鉛鋅尾礦新型膠凝材料的制備與性能*

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實驗室；2.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；3.中鋼集團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實驗室；2.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；3.中鋼集團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、尾砂含泥質量分數高、粒度低的特點，通過研究充填體作用機理，試驗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護齡期新型充填料的強度測試和化學機理探究，試驗研究結果表明：新型充填料在不同濃度下，早期強度略高于水泥膠結料，后期強度大于水泥膠結料，且流動性好，用量少，成本低，滿足礦山要求。

關鍵詞鉛鋅尾礦膠凝材料粒度抗壓強度

由于資源需求在世界范圍內的快速增長，采礦正由地表向地下深層發展。充填采礦法由于其在提高資源回采率，防止地質災害和減少尾礦處理費用等方面的優勢，已經成為地下開采的主要方式。現在使用的膠結充填方式，其成本主要來源于購買膠凝劑，占整個采礦成本的1/3左右。所以，性能好、價格低的膠凝材料成為提高礦山經濟效益的重要因素[1]。

膠凝材料主要有水泥、高水固結材料、水泥+礦渣、新型膠凝材料等幾種類型，而水泥是目前大多數礦山使用的膠凝劑[2-3]。南京銀茂鉛鋅礦業使用水泥為膠凝材料，標號為425。但實際充填存在以下技術難題，其全尾礦中含泥量高、力學性能差，難以固化且抗壓性能差；尾礦顆粒細，水的表面張力大，顆粒間含水量高，也不易于固化、早強較差。實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難題，導致了充填成本變高。所以，為解決上述關鍵技術問題，進行了低成本、符合生產要求的新型膠凝材料的制備研究。

1新型尾礦膠結材料

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，開展激活劑的試驗研究。

1.1高爐水淬渣

高爐熔煉生鐵時產生的浮在鐵水表面的熔融物，經過水淬急冷處理，成為灰色顆粒狀態，質地疏松多孔，即為水淬渣。選用馬鞍山石溪野生產的水渣作為原料，主要活性成分為SiO2、MgO、CaO、Al2O3，其化學成分分析結果見表1。

表1水淬渣化學成分分析結果

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1.2水淬渣活性激發

水淬渣的活性激發過程分為物理活化和化學激發。物理活化是通過研磨使其達到足夠的細度，研究表明水淬渣粒度越細活性越高，其粒徑在30 μm左右即能展現很高的活性，當其粒徑小于10 μm的質量分數越大，對早期強度越有利。化學激發則是通過添加堿性激活劑，與其混合磨細，激發其潛在的水化膠凝性能。

2試驗方法

2.1試驗原材料

試驗原材料有水淬渣、激發劑、烘干的尾礦及水。

2.1.1水淬渣

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

表2　粒徑分析結果

由表2可知，微粉粒徑基本在100 μm以下，30 μm以下的質量分數達到69.51%，滿足試驗要求。

2.1.2激發劑

通過試驗室前期試驗優化出符合工程需要的化學激發劑，其主要成分為堿性化學原料及少部分早強劑和助磨劑等。

2.1.3細粒全尾砂

試驗用的尾砂為南京銀茂鉛鋅礦尾砂，化學成分見表3，粒徑分析見表4。

表3全尾砂化學成分分析結果

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表4　全尾砂粒徑分析結果

由表3、表4可知，尾砂的主要化學成分為Al2O3、SiO2，Fe2O3；粒徑-20 μm細泥質量分數達到36.48，而-37 μm 尾砂質量分數高達56.27%，可見該尾砂粒度超細。

2.2試驗方法

將水淬渣、激發劑混合磨細至比表面積為5 000 cm2/g以上的混合體，即為新型膠凝材料，然后按要求進行試驗，試驗同時設計了礦用425水泥作為對比膠凝材料的試驗，膠結劑(含新型膠凝材料和水泥)加水和尾砂混合均勻后按照國標 GB 177—85 水泥膠砂試驗方法進行攪拌，注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 標準三聯試模中，并放入養護箱中養護，養護箱中設定溫度為(20±1)℃、濕度為 92%以上，24 h脫模后繼續養護，最后測定不同齡期試件的單軸抗壓強度。

3試驗結果及分析

3.1新型膠凝材料性能分析

(1)養護齡期對充填體試塊抗壓強度的影響和分析。對不同養護齡期的試塊進行抗壓強度測試，能夠直接反映出固化劑對尾礦的固化情況，對指導生產有著重要的意義。不同養護齡期充填體試塊抗壓強度測試結果見表5。

表5　不同齡期充填體抗壓強度

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的抗壓強度均大于水泥，特別是28 d的抗壓強度，優勢明顯。

(2)濃度對充填體試塊抗壓強度的影響和分析。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度的影響，試驗測試結果見表6。

表6　不同濃度充填體抗壓強度

由表6可知，在新型膠凝材料用量只有水泥一半的情況下，養護齡期為28 d時，新型膠凝材料充填體在不同尾礦濃度時其抗壓強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理淺析

新型膠凝材料屬于堿激發礦渣膠凝材料，即利用活性化學激發劑激發水淬渣的潛在膠凝性能[4-5]。石灰與水反應形成Ca(OH)2，水淬渣中的SiO2、Al2O3將與Ca(OH)2反應形成水化產物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硬化形成骨架，有的與尾礦顆粒作用生成絡合物，最終相互連接形成穩定的空間網狀結構，從而增強尾礦顆粒間的黏結強度和穩定性。

4結論

新型膠凝劑相比水泥用量少，且膠凝性能優于水泥，能夠解決顆粒細而導致的尾礦難以膠結及膠結強度不高的問題。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，提高了資源利用效率，社會效益顯著。該固化劑利用工業廢料為主要原料，原料充足，可長期有效保證固化劑低成本優勢。

參考文獻

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

[2]劉寶友.礦山充填料的選擇與應用[J].現代礦業，2010(2)：123-124.

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

[4]董璐，高謙，南世卿，等.超細全尾砂新型膠結充填料水化機理與性能[J].中南大學學報：自然科學版，2013(4)：1572-1576.

[5]王海軍，劉秋曉，徐鵬.尾礦規模化利用經濟分析與實例[J].金屬礦山，2014(9)：147-148.

(收稿日期2015-11-30)

*科研院所技術開發研究專項資金項目(編號：2014EG213184)。

劉龍(1988—)，男，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。