優化電解錳渣充填體性能研究

徐 勝，周 旻，陳南雄，黃福才，陳林藝，萬 沙，侯浩波

(1. 武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430072； 2. 湖北省環境修復材料工程技術研究中心， 湖北 武漢 430072； 3. 中信大錳礦業有限責任公司，廣西 南寧 530029)

優化電解錳渣充填體性能研究

徐 勝1,2，周 旻1,2，陳南雄3，黃福才1,2，陳林藝1,2，萬 沙1,2，侯浩波1,2

(1. 武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430072； 2. 湖北省環境修復材料工程技術研究中心， 湖北 武漢 430072； 3. 中信大錳礦業有限責任公司，廣西 南寧 530029)

以硅鋁基膠凝材料對廣西某電解錳公司的電解錳渣設計了漿體質量濃度、廢石摻量、廢石粒徑分布以及養護齡期4個因素3個水平的正交試驗。試驗結果表明：當漿體質量濃度為70%、廢石摻量為10%，廢石粒徑5～10 mm，養護齡期28天是固結體試件強度最好，可達2.00 Mpa，符合固結充填強度要求。但最優強度組合，電解錳渣漿體呈半固態性狀，沒有流動性能，不符合充填要求，為此控制漿體質量濃度為變量，其它因素為最優組合條件下的參數為定量，設計了單因素試驗，結果表明：當漿體質量濃度為67%，其塌落度為193 mm，流動度219 mm，擴展度380 mm，能實現漿體充填，其28天抗壓強度為1.7 MPa，符合礦山充填要求。

電解錳渣；正交試驗；流動性能

0 前 言

濕法電解錳是生產金屬錳的主要方法，而生產1 t電解金屬錳，約產生6～7 t電解錳渣，我國每年約電解錳產能約100萬t左右[1]，意味著每年電解錳渣將產生6～7倍的電解錳渣?，F今電解錳渣主要采用自然堆存處理，不僅占用土地資源，長久的堆存使電解錳渣危害成分隨堆放場地環境氣候，進入周邊水體、土壤，污染環境，對人類生存產生巨大威脅，急需處理與利用。

隨著錳礦石的不斷開采，露天開采已經不能滿足電解錳生產需求，轉而發展地下開采，形成地下采礦空區，采礦空區不及時處理會引發各種礦山安全事故，并影響錳礦石的繼續開采。錳礦石的開采過程也會產生大量的掘進廢石，破碎分選廢石料，自然堆存于采礦區周邊，在雨季等不確定氣候影響下可能引法泥石流等礦山安全事故。

因此對電解錳渣及生產過程中產生的廢石的處理迫在眉睫，而將電解錳渣和廢石充填采礦空區，也符合綠色礦山生產和工業生態學的環保理念，同時為回采錳礦石創造了良好的安全保障，并減少電解錳渣堆存占用土地和處理的經濟成本，為電解錳生產帶來更多的經濟效益[2-4]。

本文利用硅鋁基膠凝材料摻1%萘系高效減水劑研究了不同灰渣比、漿體質量濃度、摻廢石量以及不同齡期對電解錳渣固結體的力學性能的影響，設計了四因素三水平的正交試驗，確定了在滿足漿體流動性能下和電解錳渣固結體性能的要求的最優配比。

1 試驗材料與方法

1.1實驗材料

1.1.1 電解錳渣

電解錳渣來自于廣西省某電解錳公司。電解錳渣的基本物理指標、化學成分、粒徑分布如表1、表2、圖1所示。

表1 電解錳渣的基本物理指標

1.1.2 硅鋁基膠凝材料

硅鋁基膠凝材料主要由水淬礦渣、熟料、充填母料、堿性激發劑組成。實驗中采用的水淬礦渣來自武鋼水淬急冷粒化高爐礦渣，經球磨40 min得到的

表2 電解錳渣的化學成分(質量分數)/%

圖1 電解錳渣的粒徑分布

白色粉末狀固體，其中主要礦物為富鈣(鎂)鋁硅玻璃體，其含量>90%，礦粉比表面積為362.2 m2/kg，試驗中采用的水泥熟料選自黃石華新水泥廠，其比表面積為343.7 m2/kg，NS固結劑主要成分化學組成如表3所示。

表3 硅鋁基膠凝材料主要成分化學組成(質量分數)/%

1.1.3 廢石

試驗中采用的廢石是錳礦石破碎分選過程中廢石，采用標準《廢石顆粒級配》GB/T14685-2011篩分，廢石較細，其中小于9.5 mm的廢石占96.99%，小于4.75 mm的廢石占52.05%，小于2.36 mm的廢石占15.05%。

