全尾砂新型膠凝材料的現場力學試驗*

魏 微 高 謙 楊志強

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室;3.金川集團股份有限公司)

隨著工業社會的發展，礦產資源開采利用引發的環境破壞和廢物排放，已成為相當嚴峻的環境問題［1-3］。礦山廢料膠結充填可以消除或減少礦山固體廢料的排放，提高資源回收率，有效保護地表完好，切實解決深部地壓控制［4-5］。目前礦山膠結充填的主導膠凝材料是水泥，水泥材料費用一般占充填成本的60% ～70%以上［6］，減小水泥用量或尋求廉價膠結劑是節約充填成本的主要途徑。一些礦山開始尋找廉價的、具有膠凝性能的工業副產品來代替或者部分代替水泥，如水淬高爐礦渣、粉煤灰和赤泥［7-8］。本試驗所用的全尾砂新型膠凝材料是課題組自主研發的，是以工業廢渣水淬高爐礦渣為主要材料，以石灰加脫硫石膏為復合激發劑，并添加試驗室自配的外加劑制成。新型膠凝材料的生產原料主要是“工業廢渣”，變廢為寶，屬“三廢”利用循環經濟項目;而且材料強度高，有利于環境保護，適于擴大其應用范圍。通過前期的室內試驗已經確定了新型膠凝材料的最佳配合比，而且新型膠凝材料充填體的強度遠遠高于32.5#水泥充填體的強度，可以完全取代水泥作為礦山廢料的膠結劑。試驗室和井下采場的環境及條件等都存在很大的差別，為了驗證開發的新型膠結材料在井下養護條件的穩定性、可靠性，在應用于工業生產之前，本研究進行了新型膠凝材料的現場試驗。

1 試驗原材料和方法

1.1 試驗原材料

本試驗所用原料主要有水、新型膠凝材料(水淬高爐礦渣、石灰、脫硫石膏、試驗室自配外加劑)、尾砂和水泥。

水取自石人溝鐵礦采場。

水淬高爐礦渣取自唐鋼唐龍(唐昂)新型建材有限公司，其化學成分見表1。X射線衍射(XRD)分析如圖1。

表1 礦渣化學組成 %

圖1 礦渣XRD圖譜

由圖1可以看出，礦渣為結晶較差的玻璃體，表現在XRD譜圖上是2θ為30°附近的一個彌散峰。取樣采用激光粒度分析儀，對水淬礦渣粉進行粒度分析，粒徑的特征參數見表2。

表2 填料與膠凝材料的粒度測試結果

石灰采用唐山周邊地區普通石灰窯燒制的石灰。

脫硫石膏取自唐山豐潤新區熱電廠，外觀呈淺黃色，XRD分析結果表明其主要相是 CaSO4·2H2O，未見其他結晶相。粒徑的特征參數見表2。

尾砂為石人溝鐵礦全尾砂，粒徑的特征參數見表2，尾砂的化學成分見表3，SEM顯微形貌見圖2。

圖2 尾砂SEM照片

水泥為石人溝鐵礦充填站使用的32.5#水泥。

表3 尾砂充填料化學組成 %

1.2 試驗方法

采用新型膠凝材料和礦山使用的32.5#水泥2種膠凝材料，進行不同膠砂比和不同質量濃度的全尾砂充填膠凝材料的強度試驗，對比分析2種膠凝材料對尾砂的固化能力，以此驗證開發的新型膠凝材料的可靠性、穩定性以及對尾砂優越的固結能力。新型膠凝材料的配合比均采用試驗室確定的最佳配合比，試件的成型尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，在充填井下養護，井下養護28 d后測試塊的單軸抗壓強度，取3塊試樣的平均值記錄結果。

2 現場試驗結果

2種膠凝材料全尾砂充填體的28 d單軸抗壓強度如表4所示。

表4 全尾砂充填體強度試驗結果

基于表4所示的試驗數據，可以獲得以下幾點結論:①新型充填膠凝材料全尾砂試塊強度與32.5#水泥材料的全尾砂試塊強度之比均大于1，說明開發的新型膠凝材料對全尾砂的固化能力優于32.5#水泥。②膠砂比在1∶5～1∶20的條件下，砂漿濃度在66% ～72%的范圍內，最小值1.53，最大值為3.54。③在低膠砂比的條件下(＜1∶10)，新型充填膠凝材料性能更高。

