無熟料鋼渣膠凝體系制備礦山充填料的流動性能研究

無熟料鋼渣膠凝體系制備礦山充填料的流動性能研究

張靜文　倪 文　胡 文

（北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083）

摘  要：討論了在無熟料鋼渣膠凝材料體系下，礦山充填料流動性的主要影響因素。料漿流動性試驗結果表明摻加粉煤灰能明顯改善體系的流動性，在一定范圍內(nèi)，漿體流動性隨著粉煤灰摻量增大而增大；礦渣對漿體流動性的改善效果不如粉煤灰，但能提高充填體各齡期抗壓強度；脫硫石膏對漿體流動性的改善效果優(yōu)于天然石膏；粗細粒級分配較均勻的尾礦對流動性的改善有積極的作用；料漿濃度對體系流動性和強度影響很大。

關鍵詞：鋼渣；膠結充填；流動性

中圖分類號：TD85313           文獻標識碼：A 

引言

       鋼渣作為冶金工業(yè)的主要廢渣，一直以來都是固體廢棄物資源化研究的重點對象。我國每年的鋼渣排放量達1億噸，現(xiàn)有堆積量超過5億噸，伴隨鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鋼渣的排放量也會不斷增加。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計，鋼渣利用率僅在25%左右，極低的利用率造成鋼渣大量堆積，不僅浪費資源，占用土地，還造成了極大的環(huán)境污染和安全隱患^[1]。而在礦山充填中目前膠結充填的膠結劑仍以水泥為主^[2]，其消耗量大，成本高是困擾礦山的一大難題。尋找合適的膠凝材料替代水泥作為膠結劑生產(chǎn)強度高，能自流，不離析的充填材料是礦山膠結充填的一個重要的研究和發(fā)展方向。

在礦山充填的實際生產(chǎn)過程中充填料的流動性是幾個關鍵指標之一。料漿流動度較小時，充填料的流動阻力較大，在充填倍線較大的條件下很難通過自流輸送的方式進行充填，需要進行泵壓輸送，成本也較高。本文利用鋼渣摻與適量礦渣粉、粉煤灰和少量脫硫石膏作為激發(fā)劑，經(jīng)混合制成的水硬性膠凝材料，完全替代水泥作為膠結劑，同時加入大量的尾礦作為骨料制備鋼渣全尾砂礦山充填料，并討論影響料漿流動性的主要因素。

1. 試驗

1.1原料

鋼渣：為唐鋼悶熱法生產(chǎn)的鋼渣，粉磨至比表面積590m²/kg，化學成分見表1.1。

礦渣：為鞍鋼集團礦渣開發(fā)公司生產(chǎn)的商品礦渣粉，粉磨至比表面積480m²/kg。

脫硫石膏：為北京市石景山熱電廠生產(chǎn)的脫硫石膏，主要礦物相為二水硫酸鈣，粉磨至比表面積360m²/kg。

粉煤灰：取自淮南洛河電廠在上窯灰場中的I、Ⅱ級粉煤灰，比表面積分別為320m²/kg和260m²/kg。

尾礦：為石人溝鐵礦的鐵尾礦，主要成分為石英和赤鐵礦，其中95%左右的尾砂顆粒粒徑小于0.63mm，小于0.075mm的尾砂顆粒占39.36%。尾礦粒度分布見表1.2。   

表1.1 各原料化學成分 (wt.%)

表1.2 石人溝鐵尾礦粒徑分布

1.2試驗方法

       將鋼渣、礦渣、脫硫石膏及粉煤灰烘至含水率小于1%后，分別磨細至試驗所需的細度，按一定比例分別稱量加入適量減水劑混合均勻，根據(jù)試驗設計的尾砂比例及料漿濃度加入尾砂和所需的水進行攪拌后測試其漿體的流動性。本試驗中料漿流動性分為定性和定量兩部分，對漿體自流通過L型管道的流動狀態(tài)進行定性分析，并以漿體的流動度值作為定量表示。流動度值按照GB80－85《混凝土拌和物試驗方法》進行坍落筒法測定其擴展度。料漿澆鑄成型后放入標養(yǎng)箱中養(yǎng)護至一定齡期，測試其抗壓強度。

