張國(guó)勝 楊曉炳 郭 斌 陳彥亭 涂光富

（1.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北唐山063000；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院北京100083）

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視以及復(fù)雜難采資源開發(fā)利用問題日益凸顯，不僅有色、黃金、貴金屬礦山充填采礦應(yīng)用比例逐年提高，而且充填采礦應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)展［1-4］。近10 a來，我國(guó)充填鐵礦山迅速增加，加快了綠色礦山建設(shè)進(jìn)程，并推動(dòng)了無廢開采技術(shù)的推廣應(yīng)用［5-10］。充填采礦法工藝復(fù)雜、生產(chǎn)能力較低、成本較高，導(dǎo)致采礦經(jīng)濟(jì)效益不理想。隨著粉磨設(shè)備和選礦工藝的發(fā)展，選礦尾砂逐步變細(xì)，不僅造成全尾砂漿濃密難度大，濃密生產(chǎn)成本高，還顯著降低了膠結(jié)充填體強(qiáng)度，從而不得不增大膠凝材料用量，由此顯著提高了充填采礦成本，從而給全尾砂充填采礦技術(shù)應(yīng)用帶來了嚴(yán)峻的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題。

充填采礦法是將充填骨料和膠凝材料與水混合攪拌制備成充填料漿，通過充填管道輸送到地下采場(chǎng)，由此形成膠結(jié)充填體支撐采場(chǎng)圍巖，達(dá)到控制圍巖變形、地表沉陷，保護(hù)環(huán)境與控制地壓的目的。同時(shí)，全尾砂充填將選礦尾砂全部回填到地下采空區(qū)，避免在地表尾礦庫(kù)中堆放，不僅可以減少尾礦庫(kù)征地、建造以及安全維護(hù)費(fèi)用，還能夠規(guī)避尾礦庫(kù)潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患。此外，充填法采礦還有助于降低礦石的損失與貧化，提高礦產(chǎn)資源開發(fā)利用效率。由此可見，全尾砂充填采礦能夠?qū)崿F(xiàn)“以廢制害”，達(dá)到安全開采與清潔生產(chǎn)的目的。目前，國(guó)內(nèi)外充填法開采礦山仍普遍采用水泥作為充填膠凝材料。由于選礦全尾砂含泥量較高，導(dǎo)致水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度顯著降低，尾砂越細(xì)，充填體強(qiáng)度越低。同時(shí)，超細(xì)全尾料漿的黏性高，管道輸送阻力大，導(dǎo)致料漿濃度低，進(jìn)一步降低了水泥膠結(jié)充填體的強(qiáng)度。目前，大部分以水泥作為膠凝材料的充填礦山，通常采用分級(jí)尾砂充填。分級(jí)尾砂充填不僅降低了尾砂利用率（一般為50%左右），還增加了尾砂細(xì)泥在地表堆放困難，存在潰壩、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患。

隨著選礦尾砂細(xì)度提高導(dǎo)致充填成本增加，使得全尾砂新型充填膠凝材料開發(fā)和利用變得更加迫切。本研究在綜合剖析全尾砂充填膠凝材料研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出新型膠凝材料開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，并指出全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向，供相關(guān)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐參考。

1 低成本全尾砂充填膠凝材料研究進(jìn)展

水泥作為充填膠凝材料存在用量大、強(qiáng)度低、采礦成本高、經(jīng)濟(jì)效益差等不足，因此業(yè)內(nèi)學(xué)者一直在尋求水泥代用品，并開展低成本新型充填膠凝材料開發(fā)與利用研究。

1.1 水泥混合膠凝材料研究與應(yīng)用

（1）礦渣水泥混合料。礦渣是冶煉生鐵從高爐中排出的一種固體廢渣，通常高溫爐渣要進(jìn)行水淬，因此也稱之為水淬渣。根據(jù)化學(xué)成分分類，礦渣屬于硅酸鹽質(zhì)材料，其結(jié)構(gòu)為結(jié)晶相與玻璃相的聚合體。將礦渣粉磨到水泥細(xì)度以上時(shí)，具有較高的水化活性，可采用水泥、氫氧化鈣或石膏進(jìn)行激發(fā)活化，生成具有水硬性的膠凝材料［11］?；诖?，礦渣可用作充填膠結(jié)材料。1994年張馬屯鐵礦首先開展了礦渣取代部分水泥作為膠凝材料的膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用尾礦、水泥+礦渣按照7∶1配比混合制備膠凝材料，其膠結(jié)充填體隨著礦渣替代水泥量的增加，后期強(qiáng)度隨之提高［12］。

