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(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(qiáng)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(xì)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(qiáng)度影響很大。

關(guān)鍵詞：鋼渣；膠結(jié)充填；流動性

中圖分類號：TD85313           文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)對象。我國每年的鋼渣排放量達(dá)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(jì)，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(fèi)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(jié)充填的膠結(jié)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(jié)劑生產(chǎn)強(qiáng)度高，能自流，不離析的充填材料是礦山膠結(jié)充填的一個(gè)重要的研究和發(fā)展方向。

在礦山充填的實(shí)際生產(chǎn)過程中充填料的流動性是幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)之一。料漿流動度較小時(shí)，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(jìn)行充填，需要進(jìn)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(jié)劑，同時(shí)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(yàn)

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(xué)成分見表1.1。

礦渣：為鞍鋼集團(tuán)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(xué)成分 (wt.%)

表1.2 石人溝鐵尾礦粒徑分布

1.2試驗(yàn)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(xì)至試驗(yàn)所需的細(xì)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(yàn)設(shè)計(jì)的尾砂比例及料漿濃度加入尾砂和所需的水進(jìn)行攪拌后測試其漿體的流動性。本試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)方法》進(jìn)行坍落筒法測定其擴(kuò)展度。料漿澆鑄成型后放入標(biāo)養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)至一定齡期，測試其抗壓強(qiáng)度。

2. 結(jié)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(yàn)結(jié)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(xì)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(jié)材料中起“滾動作用”，這種“形態(tài)效應(yīng)”能明顯改善膠砂的流動性，同時(shí)粉煤灰的需水量比也較小，也能促進(jìn)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(xì)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(yīng)，導(dǎo)致其對流動性的增加效果不如未磨的粉煤灰。

當(dāng)鋼渣－脫硫石膏體系中摻入10%以上的Ⅰ級未磨的粉煤灰時(shí)，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(jié)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(qiáng)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(qiáng)度較低，后期強(qiáng)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(qiáng)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(jié)充填材料強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)?shù)V渣取代全部粉煤灰時(shí)，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(jié)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(qiáng)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(jié)充填料，充填體各齡期的抗壓強(qiáng)度均能得到較大程度的提升。28d抗壓強(qiáng)度由原先的1.74MPa提升至2.76MPa，后期抗壓強(qiáng)度增長幅度不大。

膠凝體系中摻入10%以上的礦渣時(shí)，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(jié)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(qiáng)充填體抗壓強(qiáng)度的角度考慮，用礦渣取代部分粉煤灰或鋼渣以達(dá)到礦山膠結(jié)充填對充填體的強(qiáng)度要求是可行的。

圖2.2 礦渣對充填體強(qiáng)度的影響

2.3 石膏種類對流動性的影響

       試驗(yàn)主要脫硫石膏和天然石膏對流動性的影響。試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(yīng)”，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(shí)，漿體能自流通過L型管道，流動度值為220mm，滿足自流型膠結(jié)充填材料對料漿流動性的要求。

2.4 尾砂細(xì)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(xì)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(tuán)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(xì)的鞍鋼齊大山細(xì)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(xì)度與石人溝尾礦粒徑分布接近的混合尾砂。試驗(yàn)結(jié)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(xì)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(jié)充填材料流動性很差，用很細(xì)的齊大山尾砂做骨料也不能制得流動性較好的膠結(jié)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(shí)都能制備流動性很好的膠結(jié)充填材料。

密云粗尾砂顆粒大，用作骨料時(shí)，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(yán)重，因而流動性很差。而尾砂顆粒過細(xì)時(shí)，尾砂與膠結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(yàn)的主要目的是考察料漿濃度對漿體流動性的影響，試驗(yàn)結(jié)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(shí)達(dá)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(shí)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(shí)，也會影響膠結(jié)劑與尾砂顆粒之間的結(jié)合，降低充填體強(qiáng)度；當(dāng)料漿濃度為73%時(shí)，游離水與漿體之間保持穩(wěn)定關(guān)系，膠結(jié)劑與尾砂顆粒之間的結(jié)合也還處于穩(wěn)定狀態(tài)，漿體流動性達(dá)到最佳值；繼續(xù)降低料漿濃度，膠結(jié)劑與尾砂顆粒之間的結(jié)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(jié)充填料膠砂試塊各齡期的抗壓強(qiáng)度對比如圖2.3所示：

圖2.3 料漿濃度對充填體抗壓強(qiáng)度的影響

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

       按e1組配方料漿濃度70%制成的膠結(jié)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(dǎo)致離析，充填體力學(xué)性能下降，尾砂顆粒與膠凝材料之間的結(jié)合不穩(wěn)定，因而會出現(xiàn)充填體強(qiáng)度不高且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長強(qiáng)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(qiáng)度造成影響，游離水越少，充填體抗壓強(qiáng)度越高。

       因此，料漿濃度為73%－75%時(shí)，漿體流動性滿足自流型膠結(jié)充填料流動性要求。現(xiàn)場充填時(shí)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(dá)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(jié)充填體抗壓強(qiáng)度低于75%時(shí)制備的充填體抗壓強(qiáng)度，因此綜合分析試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)際，料漿濃度75%較為合適。

 結(jié)語

（1）漿體流動性試驗(yàn)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(qiáng)充填體抗壓強(qiáng)度的角度考慮，可以采用礦渣取代部分粉煤灰或鋼渣以達(dá)到礦山膠結(jié)充填對充填體的強(qiáng)度要求。

（3）脫硫石膏和粗細(xì)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(qiáng)度影響很大，在無熟料鋼渣復(fù)合膠凝材料體系中料漿濃度為73%－75%時(shí)，漿體流動性能滿足自流型膠結(jié)充填料流動性要求。