2. 結果與討論

2.1粉煤灰對流動性的影響

       以鋼渣-脫硫石膏體系為研究對象，研究摻加不同種類不同用量的粉煤灰對漿體流動性的影響，其中粉煤灰分為Ⅰ級粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰。Ⅰ級粉煤灰原始比表面積為320m²/kg，粉磨至比表面積440 m²/kg，II級粉煤灰原始比表面積為260m²/kg，粉磨至比表面積420 m²/kg， PC減水劑摻量0.5%，膠砂比1：6，料漿濃度75%，試驗結果見表2.1。

表2.1 粉煤灰對流動性的影響

       由表2.1可知摻加粉煤灰能明顯提高漿體的流動性，Ⅰ級粉煤灰的提升效果優(yōu)于Ⅱ級粉煤灰，未磨的粉煤灰比磨細的粉煤灰效果更好并且在一定范圍內(nèi)，漿體流動性隨著粉煤灰摻量增大而增大。

粉煤灰顆粒呈致密的球狀，且表面光滑，在膠結材料中起“滾動作用”，這種“形態(tài)效應”能明顯改善膠砂的流動性，同時粉煤灰的需水量比也較小，也能促進膠砂流動性的提高。Ⅱ級粉煤灰的需水量比相對較大，粒度較粗，球形顆粒少，因而改善效果不如Ⅰ級粉煤灰。過細粉磨的粉煤灰其本身比表面積增加過多，分散效果不佳，不能充分發(fā)揮粉煤灰球形顆粒的粒形效應，導致其對流動性的增加效果不如未磨的粉煤灰。

當鋼渣－脫硫石膏體系中摻入10%以上的Ⅰ級未磨的粉煤灰時，漿體能自流通過L型管道，流動度值高于200mm，滿足自流型膠結充填料對流動性的要求。

按表2.1中a4、a5組膠凝材料配方制成的膠砂試塊各齡期的抗壓強度對比如圖2.1所示。由圖2.1可知，在鋼渣－脫硫石膏－粉煤灰無熟料膠凝體系中，早期強度較低，后期強度雖有一定增長，但仍然偏低，60天最高僅有2.32MPa。

圖2.1 粉煤灰對充填體強度的影響

2.2 礦渣對流動性的影響

       由于鋼渣-脫硫石膏-粉煤灰體系制備的膠結充填材料強度較低，在上述膠凝體系中摻加礦渣，利用礦渣與鋼渣之間的相互活化效果來提高充填體強度，并考察礦渣對流動性的影響，PC減水劑摻量為0.5%，膠砂比為1：6，料漿濃度為75%。

表2.2 礦渣對流動性的影響

       對比表2.2中b1和b2組數(shù)據(jù)可知摻加礦渣取代部分鋼渣能明顯提高漿體的流動性，對比b2、b3組數(shù)據(jù)可知礦渣取代部分粉煤灰會使?jié){體流動性有一定程度的下降，對比b3、b4組數(shù)據(jù)可知當?shù)V渣取代全部粉煤灰時，漿體依然具有較好的流動性，能自流通過L型管道，流動度220mm滿足自流型膠結充填料的流動性要求。

按表2.2中b1、b2組膠凝材料配方制成的膠砂試塊各齡期的抗壓強度對比如圖2.2所示。由圖2.2可知，在鋼渣－脫硫石膏－粉煤灰無熟料膠凝體系中，摻加10%的礦渣代替鋼渣制成的全尾砂膠結充填料，充填體各齡期的抗壓強度均能得到較大程度的提升。28d抗壓強度由原先的1.74MPa提升至2.76MPa，后期抗壓強度增長幅度不大。