（2）粉煤灰水泥混合膠凝材料。粉煤灰是從煤燃燒中的煙氣中回收的細(xì)灰，也稱飛灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物，其礦物成分與高鋁黏土相近。粉煤灰大部分是玻璃相，有少量未燃燒的碳和部分石英和莫來石的結(jié)晶礦物，CaO與SiO2含量比值約為0.1。粉煤灰的活性取決于其細(xì)度，粉煤灰越細(xì)，活性越高［13］。研究表明：在堿激發(fā)作用下，粉煤灰既充當(dāng)“微集料”的角色，還具有“低標(biāo)號(hào)水泥”的作用，從而優(yōu)化了充填體結(jié)構(gòu)。根據(jù)粉煤灰與水泥混合膠凝劑的試驗(yàn)結(jié)果可知，粉煤灰不僅能夠增強(qiáng)充填體的后期強(qiáng)度，而且還能夠改善充填料漿的泵送性能，由此顯著降低了管道輸送阻力［14-19］。付毅等［20］介紹了高摻量粉煤灰水泥配比和生產(chǎn)方法。胡家國(guó)等［21］研究了激發(fā)劑對(duì)粉煤灰水泥膠凝材料的影響，結(jié)果表明：當(dāng)水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比分別為1∶2∶6、1∶2∶8、1∶2∶10時(shí)，并添加0.3%石灰+2%石膏+0.5% CaCl2的復(fù)合激發(fā)劑，其膠結(jié)體7 d和28 d強(qiáng)度分別提高了45%左右，其后期強(qiáng)度也提高了17%～32%。勾密峰等［22］通過試驗(yàn)研究，確定粉煤灰巷旁充填膠凝材料的最佳配比為硫鋁酸鹽水泥40%、石膏20%、石灰6%、粉煤灰34%。

由此可見：以火山灰質(zhì)粉煤灰固廢物作為水泥摻合料制備混合膠凝材料，能夠替代部分水泥，降低充填膠凝材料成本。但總體上用量較少，對(duì)于提高充填采礦的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益效果不顯著。

1.2 高水充填膠凝材料開發(fā)與應(yīng)用

高水速凝材料是一種速凝、早強(qiáng)，可在大水灰比條件下產(chǎn)生水硬性的膠凝材料，可將9倍于自身體積的水凝結(jié)成固體，形成具有一定強(qiáng)度的高水型水化硫鋁酸鈣產(chǎn)物［23-24］。20世紀(jì)60年代，英國(guó)首次研制成功，并用于煤礦巷旁充填支護(hù)。20世紀(jì)90年代孫恒虎［25］開發(fā)了一種水灰比達(dá)3.0的高水固結(jié)充填材料（簡(jiǎn)稱“高水材料”），在招遠(yuǎn)金礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：高水材料固結(jié)的料漿濃度可達(dá)到30%～70%，在充填采場(chǎng)不脫水的情況下，可以凝結(jié)成固態(tài)充填體，且充填料漿凝固快、早期強(qiáng)度高。但高水材料來源局限性大、充填成本高，大氣環(huán)境下充填體易風(fēng)化，難以在充填采礦中推廣應(yīng)用［26］。

1.3 新型充填膠凝材料開發(fā)與應(yīng)用

新型充填膠凝材料是相對(duì)于水泥而言，是采用堿、鹽或復(fù)合激發(fā)劑，對(duì)礦渣、粉煤灰、煤矸石、鋼渣、赤泥等一類潛在活性的火山灰質(zhì)固廢物進(jìn)行激發(fā)產(chǎn)生水化反應(yīng)，從而制備成一類新型充填膠凝材料［27］。新型膠凝材料研究可追溯至前蘇聯(lián)Glukhovsky提出的“土壤水泥”，以及法國(guó)的Davidovits稱為“地聚物”膠凝材料［28］。近數(shù)十年來，業(yè)內(nèi)學(xué)者利用礦渣、鋼渣、粉煤灰、煅燒煤矸石、赤泥等火山灰質(zhì)固廢物，已經(jīng)開發(fā)出了多種新型充填膠凝材料，顯著降低了充填膠凝材料成本，在一定程度上也革新了充填技術(shù)與工藝［29-31］。