1.1.4 萘系高效減水劑

實驗中采用的萘系高效減水劑為市售β-基萘磺酸鹽甲醛縮合物。

1.2試驗方法

1.2.1 尾礦固結體正交試驗設計

試驗中采用硅鋁基膠凝材料作為膠結劑，灰渣比為1∶7，外摻1%萘系高效減水劑，研究了漿體質量濃度、廢石摻量、廢石粒徑分布與養護齡期對電解錳渣固結體強度的影響。正交試驗因素與水平確定[5]，見表4。

表4 正交試驗設計

按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB /T 17671-1999，將各實驗材料混合后加入攪拌，攪拌結束后將漿體注入尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的試模，脫模后進行溫度20±1℃、濕度為98%以上的標準養護箱中養護。最后測定7，14，28 d齡期固結體無側限抗壓強度。

1.2.2 流動性能試驗設計

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T 50080-2002規定的方法對拌合漿體好的塌落度、擴展度進行測試；《參照水泥漿體流動度測試方法(倒錐法)》T0508-2005規定的方法對拌合漿體進行流動度的測試。

2 實驗結果與討論

2.1正交設計結果及分析

根據因素、水平的設計，試驗選用L9(34)正交表，試驗方案及結果如表5所示。

表5 正交試驗方案及結果

對試驗結果的分析采用極差分析法，通過橫向對比，以各試塊的無側限抗壓強度比較選擇最優方案。各因素的極差分別為0.497、0.040、0.177、1.093，因素D(齡期)的極差1.903最大。說因素D(齡期)是主要因素，它的3個水平所對應的無側限抗壓強度平均值分別為0.487、1.283、1.580，以第3水平(漿體質量濃度為70%)所對應的數值最高，所以齡期越長，固化體強度越高，這是由于試件在養護過程中沒有完全泌水的原因。第1列，因素A(漿體質量濃度)的極差0.497，顯著小于D，它的3個水平所對應的指標平均值為0.910、1.033、1.407，以第3水平(漿體質量濃度為70%)所對應的數值1.407數值最大，顯然漿體質量濃度越高，固結體強度越高，但是考慮到實際工程應用實現自流充填，控制漿體質量濃度。因素B(廢石摻量)和因素C(廢石粒徑分布)的極差分別為0.040和0.177，明顯小于因素A和因素D，它們的3個水平分別為1.103、1.143、1.103和1.220、1.043、1.087，發現這兩個因素水平改變對固結體強度的影響較小。

從以上分析得出結論：各因素對固結體的試驗指標(無側限抗壓強度)的影響為：D(齡期)>A(漿體質量濃度)>C(廢石摻量)>B(廢石粒徑分布)；最優方案為A3B2C1D3，即漿體質量濃度70%，廢石摻量10%，廢石粒徑5～10mm，在養護28 d時可得到最優的無側限抗壓強度。

2.2各指標變化趨勢分析

各試驗指標的變化趨勢可通過因素趨勢圖來刻畫。每個因素以均值為縱坐標，以因素水平為橫坐標，分析結果如圖2所示。

圖2 各因素的水平對強度指標的影響

2.2.1 漿體質量濃度對強度的影響

用水量可不同程度的改善充填料具輸送性能，用水量也可改變漿體質量濃度，使固結體獲得最大力學強度，固結體強度隨著漿體質量濃度從65%～70%的增加而增加，當漿體質量濃度從67%增加到70%比從65%增加到67%固結體強度增加幅度更為明顯，說明當漿體質量濃度不斷增加時，可以獲得更好的固化效果，而漿體質量濃度繼續增加時，漿體基本呈固態性狀，無法滿足膏體自流充填要求。

2.2.2 齡期對強度的影響

固結體隨著齡期的增長，強度保持持續增長，固結體齡期從7～14 d比14～28 d的強度增加幅度更大，固結體早期水化速率更快，但隨著水化程度增高，固結體力學性能也會越好。

2.2.3 廢石摻量和廢石粒徑分布對強度的影響[6]

充填骨料摻量和顆粒級配是影響固結體強度的重要因素，合理的骨料級配可減小充填體的空隙率和較大的緊密堆積密度，獲得更好的強度，廢石摻量從10%增加到15%時，固結體強度減小，廢石摻量從15%增加到20%時固結體強度增加，當廢石摻量為10%，固結體強度最高，而3種廢石粒徑分布的廢石的均值都在1.1左右，對固結體強度影響不大。

2.3流動性能

電解錳渣膠結漿體質量濃度越高，固結體的強度越高，但是膠結體質量濃度，膠結漿體流動性越差，不利于漿體的輸送。為此根據上述正交實驗最優結果，選擇摻廢石10%，廢石粒徑5～10 mm，灰渣比1:7，研究漿體質量濃度從65%、67%、70%的塌落度、擴展度及流動度實驗結果如圖3所示。