膠凝體系中摻入10%以上的礦渣時，漿體能自流通過L型管道，流動度值在220mm以上，滿足自流型膠結充填料對流動性的要求。礦渣對漿體流動性的改善效果雖不如粉煤灰，但礦渣的加入并不會使?jié){體失去自流性，從增強充填體抗壓強度的角度考慮，用礦渣取代部分粉煤灰或鋼渣以達到礦山膠結充填對充填體的強度要求是可行的。

圖2.2 礦渣對充填體強度的影響

2.3 石膏種類對流動性的影響

       試驗主要脫硫石膏和天然石膏對流動性的影響。試驗結果如表2.3所示，PC減水劑摻量為0.5%，膠砂比為1：6，料漿濃度為75%。

表2.3 不同種類石膏對流動性的影響

       由表2.3可知，摻加煙氣脫硫石膏或天然石膏均能使?jié){體自流通過L型管道，流動性較好，且脫硫石膏效果更好。

       脫硫石膏的易磨性比天然石膏好，在相同磨礦時間的前提下，煙氣脫硫石膏的比表面積相對較大。微米級脫硫石膏顆粒近似于球狀玻璃微珠，在膠凝體系之間能起到一定的潤滑作用，脫硫石膏的球狀玻璃微珠形態(tài)也具有類似于粉煤灰球形顆粒的“形態(tài)效應”，增大了漿體的流動性。脫硫石膏比天然石膏的來源更為廣泛，屬于工業(yè)固體廢棄物，成本較低；摻加脫硫石膏對漿體流動性的改善效果比天然石膏好，在體系中摻加10%的脫硫石膏時，漿體能自流通過L型管道，流動度值為220mm，滿足自流型膠結充填材料對料漿流動性的要求。

2.4 尾砂細度對流動性的影響

       以鋼渣-脫硫石膏-粉煤灰體系為研究對象，考察不同細度的尾砂對漿體流動性的影響，其中：粒度較大的密云粗尾砂，其中27.46%的尾砂顆粒粒徑小于0.075mm；河北鋼鐵集團礦業(yè)公司石人溝鐵礦山現(xiàn)場采集回來的鐵尾礦，粒徑小于0.075mm的尾砂顆粒占39.36%；粒度很細的鞍鋼齊大山細尾砂，44%左右的尾砂顆粒粒徑小于0.075mm；及將密云尾砂與齊大山尾砂按一定比例混合后得到的細度與石人溝尾礦粒徑分布接近的混合尾砂。試驗結果見表2.4，PC減水劑摻量為0.5%，膠砂比為1：6，料漿濃度為78%。

表2.4 尾砂細度對流動性的影響

        對比分析表2.4中4組數(shù)據(jù)可知，在膠凝材料相同的條件下，用密云粗尾砂制備的全尾砂膠結充填材料流動性很差，用很細的齊大山尾砂做骨料也不能制得流動性較好的膠結充填料；兩種尾砂混合得到的混合尾砂以及石人溝尾礦用作骨料時都能制備流動性很好的膠結充填材料。

密云粗尾砂顆粒大，用作骨料時，膠凝材料不能完全包裹尾砂顆粒，水砂分層現(xiàn)象明顯，離析嚴重，因而流動性很差。而尾砂顆粒過細時，尾砂與膠結劑混合的漿體會變得粘稠類似膏體，也不具有較好的流動性。兩種尾砂混合得到的尾砂以及石人溝尾砂級配比較合理，膠結劑與尾砂骨料接觸良好，不會產(chǎn)生離析，能直接作為骨料制備全尾砂膠結充填材料。