1.3.1 礦渣基充填膠凝材料

采用激發(fā)劑對(duì)礦渣潛在活性激發(fā)發(fā)生水化反應(yīng)，生成具有膠凝性的鈣礬石，由此制備成礦渣基充填膠凝材料。長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司的相關(guān)技術(shù)人員采用石灰等激化劑開發(fā)了充填膠結(jié)劑替代水泥，大幅度提高了膠結(jié)充填體強(qiáng)度。按1∶8膠砂比的全尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度可達(dá)2 MPa以上，其膠結(jié)劑成本僅為水泥的40%～60%。焦家金礦開展了試驗(yàn)研究，于2003年研制出名為“膠固粉”的新型充填膠凝材料，并進(jìn)行了充填試驗(yàn)。結(jié)果表明：膠固粉作為充填膠結(jié)劑可滿足尾砂充填料的充填要求，其材料性能和價(jià)格明顯優(yōu)于水泥，已經(jīng)在山東焦家、新城等金礦推廣應(yīng)用［32］。王有團(tuán)［33］、董越［34］、王強(qiáng)等［35］分別針對(duì)全尾砂和粗骨料，采用石灰和脫硫石膏制備復(fù)合激發(fā)劑，開展了不同配比的礦渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)，開發(fā)出名為“固結(jié)粉”的新型礦渣基膠凝材料。不同齡期的礦渣基膠凝材料的水化產(chǎn)物及產(chǎn)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析表明［34-35］：由石灰堿激發(fā)劑形成的堿性漿體，為礦渣玻璃體的分散、溶解創(chuàng)造了條件。在石灰的水解作用下，產(chǎn)生大量的Ca2+和OH－離子，反應(yīng)方式為CaO+H2O→Ca（OH）2。漿體中Ca2+和OH－進(jìn)入礦渣表面的水膜中，形成了一層含有OH－和Ca2+的堿性膜溶液。此時(shí)OH－離子濃度非常大，比水分子更容易進(jìn)入礦渣玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空穴，促進(jìn)礦渣分散、溶解和水化。礦渣水化過程首先是礦渣中SiO2、Al2O3活性礦物成分與Ca（OH）2發(fā)生水化反應(yīng)，混合物料中水分不斷供給，在礦渣表面不斷形成堿性薄膜，并通過礦渣表面水化產(chǎn)物間的縫隙向內(nèi)滲透，對(duì)礦渣進(jìn)行腐蝕，直到礦渣全部水化。石膏對(duì)礦渣基膠凝材料起到硫酸鹽激發(fā)劑作用，促進(jìn)礦渣中Al2O3與Ca（OH）2反應(yīng)生成水化鋁酸鈣，即鈣礬石。由于鈣礬石形成消耗了礦渣水化后的主要水化產(chǎn)物鋁酸鈣，因此加速了礦渣水化過程。同時(shí)新生成的水化硫鋁酸鈣增加了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。該產(chǎn)物含水量高，使得游離水量大大減少，結(jié)構(gòu)越來越致密，使得膠結(jié)充填體具有較高強(qiáng)度。

1.3.2 粉煤灰基充填膠凝材料

粉煤灰基充填膠凝材料是充填采礦技術(shù)的研究課題之一［36］。新橋硫鐵礦較早將粉煤灰用于礦山充填［19，37］。張磊［38］開展了粉煤灰基膠凝材料研究，開發(fā)出熟料∶粉煤灰∶礦渣=18∶10∶72和熟料∶粉煤灰∶礦渣∶氯化鈉=14∶30∶56∶3兩種配比的混合材料，其充填體強(qiáng)度達(dá)到42.5水泥的強(qiáng)度。陳賢樹等［39］將粉煤灰與礦渣、熟料、石膏、石灰石和外加劑，按照粉煤灰40%～45%、熟料18%～20%、礦渣30%～36%、石灰石5%和外加劑1%～2%的配比混合，粉磨比表面積達(dá)到400 m2/kg，其膠結(jié)充填體強(qiáng)度可達(dá)到32.5水泥強(qiáng)度，用于全尾砂充填，灰砂比可由水泥的1∶6降低到1∶7。采用粉煤灰、硅酸鹽凝膠C—H晶種、復(fù)合硫酸鹽和硫鋁酸鹽以及外加劑制備膠凝材料，按照粉煤灰40%～80%、硅酸鹽凝膠C—S—H晶種10%～30%、復(fù)合硫酸鹽和硫鋁酸鹽5%～15%、外加劑1%～5%配比混合粉磨，當(dāng)細(xì)度達(dá)到0（+45 μm含量為0）時(shí)，可以制備出粉煤灰基膠凝劑。馮巨恩等［40］利用水泥、石膏、石灰、外加劑與粉煤灰開展了充填膠凝材料研究，結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，膠結(jié)體早期強(qiáng)度與不加粉煤灰的基本相同；粉煤灰摻量達(dá)到20%時(shí)，膠結(jié)體早期強(qiáng)度有所下降，但后期強(qiáng)度有所提高；粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)，早期強(qiáng)度明顯下降，但90 d強(qiáng)度與不摻加粉煤灰的基本相當(dāng)。陳維新等［41］采用粉煤灰—水泥基膠凝材料，進(jìn)行了帶式條帶充填開采試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰摻量為80%～89%時(shí)，采用HJJ活化劑并加入少量硫鋁酸鹽水泥、KYY-ZHZ早強(qiáng)緩凝劑、KYY-S速凝劑、石灰、石膏等復(fù)合激發(fā)劑，在活化2～8 h和液固比為0.95～1.25條件下，膠結(jié)充填體8 h抗壓強(qiáng)度大于0.7 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度大于2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度大于5 MPa。

