鋼渣基復合充填膠凝材料開發及配比優化

路燕澤，王立杰，王社光，王慶剛，何 偉

(河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司，河北 邢臺 054100)

近年來，以安全、環保著稱的尾砂膠結充填采礦法被大力應用和推廣。但充填采礦法具有工序多、工藝復雜、成本高等特點，直接影響礦山的經濟效益[1-3]。國內外學者利用固廢資源進行了大量新型膠凝材料研發工作，分別利用磷石膏、粉煤灰、脫硫灰渣、赤泥和礦渣開發膠凝材料，不僅滿足強度要求，而且降低了充填成本，減少了地表固體廢棄物堆存，保護了生態環境[4-13]。此外，還有研究基于BP神經網絡和正交試驗，利用BP神經網絡進行充填料配比優化研究，以獲得最佳成本[14-15]。目前，高品質礦渣已在國內得到充分利用，但由于鋼渣易磨性差、活性低以及具有體積膨脹性等屬性，利用率仍小于30%。 我國每年有超過1億t的鋼渣排放，大量堆存處理，不僅造成資源浪費，而且還會污染環境。因此，利用鋼渣開發充填膠凝材料具有重要意義及應用價值，是冶金礦山行業綠色可持續發展的迫切需要。

本文在前人研究的基礎上，以某鐵礦選礦全尾砂為骨料，協同利用鋼渣、礦渣及脫硫石膏等固廢資源，開發出滿足要求的新型低成本鋼渣基復合膠凝材料并進行配比優化，以獲得更大的經濟效益，為冶金礦山綠色清潔生產探索出一條新的途徑。

1 試驗材料物化特性

1.1 全尾砂

試驗采用某鐵礦全尾砂作為骨料，對其物化特性進行分析，采用XRF分析其成分，結果見表1。由表1可以看出，取樣全尾砂二氧化硅含量為30.55%、氧化鈣含量達35.89%、三氧化二鐵含量為10.57%。同時，進行全尾砂粒徑級配分析，分析結果見表2，全尾砂粒徑級配分析如圖1所示。由表2和圖1可以看出，全尾砂粒徑中值粒徑為22.66 μm，全尾砂粒徑較小，含泥量較高，屬于中細尾砂充填骨料。 其比重為2.97，滲透系數為3.667×10-5cm/s，為低滲透尾砂。

圖1 全尾砂粒徑級配分析Fig.1 Analysis of grain size grading of tailing

表1 全尾砂主要化學組成Table 1 Main chemical composition of tailing

表2 全尾砂粒徑分布特征值Table 2 Characteristic value of particle size distribution of tailing 單位：μm

1.2 膠凝材料

以礦山周邊的固廢資源，如鋼渣、礦渣和工業副產脫硫石膏為原料開發新型膠凝材料，其主要成分見表3，粒徑級配分析如圖2所示。由表3和圖2可以看出，鋼渣粉堿度系數為2.04，屬于中堿鋼渣；礦渣粉堿度系數為0.93<1.00，質量系數為1.85≥1.80，活性系數為0.46≥0.30，屬于酸性礦渣。三者的細度(45 μm篩余)分別為7.3%、0.5%和13.0%，均滿足試驗要求。

表3 膠凝材料物化特性分析結果Table 3 Analysis results of physicochemical properties of cementitious material

圖2 膠凝材料原料粒徑級配分析Fig.2 Analysis of particle size gradation of cementitious material

2 新型膠凝材料配比試驗

根據前期試驗，基本確定鋼渣摻量為40%～45%時強度較高，在此基礎上按照礦渣摻量39%～54%、脫硫石膏6%～16%、膠砂比1∶4、濃度66%制備充填料漿試塊進行標準養護。C1試塊為膠砂比1∶4的42.5普通硅酸鹽水泥膠結充填體，其7 d強度和28 d強度見表4，根據表4繪制圖3。由圖3可知，鋼渣粉摻量分別為40%和45%，隨著脫硫石膏摻量的增加，7 d強度和28 d強度均先增大后減小。二次多項式的擬合曲線同樣顯示出相同的規律，并且通過求極值獲得鋼渣摻量40%時，脫硫石膏最優摻量為10%；而鋼渣摻量45%時，7 d強度取得極值時，脫硫石膏最優摻量為10%，28 d強度取得極值時，脫硫石膏最優摻量為11%。無論哪種摻量其強度均高于PO.42.5水泥膠結體強度。

圖3 脫硫石膏摻量對膠結體強度的影響Fig.3 Influence of the content of desulfurizedgypsum on cement strength