        以石人溝現(xiàn)場采集回來的鐵尾礦為骨料，膠砂比1：6制成全尾砂膠結充填材料，其漿體能自流通過自制彎曲管道，流動度值為220mm。

2.5 料漿濃度的優(yōu)化控制

        本試驗的主要目的是考察料漿濃度對漿體流動性的影響，試驗結果見表2.5， PC減水劑摻量為0.5%，膠砂比為1：6。

表2.5 料漿濃度對流動性的影響

        由表2.5可知，漿體流動性隨著料漿濃度的不斷降低呈現(xiàn)先增加到一定值后下降的趨勢，流動性在料漿濃度為73%時達到最大值，繼續(xù)降低則會產(chǎn)生離析，流動性變差。

對于充填體系來說，料漿濃度為80%時添加的水已能夠滿足膠凝體系水化所需水量，繼續(xù)降低濃度所摻加的水大部分為膠凝體系水化所需的水以外的游離水，這部分水會在漿體中留下空隙，提高漿體流動性的同時，也會影響膠結劑與尾砂顆粒之間的結合，降低充填體強度；當料漿濃度為73%時，游離水與漿體之間保持穩(wěn)定關系，膠結劑與尾砂顆粒之間的結合也還處于穩(wěn)定狀態(tài)，漿體流動性達到最佳值；繼續(xù)降低料漿濃度，膠結劑與尾砂顆粒之間的結合狀態(tài)被打破，出現(xiàn)水砂分層現(xiàn)象，產(chǎn)生離析，漿體流動性下降。

       按表2.5中e1、e2、e3組膠凝材料配方及料漿濃度制成的全尾砂膠結充填料膠砂試塊各齡期的抗壓強度對比如圖2.3所示：

圖2.3 料漿濃度對充填體抗壓強度的影響

       由圖2.3可知e2、e3組試塊抗壓強度隨著養(yǎng)護時間的延長持續(xù)增長，而e1組試塊養(yǎng)護60d抗壓強度比28d時的抗壓強度略低；e3組試塊各齡期的抗壓強度都是3組試塊中最高的，e1組試塊抗壓強度最低，說明在料漿濃度范圍為70%－75%時，料漿濃度越高，充填體抗壓強度越高。

       按e1組配方料漿濃度70%制成的膠結充填材料，料漿能自流通過自制L型管道，但存在明顯的水砂分層現(xiàn)象，加水過多導致離析，充填體力學性能下降，尾砂顆粒與膠凝材料之間的結合不穩(wěn)定，因而會出現(xiàn)充填體強度不高且隨著養(yǎng)護時間的延長強度反而有所下降的現(xiàn)象。在料漿濃度70%－75%范圍內(nèi)，料漿濃度越高，超出膠凝材料水化所需水量的游離水越少，這部分游離水足以使?jié){體具有較好的流動性，但過多則會對充填體強度造成影響，游離水越少，充填體抗壓強度越高。

       因此，料漿濃度為73%－75%時，漿體流動性滿足自流型膠結充填料流動性要求。現(xiàn)場充填時充填料所需的水全部來自尾礦，現(xiàn)代礦山經(jīng)過對尾礦的濃縮處理，尾礦的含水率一般能達到75%左右，繼續(xù)降低尾礦含水率成本較高，而且73%濃度下制成的膠結充填體抗壓強度低于75%時制備的充填體抗壓強度，因此綜合分析試驗結果和生產(chǎn)實際，料漿濃度75%較為合適。

 結語

（1）漿體流動性試驗表明粉煤灰能明顯改善體系的流動性，在一定范圍內(nèi)，漿體流動性隨著粉煤灰摻量增大而增大。

（2）礦渣的加入并不會使?jié){體的自流性降低，從增強充填體抗壓強度的角度考慮，可以采用礦渣取代部分粉煤灰或鋼渣以達到礦山膠結充填對充填體的強度要求。

（3）脫硫石膏和粗細粒級分配較均勻的尾礦均對流動性的改善有積極的作用。

（4）料漿濃度對充填料流動性和強度影響很大，在無熟料鋼渣復合膠凝材料體系中料漿濃度為73%－75%時，漿體流動性能滿足自流型膠結充填料流動性要求。