由此可見：粉煤灰基膠凝材料主要是利用粉煤灰發(fā)揮潛在活性和微骨料效應(yīng)的雙重作用。通過優(yōu)化配比和粉磨，可以制備出低強(qiáng)度充填體。但存在早期強(qiáng)度低以及增加粉磨混料工藝等問題，使得該型材料未能得到推廣應(yīng)用。實(shí)際上粉煤灰大多仍作為摻合料應(yīng)用于水泥膠凝材料中。

1.3.3 赤泥基充填膠凝材料

赤泥是制鋁工業(yè)產(chǎn)生的污染性廢渣，其主要礦物相包括硅酸二鈣、鋁酸三鈣、碳酸鈣、水化鋁硅酸鈣以及赤鐵礦等礦物相，因此赤泥也潛在一定的活性，但活性隨著氧化鋁生產(chǎn)方式、鋁土礦產(chǎn)地以及品位的不同而不同［42］。針對(duì)礦山充填量大、強(qiáng)度要求低等特點(diǎn)，赤泥基充填膠凝材料是充填采礦技術(shù)研究的課題之一［43］。山東鋁業(yè)公司與長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司合作，利用燒結(jié)法赤泥、粉煤灰和石灰混合，開展了赤泥基膠凝材料研究，在湖田鋁礦進(jìn)行了工業(yè)化試驗(yàn)。但其充填體早期強(qiáng)度低，未能實(shí)現(xiàn)全尾砂充填［44］。黃迪等［45］利用尾砂和燒結(jié)法赤泥等固廢物開展研究，獲得的赤泥基膠凝材料配比為赤泥49.2%+礦渣32.8%+熟料10%+石膏8%，差式掃描與熱重分析結(jié)果表明：試塊在水化初期產(chǎn)生鈣礬石、C—H—S凝膠水化產(chǎn)物，有利于形成早期強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：其膠凝材料充填體強(qiáng)度隨著全尾砂摻量增加而急劇下降。劉英等［46］利用拜耳法低鐵赤泥開發(fā)了赤泥基膠凝材料。借助XRD、FTIR、SEM、ICP-OES等測(cè)試分析手段，研究了拜耳法赤泥在電石渣—石膏體系中的水化硬化特性。結(jié)果表明：用電石渣和脫硫石膏制備復(fù)合激發(fā)劑，能夠激發(fā)拜耳法低鐵赤泥的潛在活性，產(chǎn)生水硬膠凝反應(yīng)。試塊28 d強(qiáng)度可達(dá)到7 MPa以上。于海濤［47］開展了赤泥基膠凝材料研究，結(jié)果表明：赤泥具有良好的保水性能，配比區(qū)間較大，長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度性能、料漿保水性好，管道磨損小，對(duì)管道微小裂隙具有愈合能力等優(yōu)點(diǎn)。

由此可見：相對(duì)于礦渣和粉煤灰，赤泥固廢物潛在活性較低，開發(fā)技術(shù)難度較大。尤其對(duì)于超細(xì)全尾砂充填骨料，其膠結(jié)充填體強(qiáng)度極低，目前這種新型充填膠凝材料仍處于試驗(yàn)研究階段。

