石膏激發礦渣活性的試驗研究

李明艷

（山東省冶金設計院股份有限公司，濟南 250000）

礦渣作為一種工業廢渣，產生于鋼鐵冶煉過程，每年的排放量十分巨大，人們需要將其合理充分利用起來。礦渣的化學成分接近于硅酸鹽水泥，經過激發后可以獲得很好的活性，可以用來研發制作膠結材料。雖然礦渣具備較好的膠結活性，但是其活性需要特定條件下的激發才能發揮出來。因此，本文研究了充分激發礦渣活性的條件，以便將其作為膠結材料應用在礦山充填中。

1　試驗材料

試驗材料由礦渣、脫硫石膏、水泥三部分組成[1]。

1.1　礦渣

試驗所用礦渣為某鋼鐵廠的水淬高爐礦渣，其化學成分如表1所示。

表1　礦渣中主要化學成分含量

礦渣質量系數k是礦渣活性的一個重要參數，本試驗所用礦渣的質量系數k=1.85，礦渣活性較高[2]。經測定，試驗所用礦渣的堿性系數為0.993，說明該礦渣基本為中性礦渣，略顯酸性。

1.2　脫硫石膏

試驗所用的脫硫石膏是某電廠濕法脫硫排出的，其性質屬于工業廢棄物。衍射分析表明，其主要相是CaSO4?2H2O。

本次試驗采用硫酸鹽來激發礦渣活性，采用的硫酸鹽為脫硫石膏。石膏面可以作為礦渣的激發劑，同時其具有膨脹和緩凝特性。利用其緩凝特性，石膏的摻入可以延緩料漿的凝固時間，為礦山井下充填提供充足時間。同時，人們應當考慮其膨脹特性的影響，該特性會降低膠結強度，石膏添加量過大會使充填體產生膨脹過大現象，導致充填體開裂。

1.3　水泥

礦渣的硫酸鹽激發需要在堿性的環境中進行，為了創造堿性環境，確保試驗效果，本次試驗在膠結劑的成分中加入10%（占膠結劑的質量分數）的水泥。

2　石膏激發礦渣活性的機理

礦渣的活性需要在特定環境條件下才能夠激發出來，激發后的礦渣作為一種膠結材料可以很好地利用。礦渣活性的激發常用方法有化學激發、物理激發和復合激發等。

石膏，作為一種硫酸鹽可以激發礦渣活性，該方法屬于化學激發方法。在堿性環境下，礦渣中加入一定量的石膏，其活性可以較為充分地發揮出來，作為膠結劑才能充分發揮作用。主要原因是，一方面礦渣在堿性環境下發生化學反應開始分解，并形成CaO?SiO2?nH2O（水化硅酸鈣）和水化鋁酸鈣，使得礦渣玻璃與溶液中的OH-離子發生反應，從而把礦渣玻璃網格中的鈣離子激發出來，促使網格一次解體。被分解的礦渣生成Ca（OH）2后，又進一步暴露出具有活性的SiO2、Al2O3[3-4]。在堿性環境中，石膏能與礦渣中的活性Al2O3發生化學反應最終生成鈣礬石：

式中，aq代表溶液。

在形成鈣礬石這種水化產物時，大量Ca（OH）2被消耗使其濃度降低，其間也消耗溶液中較多的Al3+離子。因此，它反過來又加速了礦渣玻璃體中Ca2+的溶解，使網格繼續解體。上述兩反面互相促進，使礦渣潛在活性得到很好的激發。所以，石膏激發一定要在堿性環境中進行，堿性環境為石膏激發創造了必要條件，石膏激發與堿性激發相互促進，加速了礦渣玻璃體的進一步分解，使礦渣活性得到了很好釋放。被激發后的礦渣可以用來制成膠結材料，為礦渣的充分利用奠定了理論基礎。

3　石膏激發礦渣活性的最優摻量試驗研究

3.1　試驗方案

前面已經提到由于石膏的膨脹特性，石膏激發礦渣活性存在一最優摻量。摻量過少，礦渣活性得不到有效激發，摻量過多，膠結充填體會出現膨脹開裂現象導致后期強度降低。本次試驗的目的就在于尋找石膏的最優摻量，以達到最高效激發礦渣活性、提高膠結充填體強度的目的。為了確定膠結劑中礦渣與石膏在何種配比下與全尾砂膠結的充填體的強度最高，設計如表2所示的5組（石膏摻量依次為5%、10%、10%、20%、25%）試驗來確定膠結劑的最優配比組分。同時，加入膠結劑質量分數10%的普通硅酸鹽水泥來創造堿性環境，以充分發揮石膏對礦渣活性的激發效果。

表2　膠結劑各組分含量

按照以上各組三種物質不同質量比例配制好膠結劑，然后將不同組分含量的膠結劑和全尾砂均按照灰砂比1:6、質量濃度70%配制全尾砂膠結料漿，并制作成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm尺寸的試塊，24 h后進行脫模和標準養護。3 d、7 d后分別測定相應試塊的單軸抗壓強度，對比不同組分含量的膠結劑膠結全尾砂的效果。

3.2　試驗結果

膠結劑中的礦渣、石膏在不同摻量下其與全尾砂按照灰砂比1:6、質量濃度70%制成的試塊3 d和7 d的單軸抗壓強度測定結果如表3所示。

表3　不同石膏摻量下膠結強度測定結果

通過表3所得數據，筆者繪制了全尾砂膠結強度隨石膏摻量變化而變化的關系曲線，如圖1所示。

圖1　礦渣膠結全尾砂強度隨石膏摻量不同的變化曲線

由圖1可以看出，在試驗考查范圍內，隨著石膏摻量的增加，無論是3 d的還是7 d的膠結強度呈現先增加后減小的趨勢。石膏作為礦渣的激發劑，在一定摻量的情況下，激發效果最好，超過這個摻量，由于石膏本身膠結性比較差和其膨脹特性的存在，充填體強度會逐漸降低。由圖1可見，當石膏摻量為20%時，礦渣、石膏、水泥組成的膠結劑膠結全尾砂的強度最大，膠結效果最好。故膠結劑組分的最優配比為礦渣占70%，石膏占20%，水泥占10%。

采用礦渣膠結全尾砂代替水泥來作為礦山井下充填膠結材料，可以很大程度上降低充填成本。與此同時，充填物料組分中98%以上都是由工業生產廢棄物組成的，這就減少了工業廢棄物的排放及對土地的占用，避免了對環境景觀的影響，達到了保護環境的目的，實現了較好的經濟效益和環境效益[5-6]。

4　結論

在本次試驗環境條件下，石膏激發礦渣活性的最佳摻量為20%，此時可以最大程度地激發礦渣潛在活性，取得很好的膠結效果。利用被激發后的礦渣作為礦山充填膠結材料，充填體物料組成中98%以上都是工業生產廢棄物，達到了保護環境的目的，實現了較好的經濟效益和環境效益。接下來，人們要進一步研究礦渣膠結全尾砂的充填特性，以適應礦山充填作業要求，為礦山充填作業提供技術支持。