難題，其全尾礦中含泥量高、力學(xué)性能差，難以固化且抗壓性能差；尾礦顆粒細(xì)，水的表面張力大，顆粒間含水量高，也不易于固化、早強(qiáng)較差。實(shí)際充填只能通過提高膠凝劑與尾礦的充填比例來解決這些技術(shù)難題，導(dǎo)致了充填成本變高。所以，為解決上述關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)行了低成本、符合生產(chǎn)要求的新型膠凝材料的制備研究。

1新型尾礦膠結(jié)材料

高爐水淬渣具有潛在的膠凝活性，所以以水淬渣為膠凝材料的主要組成成分，開展激活劑的試驗(yàn)研究。

1.1高爐水淬渣

高爐熔煉生鐵時(shí)產(chǎn)生的浮在鐵水表面的熔融物，經(jīng)過水淬急冷處理，成為灰色顆粒狀態(tài)，質(zhì)地疏松多孔，即為水淬渣。選用馬鞍山石溪野生產(chǎn)的水渣作為原料，主要活性成分為SiO2、MgO、CaO、Al2O3，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1水淬渣化學(xué)成分分析結(jié)果

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1.2水淬渣活性激發(fā)

水淬渣的活性激發(fā)過程分為物理活化和化學(xué)激發(fā)。物理活化是通過研磨使其達(dá)到足夠的細(xì)度，研究表明水淬渣粒度越細(xì)活性越高，其粒徑在30 μm左右即能展現(xiàn)很高的活性，當(dāng)其粒徑小于10 μm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，對早期強(qiáng)度越有利?；瘜W(xué)激發(fā)則是通過添加堿性激活劑，與其混合磨細(xì)，激發(fā)其潛在的水化膠凝性能。

2試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料有水淬渣、激發(fā)劑、烘干的尾礦及水。

2.1.1水淬渣

選用石溪野已經(jīng)磨細(xì)的水淬渣(以下簡稱微粉)，通過馬爾文2 000激光粒度儀分析其粒度，粒度分布結(jié)果見表2。

表2　粒徑分析結(jié)果

由表2可知，微粉粒徑基本在100 μm以下，30 μm以下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到69.51%，滿足試驗(yàn)要求。

2.1.2激發(fā)劑

通過試驗(yàn)室前期試驗(yàn)優(yōu)化出符合工程需要的化學(xué)激發(fā)劑，其主要成分為堿性化學(xué)原料及少部分早強(qiáng)劑和助磨劑等。

2.1.3細(xì)粒全尾砂

試驗(yàn)用的尾砂為南京銀茂鉛鋅礦尾砂，化學(xué)成分見表3，粒徑分析見表4。

表3全尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果

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表4　全尾砂粒徑分析結(jié)果

由表3、表4可知，尾砂的主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2，F(xiàn)e2O3；粒徑-20 μm細(xì)泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到36.48，而-37 μm 尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)56.27%，可見該尾砂粒度超細(xì)。

2.2試驗(yàn)方法

將水淬渣、激發(fā)劑混合磨細(xì)至比表面積為5 000 cm2/g以上的混合體，即為新型膠凝材料，然后按要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)同時(shí)設(shè)計(jì)了礦用425水泥作為對比膠凝材料的試驗(yàn)，膠結(jié)劑(含新型膠凝材料和水泥)加水和尾砂混合均勻后按照國標(biāo) GB 177—85 水泥膠砂試驗(yàn)方法進(jìn)行攪拌，注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模中，并放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱中設(shè)定溫度為(20±1)℃、濕度為 92%以上，24 h脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，最后測定不同齡期試件的單軸抗壓強(qiáng)度。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1新型膠凝材料性能分析

(1)養(yǎng)護(hù)齡期對充填體試塊抗壓強(qiáng)度的影響和分析。對不同養(yǎng)護(hù)齡期的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，能夠直接反映出固化劑對尾礦的固化情況，對指導(dǎo)生產(chǎn)有著重要的意義。不同養(yǎng)護(hù)齡期充填體試塊抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表5。

表5　不同齡期充填體抗壓強(qiáng)度

由表5可知，在新型膠凝材料用量只要水泥一半的情況下，新型膠凝材料充填體雖然3 d的抗壓強(qiáng)度(滿足礦山要求)略低于水泥充填體，但是7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均大于水泥，特別是28 d的抗壓強(qiáng)度，優(yōu)勢明顯。

(2)濃度對充填體試塊抗壓強(qiáng)度的影響和分析。向尾礦中加入不同量的水，配成不同濃度的礦漿，再按比例加入膠凝劑，考察不同尾礦濃度對充填體強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)測試結(jié)果見表6。

表6　不同濃度充填體抗壓強(qiáng)度

由表6可知，在新型膠凝材料用量只有水泥一半的情況下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，新型膠凝材料充填體在不同尾礦濃度時(shí)其抗壓強(qiáng)度均大于水泥充填體；可見，新型膠凝劑比水泥有著更良好的膠凝固化能力。

3.2新型膠凝材料水化機(jī)理淺析

新型膠凝材料屬于堿激發(fā)礦渣膠凝材料，即利用活性化學(xué)激發(fā)劑激發(fā)水淬渣的潛在膠凝性能[4-5]。石灰與水反應(yīng)形成Ca(OH)2，水淬渣中的SiO2、Al2O3將與Ca(OH)2反應(yīng)形成水化產(chǎn)物CaO·SiO2·aq和CaO·Al2O3·aq。固化劑的水化物包圍尾礦顆粒，在這些水化物中有的自行繼續(xù)硬化形成骨架，有的與尾礦顆粒作用生成絡(luò)合物，最終相互連接形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)尾礦顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4結(jié)論

新型膠凝劑相比水泥用量少，且膠凝性能優(yōu)于水泥，能夠解決顆粒細(xì)而導(dǎo)致的尾礦難以膠結(jié)及膠結(jié)強(qiáng)度不高的問題。既能有效降低采礦充填成本，又可保證礦山在安全開采的前提下增大尾礦的處理量，減少尾礦排放，減少地表尾礦庫的堆存量，降低尾礦庫的潛在危險(xiǎn)，提高了資源利用效率，社會效益顯著。該固化劑利用工業(yè)廢料為主要原料，原料充足，可長期有效保證固化劑低成本優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]陳杰，倪文，張靜文.以冶金渣為膠凝材料的全尾砂膠結(jié)充填料的制備[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(11)：171-174.

[2]劉寶友.礦山充填料的選擇與應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(2)：123-124.

[3]趙傳卿，胡乃聯(lián).充填膠凝材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].黃金，2008(1)：26-27.

[4]董璐，高謙，南世卿，等.超細(xì)全尾砂新型膠結(jié)充填料水化機(jī)理與性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013(4)：1572-1576.

[5]王海軍，劉秋曉，徐鵬.尾礦規(guī)?；媒?jīng)濟(jì)分析與實(shí)例[J].金屬礦山，2014(9)：147-148.

(收稿日期2015-11-30)

*科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號：2014EG213184)。

劉龍(1988—)，男，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。