2 全固廢膠凝材料研究與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全固廢膠凝材料研究背景

通常尾砂充填膠凝材料是采用石灰、熟料和外加劑等作為激發(fā)劑，對(duì)礦渣等具有高活性的火山灰質(zhì)固廢物進(jìn)行激發(fā)，產(chǎn)生水化反應(yīng)形成具有強(qiáng)度的結(jié)石體。目前已開發(fā)出膠固粉、HAS固結(jié)劑和固結(jié)粉等礦渣基膠凝材料。近年來，隨著我國(guó)環(huán)保政策的深入落實(shí)，對(duì)鋼鐵和水泥企業(yè)壓產(chǎn)降能，因此高活性礦渣排放量和水泥產(chǎn)能隨之減少。受水泥產(chǎn)能影響，礦渣在建材和混凝土中應(yīng)用也在增加，導(dǎo)致礦渣資源成本日趨提高，而在某些地區(qū)已經(jīng)供不應(yīng)求，因此高活性礦渣成為一種寶貴資源。礦渣基膠凝材料成本迅速提高，目前已接近普通硅酸鹽42.5水泥。同時(shí)，冶金工業(yè)每年排放出大量鋼渣、白渣、鎂渣以及工業(yè)副產(chǎn)石膏等低品質(zhì)固廢物。由于品質(zhì)差、活性低，有些還含有有毒、有害物質(zhì)和不利的礦物成分，導(dǎo)致低品質(zhì)固廢資源化利用存在難度大、成本高、利用率低等問題。2016年鋼渣產(chǎn)量為0.65～1.2億t，而利用率僅為20%左右，鋼渣存放量高達(dá)10億 t。鋼渣主要化學(xué)成分為 CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、MnO、Al2O3和少量的TiO2和P2O5等。主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO（鎂、鐵、錳的氧化物，游離石灰（f-CaO）等，因此鋼渣也潛在一定的活性。隨著我國(guó)充填礦山逐漸增多，對(duì)充填膠凝材料需求在不斷增加。針對(duì)充填膠凝材料低強(qiáng)度、高水灰比的特點(diǎn)，利用低品質(zhì)固廢開發(fā)低成本全固廢膠凝材料，不但能夠顯著降低尾砂充填采礦成本，緩解高品質(zhì)礦渣資源短缺問題，而且可為低品質(zhì)固體廢棄物模化和高附加值利用探索出一條途徑。

2.2 全固廢膠凝材料研發(fā)路線

顧名思義，全固廢膠凝材料是全部利用固廢開發(fā)的一種低成本充填膠結(jié)劑。其本質(zhì)是利用固廢物作為激發(fā)劑，替代以石灰、熟料的非固廢激發(fā)劑，對(duì)潛在活性的火山灰質(zhì)固廢物激發(fā)產(chǎn)生水化反應(yīng)，形成充填結(jié)石體。全固廢膠凝材料利用固廢物而不是人工材料制備激發(fā)劑。因此在激發(fā)機(jī)理、物料配比以及水硬化反應(yīng)等方面，比礦渣基膠凝材料更加復(fù)雜多變。顯然全固廢膠凝材料開發(fā)與生產(chǎn)面臨更多的技術(shù)難題。為了能夠獲得在技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理的綠色環(huán)保全固廢膠凝材料，本研究提出了從技術(shù)到產(chǎn)品和產(chǎn)品到商品的開發(fā)路線。

（1）技術(shù)開發(fā)。技術(shù)開發(fā)是全固廢膠凝材料研究的第一步。其關(guān)鍵在于利用堿和鹽類固體廢棄物，開發(fā)低成本和無毒物污染的復(fù)合激發(fā)劑。涉及的研究工作有：①首先對(duì)可以利用的固廢進(jìn)行礦物成分分析與特性研究，然后對(duì)固廢的堿度和鹽性進(jìn)行定量分類與綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)可利用的有毒有害固廢進(jìn)行預(yù)處理及安全性評(píng)價(jià)；②開展全固廢膠凝材料試驗(yàn)與配比優(yōu)化研究，針對(duì)不同配比的全固廢激發(fā)劑，進(jìn)行膠結(jié)充填體試塊強(qiáng)度測(cè)試，由此進(jìn)行激發(fā)劑配比優(yōu)化決策，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、環(huán)保安全性分析；③針對(duì)不同細(xì)度尾砂充填料，開展全固廢膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度和管輸特性試驗(yàn)，研究尾砂細(xì)度、膠砂比、料漿濃度與膠結(jié)充填體強(qiáng)度和料漿管輸特性的關(guān)系，綜合評(píng)價(jià)全固廢膠凝材料的安全性與可靠性。