3 充填體強度隨濃度的變化規律

在不同膠砂比條件下，充填體28 d單軸抗壓強度隨料漿質量濃度的變化曲線如圖3所示。

圖3 強度隨濃度變化曲線◆—新材1∶5 膠砂;■—水泥1∶5 膠砂;▲—新材1∶8 膠砂;× —水泥1∶8 膠砂;▲—新材1∶10 膠砂;●—水泥1∶10 膠砂;○—新材1∶15 膠砂;△—水泥1∶15 膠砂;□—新材1∶20 膠砂;◇—水泥1∶20膠砂

由圖3看出:①新型膠凝材料充填體和水泥充填體的單軸抗壓強度隨著料漿質量濃度的提高基本呈線性增長趨勢，濃度越高強度越大。②新型膠凝材料1∶10膠砂比的充填體強度略高于32.5#水泥1∶5膠砂比為的充填體強度;高出值隨濃度的提高而增大。③新型膠凝材料1∶20膠砂比的充填體強度與32.5#水泥1∶10膠砂比的充填體強度相當。

4 充填體強度隨膠砂比的變化規律

在不同質量濃度條件下，充填體28 d單軸抗壓強度隨膠砂比的變化曲線如圖4所示。

圖4 強度隨膠砂比變化曲線

由圖4可看出:①充填體的強度隨著膠砂比的提高而提高，提高曲線為折線型;水泥充填體在高膠砂比(1∶8～1∶5)條件下強度增長速度快，新型膠凝材料在低膠砂比(＜1∶10)條件下強度增長速度快。②相同膠砂比，新型膠凝材料最低質量濃度68%的充填體強度高于32.5#水泥最高質量濃度72%的充填體強度。③新型膠凝材料充填體的強度是相同質量濃度下32.5#水泥充填體強度的2倍以上。

5 結論

(1)經過現場的力學試驗，證明開發的新型膠凝材料在任何膠砂比和砂漿質量濃度的條件下，全尾砂漿膠結充填體強度均高于相同條件下的32.5#水泥膠凝材料。

(2)膠砂比1∶8，新型膠凝材料充填體的強度是32.5#水泥材料充填體強度的3倍以上。當砂漿質量濃度為66%時，28 d的單軸抗壓強度已經達到2.7 MPa，滿足礦山對充填體強度的設計要求。

(3)根據初步計算，采用小于1∶8膠砂比的新型膠凝材料，1噸新型膠凝材料至少可以替代2 t以上的32.5#水泥材料。

(4)新型膠凝材料充填體的強度高，原料成本低，綠色環保，為礦山尾礦的資源化利用找到了一條新途徑。

［1］ Mchaina D M，Januszewski S，Hallam R L．Development of an environmental impact and mitigation assessment program for a tailings storage facility stability upgrade［J］.International Journal of Surface Mining，Reclamation and Environment，2001，15(2):123-140.

［2］ Hossein M，Hassani F P．Hydro-mechanical evaluation of stabilized mine tailings［J］.Environmental Geology，2002，41(7):749-759.

［3］ 周愛民．礦山廢料膠結充填［M］.北京:冶金工業出版社，2010:1-17.

［4］ 李一帆，張建明，鄧 飛，等．深部采空區尾砂膠結充填體強度特性試驗研究［J］.巖土力學，2005，26(6):865-868.

［5］ 鄧代強，高永濤，吳順川，等．水泥尾砂充填體劈裂拉伸破壞的能量耗散特征［J］.北京科技大學學報，2009，31(2):144-148.

［6］ 曾照凱，張義平，吳 剛．基于正交優化的膠結充填體強度試驗研究［J］.有色金屬，2011，62(3):6-8.

［7］ Ercikdi B，Cihangir F，Kesimal A，et al．Utilization of industrial waste products as pozzolanic material in cemented paste backfill of high sulphide mill tailings［J］.J Hazard Mater，2009，168(2):848-856.

［8］ Türkel S．Long-term compressive strength and some other properties of controlled low strength materials made with pozzolanic cement and Class C fly ash［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137(1):261-266．