表4 膠結充填體強度試驗結果Table 4 Strength test results of cemented filling body

3 新型膠凝材料配比驗證試驗

根據上述試驗研究結果可確定膠凝材料最佳配比為鋼渣粉∶脫硫石膏∶礦渣粉=4∶1∶5。為驗證其可靠性，開展不同膠砂比和充填料漿濃度的膠結體強度驗證試驗，為充填采礦設計提供依據。其中，膠砂比分別為1∶4、1∶5、1∶6和1∶8，料漿質量濃度分別為58%、60%、62%、64%、66%。具體試驗方案和試驗結果見表5。

表5 膠結充填體膠砂強度試驗結果Table 5 Strength test results of cemented backfill mortar

圖4為7 d、28 d膠結充填體強度與充填料漿濃度的關系曲線。由圖4可知，膠結充填體強度隨料漿濃度和膠砂比提高而線性增加；在滿足充填料漿管道輸送的條件下，應盡可能提高充填料漿的濃度；當膠砂比1∶4和料漿濃度58%時，28 d充填體強度為2.54 MPa>2.50 MPa；當膠砂比1∶6和料漿濃度為58%時，28 d充填體強度為1.2 MPa>1.0 MPa，分別滿足一步采場和二步采場充填體強度要求。

圖4 膠結充填體膠砂強度與料漿濃度的關系Fig.4 Relationship between the strength of cemented backfill mortar and slurry concentration

4 新型膠凝材料全尾砂料漿穩定性測試

在上述研究基礎上，開展不同濃度和膠砂比的充填料漿穩定性試驗，主要包括泌水率及分層度的測試， 試驗結果見表6， 對其進行分析， 結果如圖5所示。由圖5可知，料漿泌水率隨著料漿濃度的增大而減小，分層度隨著料漿濃度的增大而減小。當膠砂比在1∶4～1∶5和料漿濃度在60%～66%范圍內，鋼渣基固結粉全尾砂充填料漿的泌水率<3.2%、

表6 料漿穩定性試驗結果Table 6 Test results of slurry stability

圖5 料漿濃度對料漿穩定性的影響Fig.5 Effect of slurry concentration on slurry stability

分層度<3.9 cm，充填料漿滿足穩定性要求，無離析現象。

5 回歸分析及充填料漿配比優化

5.1 回歸分析

以表6和表7為樣本進行二次多項式逐步回歸分析，可獲得7 d強度、28 d強度、泌水率和分層度與膠砂比、料漿質量濃度的回歸函數，見式(1)～式(4)。

R7 d=4.94-6.47x1-0.24x2-21.28x12+

0.002 2x22+0.382x1x2

(1)

R28 d=4.29-35.59x1-0.16x2-4.66x12+

0.001 2x22+0.842x1x2

(2)

M=-7.85-75.26x1+1.07x2-

0.013x22+0.893x1x2

(3)

F=114.02-84.33x1-3.08x2+88.11x12-

0.022x22+0.645x1x2

(4)

式中：R為抗壓強度，MPa；x1為膠砂比；x2為料漿質量濃度，%；F為分層度，cm；M為泌水率，%。

5.2 充填料漿配比優化

在滿足強度要求的前提下進一步優化充填成本，建立料漿配比優化函數見式(5)，計算得到最佳優化方案：料漿濃度64%、膠砂比1∶5，膠凝材料成本53.9元/m3，折算成干粉成本245元/t。 進行試驗驗證后得到7 d強度1.32 MPa、28 d強度2.68 MPa、分層度3.7 cm、泌水率3.2%，滿足采礦需求，且成本比PO.42.5水泥低約35%。

minZ=290c1+3.3c2+12c3

(5)

式中：minZ為成本；c1為礦渣量，kg/m3；c2為用水量，kg/m3；c3為尾砂量。

6 結 論

1) 對試驗材料全尾砂進行物化分析，其主要成分為二氧化硅、氧化鈣、三氧化二鐵，含量分別為30.55%、35.89%、10.57%；全尾砂粒徑主要分布在10～100 μm的范圍內，中值粒徑為26.7 μm，屬于中細尾砂充填骨料。

2) 根據試驗及極值分析，鋼渣粉摻量40%和45%，隨著脫硫石膏摻量的增大，其7 d和28 d膠結體強度均先增大后減小；根據二次多項式回歸極值分析，并經試驗驗證，確定鋼渣-礦渣復合充填膠凝材料優化配比為：鋼渣粉∶脫硫石膏∶礦渣粉=4∶1∶5，其膠結體強度高于PO.42.5水泥。當膠砂比1∶4和料漿濃度為58%時，充填體28 d強度為2.54 MPa>2.5 MPa。

3) 為進一步降低充填成本，建立料漿配比優化函數關系式并計算獲得最低成本優化方案：膠砂比1∶5、料漿濃度64%，鋼渣基復合充填膠凝材料成本低于PO.42.5水泥約35%。