（2）生產(chǎn)工藝。優(yōu)化生產(chǎn)工藝是全固廢膠凝材料從技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的重要一步，涉及的研究工作有：①全固廢膠凝材料生產(chǎn)工藝研究，針對(duì)用于生產(chǎn)全固廢膠凝材料物料的物化特性、硬度以及易磨性等，選擇與之相適應(yīng)的粉磨設(shè)備以及生產(chǎn)工藝分析與質(zhì)量控制指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮設(shè)備投資、生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益等因素，進(jìn)行全固廢膠凝材料生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)分析與優(yōu)化研究；②全固廢膠凝材料質(zhì)量指標(biāo)研究，根據(jù)粉磨設(shè)備和生產(chǎn)工藝，確定全固廢膠凝材料的質(zhì)量指標(biāo)，包括固廢原材料的物化特性、質(zhì)量與活性要求、粉體細(xì)度與物料配比控制精度等。

（3）產(chǎn)品商業(yè)化。產(chǎn)品商業(yè)化是在全固廢膠凝材料在工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品作為商品向礦山推廣應(yīng)用。由此可見，作為一種新型的全固廢充填膠凝材料要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，還需要開展的工作有：①全固廢膠凝材料技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化取值，包括膠凝材料粒徑特征參數(shù)與粒徑級(jí)配、粉體密度和流動(dòng)性等；②全固廢膠凝材料質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化取值，包括產(chǎn)品存放條件、保質(zhì)期以及與水泥膠凝材料在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面的對(duì)比分析結(jié)果，產(chǎn)品應(yīng)用注意事項(xiàng)。

2.3 全固廢膠凝材料研究?jī)?nèi)容

（1）固體廢棄物特性分析處理方法研究。全固廢膠凝材料是利用堿和硫酸鹽等固廢制備全固廢復(fù)合激發(fā)劑，對(duì)高活性礦渣微粉進(jìn)行活性激發(fā)制備而成。顯然全固廢物料活性、有害性等特性，關(guān)系到全固廢膠凝材料的性能以及環(huán)保性。因此，對(duì)可以利用的固體廢棄物進(jìn)行礦物成分分析、酸堿性分類以及有毒有害性處理，是全固廢充填膠凝材料研究的關(guān)鍵課題。

（2）全固廢膠凝材料試驗(yàn)與配比優(yōu)化研究。全固廢膠凝材料開發(fā)涉及全固廢激發(fā)劑以及與活性材料配比優(yōu)化研究。由于全固廢膠凝材料物化特性和利用成本，直接與全固廢膠凝材料的細(xì)度、材料配比以及生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，因此，綜合考慮固廢物料特性、生產(chǎn)成本、充填工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究與優(yōu)化，是全固廢膠凝材料開發(fā)的重要研究課題。

（3）全固廢膠凝材料粉磨與生產(chǎn)工藝研究。全固廢膠凝材料作為產(chǎn)品在充填采礦中應(yīng)用，依賴于物料生產(chǎn)工藝。為此涉及以下研究工作：①?gòu)?fù)合激發(fā)劑粉磨與混合均化工藝，通常全固廢激發(fā)劑物料在硬度、含水率、粒度與粒徑級(jí)配等方面不同，因此，需要開展復(fù)合激發(fā)劑粉磨方式與制備工藝的研究；②全固廢激發(fā)劑與活性物料混合均化生產(chǎn)工藝，對(duì)全固廢膠凝材料設(shè)備、成本與質(zhì)量也產(chǎn)生影響，因此需要結(jié)合礦山充填需求，進(jìn)行全固廢膠凝材料粉磨與生產(chǎn)工藝研究，并開展工業(yè)充填試驗(yàn)，確定與之相適應(yīng)的生產(chǎn)工藝。