圖3 不同漿體質量濃度塌落度、擴展度、流動度

由圖3可以看出：塌落度、擴展度及流動度都隨漿體質量濃度的增加，而塌落度、擴展度、流動度都呈下降趨勢，可實現漿體的自流充填，根據圖3，漿體質量濃度65%、67%可符合要求，漿體質量濃度為70%，流動性較差，不能作為漿體充填流動度要求；而漿體質量濃度65%，其塌落度為260 mm、擴展度452 mm、流動度263 mm，流動性能最好，但濃度過低，在管道輸送過程中、不能形成柱塞流，易離析、分層，并在礦山充填區泌水量過多，易引起地下水污染；因此當漿體質量濃度為67%，擴展度為380 mm、流動度219 mm、塌落度為193 mm，既能實現漿體自流充填，在輸送和礦山充填區漿體也不會發生離析、分層的穩定形態，且其28 d抗壓強度為1.7 MPa，符合礦山充填要求[7-10]。

3 結 論

1)通過對電解錳渣的4因素3水平的正交實驗，各因素對固結體的試驗指標(無側限抗壓強度)的影響為：D(齡期)>A(漿體質量濃度)>C(廢石摻量)>B(廢石粒徑分布)；最優方案為A3B2C1D3，即漿體質量濃度70%，廢石摻量10%，廢石粒徑5～10 mm，在養護28 d時可得到最優的無側限抗壓強度。

2)但最優組合漿體質量濃度為70%，漿體呈半固態性狀，沒有流動性能，為此只控制漿體質量濃度為變量，其它因素為最優組合條件下的參數為定量，設計了單因素，結果表明：當漿體質量濃度為67%，其塌落度為193 mm，流動度219 mm、擴展度380 mm，能實現漿體自流充填，在輸送和礦山充填區漿體也不會發生離析、分層的穩定形態，且其28 d抗壓強度為1.7 MPa，符合礦山充填要求。

[1] 譚柱中.2013年中國電解金屬錳工業回顧和展望[J]. 中國錳業,2014,32(3):1-4.

[2] 周愛民. 礦山廢料膠結充填[M]. 北京:冶金化工出版社,2014.

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[4] Ren Yafeng. The Research Status and Trend for Cementitious Filling Material of Coal Mine [C]//. International Conference on Future Industrial Engineering and Application, Shenzhen, 2011: 213-218.

[5] 李云雁. 試驗設計與數據處理[M]. 北京:化學工業出版社,2015.

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[10] 李亮. 膏體尾礦屈服應力的塌落度試驗研究[J].金屬礦山,2017(1):30-36.

APerformanceStudytoOptimizetheFillingBodyofEMMResidue

XU Sheng1,2, ZHOU Min1,2, CHEN Nanxiong3, HUANG Fucai1,2, CHEN Linyi1,2, WAN Sha1,2, HOU Haobo1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China; 2.EnvironmentalRestorationMaterialsEngineeringTechnologyResearchCenterofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430072,China; 3.CITICDamengMiningIndustriesLimited,Nanning,Guangxi530029,China)

To explore the silicon aluminum gelled material solid in EMM residue from an electrolytic company in Guangxi province, we have made an orthogonal experiment of "Four Factors in Three Levels", by using the slurry concentration, the gravel dosage and the gravel size distribution and the curing age. The results indicate that, when slurry concentration is 70%, the gravel dosage will be at 10% and the gravel size will be from 5 to 10 mm. There is 28 d curing age, including the concretion body's unconfined compressive strength to 2.00 MPa, conforming to the requirements of the strength of consolidated filling. However, the electrolytic manganese slag slurry was semi-solid traits with no flow property at the optimal combination of strength in the optimal strength combination. It is not satisfied to have the packing requirements. Then, the single factor experiment was designed in the quality of slurry concentration as variable and other optional factors conditions as ration. The results show that when slurry concentration is 67%, there is 193 mm slump with 380 mm fluidity and 219 mm extension. It is comforting that the slurry filling with 28 days of compressive strength to 1.7 MPa is suitable for the requirements of the mine filling.

Electrolytic manganese residue; Orthogonal experiment; Flowing property

2017-07-07

國家科技支撐計劃課題(2015AB01B03)。

徐勝(1990-)，男，安徽合肥人，在讀碩士研究生，研究方向：固體廢物處理與資源化，手機：13026138801；通訊作者：周旻(1978-)，男，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向：環境修復材料，E-mail：zhoumin@whu.edu.cn.

X781.1

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.038