3 全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向

3.1 全固廢膠凝材料研究現(xiàn)狀

隨著充填采礦技術(shù)廣泛應(yīng)用以及礦渣資源短缺、利用成本高等問題日益嚴(yán)峻，近年來學(xué)術(shù)界開展了全固廢膠凝材料探索性研究。杜惠惠等［48］利用承德鋼鐵集團(tuán)有限公司低品質(zhì)釩鈦礦渣、鋼渣和脫硫石膏，開展了不同礦渣摻量和養(yǎng)護(hù)溫度的膠結(jié)體試塊強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得的全固廢膠凝材料優(yōu)化配比為釩鈦礦渣58%、鋼渣30%和脫硫石膏12%。在此基礎(chǔ)上，崔孝煒等［49］開展了釩鈦鋼渣—礦渣基全固廢膠凝材料水化反應(yīng)機(jī)理研究。結(jié)果表明：全固廢膠凝材料水化溶液的pH值隨著反應(yīng)齡期增加呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。其中，Ca2+濃度和硅（鋁）溶解物的早期濃度較低，后期濃度有所提高。在脫硫石膏復(fù)合激發(fā)下，鋼渣和礦渣相互促進(jìn)水化，其水化產(chǎn)物以鈣礬石（AFt）和水化硅酸鈣（C—S—H）凝膠為主，后期水化產(chǎn)物數(shù)量迅速增加。針棒狀的AFt晶體穿插在C—S—H凝膠內(nèi)，使硬化漿體結(jié)構(gòu)更加致密。李立濤等［50］針對(duì)鐵礦全尾砂細(xì)骨料，利用鋼渣、礦渣粉煤灰和脫硫石膏，開展了鋼渣基全固廢膠凝材料研究。通過建立全固廢膠凝材料配比優(yōu)化模型，利用遺傳算法進(jìn)行配比全局尋優(yōu)，獲得的全固廢膠凝材料優(yōu)化配比為脫硫石膏20%、鋼渣33%、粉煤灰25%、礦渣22%。由此使得尾砂膠結(jié)體7 d和28 d強(qiáng)度達(dá)到1.38 MPa和3.56 MPa。通過對(duì)全固廢膠凝材料體系中C—S—H凝膠與鈣釩石損失率的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)鈣釩石損失率從3.64%增加到8.7%時(shí)，膠結(jié)體強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。梁峰等［51］針對(duì)思山嶺鐵礦超細(xì)全尾砂，利用鋼渣、礦渣和脫硫石膏，開展了鋼渣基全固廢膠凝材料研究。采用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)和體積收縮率測(cè)試，獲得的全固廢膠凝材料優(yōu)化配比為鋼渣40%、石膏22%、礦渣38%，使得充填體28 d強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa以上，滿足階段嗣后充填法采礦對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。此外，該項(xiàng)研究還顯示：脫硫石膏對(duì)膠結(jié)充填體7 d強(qiáng)度影響大于鋼渣，28 d強(qiáng)度則相反；膠結(jié)充填體28 d體積收縮率小于6%，但后期出現(xiàn)微膨脹。

3.2 研究發(fā)展方向

目前，全固廢膠凝材料研究基本處于室內(nèi)試驗(yàn)階段，鮮有充填礦山工業(yè)化應(yīng)用成果問世。本研究依托河北省科技廳重大技術(shù)轉(zhuǎn)化專項(xiàng)“低品質(zhì)固廢協(xié)同制備超細(xì)尾砂似膏體綠色充填采礦技術(shù)轉(zhuǎn)化”（編號(hào)：2019-06），在中關(guān)鐵礦開展了工業(yè)化充填試驗(yàn)研究。結(jié)合研究過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

（1）由鋼渣基向多固廢綠色膠凝材料研究方向發(fā)展。目前全固廢膠凝材料的研究，主要以鋼渣和脫硫石膏作為堿鹽復(fù)合激發(fā)劑，對(duì)礦渣微粉的潛在活性進(jìn)行激發(fā)，開發(fā)鋼渣基全固廢充填膠凝材料。眾所周知，工業(yè)固廢除了鋼渣和脫硫石膏外，還有白渣、鎳渣、鎂渣、電石渣等堿性固廢物，同時(shí)化學(xué)工業(yè)還排放磷石膏、氟石膏等鹽類廢棄物。工業(yè)固廢主要特點(diǎn)不僅是產(chǎn)生源分散、產(chǎn)量大、組成復(fù)雜，有些固廢物還具有毒性、放射性、腐蝕性等危險(xiǎn)特性。根據(jù)鋼渣基全固廢膠凝材料開發(fā)技術(shù)，利用多種堿和鹽類固廢物開發(fā)全固廢膠凝材料，是低成本全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向。劉權(quán)等［52］、黃緒泉等［53］開展了氟石膏基膠凝材料研究。李高魯?shù)龋?4］、倪文等［55］分別開展了電石渣對(duì)充填膠凝材料影響規(guī)律的研究以及氟石膏基全固廢膠凝材料研究。本研究利用邯鋼精煉白渣，已經(jīng)開展了全固廢膠凝材料的探索性研究。初步結(jié)果表明：白渣堿性固廢也具有與鋼渣相同的堿激發(fā)作用，能夠用于開發(fā)白渣基全固廢膠凝材料。此外，本研究還利用新疆哈密地區(qū)鎂渣，開展了鎂渣基全固廢膠凝材料研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：鎂渣同樣可以作為堿激發(fā)劑，可用于開發(fā)全固廢充填膠凝材料。

（2）注重全固廢膠凝材料水化機(jī)理與配比優(yōu)化研究。全固廢膠凝材料開發(fā)的核心技術(shù)在于，利用堿和鹽類固廢物開發(fā)全固廢復(fù)合激發(fā)劑，對(duì)潛在活性的火山灰質(zhì)固廢物料進(jìn)行激發(fā)，制備全固廢膠凝材料。顯然，由于不同固廢物料的礦物成分、鹽堿性不同，其激發(fā)劑水化機(jī)理與優(yōu)化配比也不盡相同。因此，開展多種全固廢膠凝材料水化機(jī)理研究，是膠凝材料配比優(yōu)化的理論基礎(chǔ)，是開發(fā)全固廢膠凝材料的重要研究方向。

（3）與充填礦山密切結(jié)合開展全固廢膠凝材料研究。充填膠凝材料適用于充填礦山的采礦方法與生產(chǎn)條件，是新型充填技術(shù)得以在礦山實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。不同礦山的開采技術(shù)條件、開采工藝不同，對(duì)充填膠凝材料特性要求也存在較大差異。因此，作為一種新型充填膠凝材料開發(fā)研究，必須與礦山具體條件密切結(jié)合，需要針對(duì)充填礦山的充填骨料、充填體強(qiáng)度要求、充填漿液管輸條件、制備方法與輸送工藝等，開展全固廢膠凝材料的開發(fā)研究。同時(shí)，還需要因地制宜地利用多種固廢物，開展新型膠凝材料的開發(fā)與應(yīng)用。

（4）向技術(shù)、產(chǎn)品和商品化綠色膠凝材料研究方向發(fā)展。全固廢膠凝材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵在于形成可在市場(chǎng)流通的商品。因此需要按照從技術(shù)到產(chǎn)品和從產(chǎn)品到商品的途徑進(jìn)行全固廢膠凝材料開發(fā)。主要研究工作為：針對(duì)全固廢充填膠凝材料優(yōu)化配方，結(jié)合礦山充填采礦方法和生產(chǎn)工藝，開展膠結(jié)充填體強(qiáng)度和管輸特性的工業(yè)試驗(yàn)，檢驗(yàn)和驗(yàn)證新型充填膠凝材料的可靠性、可行性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，從而開發(fā)出市場(chǎng)上認(rèn)可的新型充填膠凝材料。

（5）創(chuàng)建全尾砂和全固廢充填示范礦山工程。作為一種新型低成本充填膠凝材料在充填礦山推廣應(yīng)用，創(chuàng)建綠色礦山和示范工程顯得十分必要，不僅可以檢驗(yàn)新型充填膠凝材料在充填礦山應(yīng)用的可行性與可靠性，也為全固廢新型充填膠凝材料推廣應(yīng)用提供了示范工程。因此，創(chuàng)建示范工程的主要研究包括：選定典型全尾砂充填礦山，針對(duì)礦山采礦方法、采礦技術(shù)條件、充填骨料、充填系統(tǒng)、充填倍線以及充填采場(chǎng)對(duì)膠結(jié)充填體的強(qiáng)度和料漿管輸要求，開展全固廢充填膠凝材料工業(yè)化試驗(yàn)。通過大規(guī)模工業(yè)試驗(yàn)，制定新型膠凝材料和充填工藝設(shè)計(jì)方法、技術(shù)規(guī)范和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，編制全固廢膠凝材料充填技術(shù)操作規(guī)程以及安全生產(chǎn)預(yù)案。創(chuàng)建新型充填膠凝材料示范礦山，可為低成本全固廢膠凝材料在礦山推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。