鋼渣基尾砂膠結充填體強度與流變特性研究

崔春亮

(中交路橋華南工程有限公司,廣東 中山 528403)

充填采礦法主要將礦山固廢材料(如尾砂,廢石等)與膠結材料進行混合制備成流動性能好及固化強度高的漿體經過管道充入采空區,從而達到回采井下礦體的目的[1-3]。充填采礦法能夠有效處理礦山堆存的固體廢棄物,具有經濟、環保、安全等諸多方面的優勢,已經逐漸成為礦山企業首選的采礦方法[4-5]。然而,目前國內大多數礦山企業仍然采用水泥作為膠結材料,這不僅導致了充填采礦成本增加,還限制了充填采礦在中小型礦山企業的推廣應用。因此,為降低采礦成本,開發應用替代水泥的新型膠凝材料已經成為充填采礦的熱點研究方向[6-7]。李勝輝等[8]開展了礦渣基膠凝材料開發和充填體強度與流變特性研究,揭示了礦渣基膠凝材料膠結體強度和料漿流變特性的變化規律,為新型膠凝材料在中關鐵礦應用奠定了基礎。王永定等[9]開展了粉煤灰—礦渣基固結粉膠凝材料開發與配比優化研究,得出固結粉膠凝材料成本比普通硅酸水泥材料降低了67.8%～70.2%,能夠顯著降低充填采礦成本。李宏業等[10]開展了磷石膏—礦渣復合膠凝材料配比優化試驗研究,認為磷石膏—礦渣復合膠凝材料早期強度較低,后期強度較高,與礦山專用的38.5 非標水泥成本相比,膠凝材料成本降低了44%。溫震江等[11]進行了基于熵權多屬性決策的充填膠凝材料開發及料漿配比優化研究,指出采用新型膠凝材料的充填體強度不僅能夠滿足礦山充填采礦需求,并且采礦成本降低了29.8%。黃篤學等[12]開展了礦渣基充填膠凝材料開發及料漿配比優化研究,認為礦渣基膠凝材料制備的充填體強度不僅能夠滿足充填采礦需求,而且有助于降低充填采礦成本。董越等[13]通過正交試驗協同BP 神經網絡模型預測充填體強度,驗證了該方法的有效性。本研究在上述成果的基礎上,以國內某礦山為例,利用鋼渣、礦渣、生石灰等為材料,開展綠色膠凝材料的尾砂膠結充填體強度及流變性能研究,在充填體強度滿足礦山需求的前提下,對充填體參數進行優化。

1 試驗材料

試驗采用的充填骨料為全尾砂,其化學成分見表1,粒徑分布特征參數見表2。鋼渣取自于某冶煉廠,其粒徑分布特征參數見表3。其他膠凝材料如生石灰和礦渣均取自于某建材公司,對其進行測試得到礦渣和生石灰的細度分別為3.4%和34.1%。由表1和表2 可知:尾砂化學成分中沒有對充填體強度不利的化學元素,并且尾砂的曲率和不均勻系數均在合理參數范圍內,說明尾砂適合作為充填骨料制備充填體。通過表3 可知:鋼渣的細度(+45 μm)含量較多,說明鋼渣較粗,適合與尾砂搭配使用。

表1 尾砂化學成分測試結果Table 1 Chemical composition test results of tailings%

表2 尾砂顆粒粒徑分布特征參數Table 2 Characteristic parameters of particle size distribution of tailings

表3 其他材料顆粒粒徑分布特征參數Table 3 Characteristic parameters of particle size distribution of other materials

2 試驗方案設計

根據礦山前期現場探索試驗,設計鋼渣摻量為20%～40%、礦渣摻量為12%～16%,并通過鋼渣和礦渣的摻量確定生石灰摻量,由此開展二因素三水平的正交設計試驗。具體試驗方案見表4。此外,為更好地激發出材料的膠凝效果,添加99%分析純級顆粒NaOH 作為激發劑,激發劑摻量為膠凝材料總質量的1%。最后,結合正交試驗確定出相應的最佳配比參數后,采用水泥作為膠凝材料進行對比分析,進一步說明綠色膠凝材料的可替代性。

表4 正交試驗方案Table 4 Orthogonal test schemes%

3 試驗結果與分析

3.1 鋼渣基充填體強度演化特征

結合表4 的正交試驗方案開展不同因素水平下的充填體單軸壓縮試驗,得到其強度測試結果見表5,極差分析結果見表6。此外,在不同的養護齡期下,單因素對充填體抗壓強度的影響如圖1 和圖2所示。由表6 可知:養護齡期為7 d 時,對充填體抗壓強度影響程度最高的是礦渣含量,其次是鋼渣含量;養護齡期為28 d 時,對充填體抗壓強度影響程度最高的是鋼渣含量,其次是礦渣含量,可以看出各因素對充填體抗壓強度的影響程度與養護時間長短也具有一定的關系。通過圖1 可以看出:在不同養護齡期下,鋼渣基膠結充填體的抗壓強度隨著鋼渣含量增大總體上表現出先增大后減小的趨勢,在鋼渣含量為30%時,充填體的抗壓強度基本達到最大值。此外,養護齡期為28 d 時,鋼渣含量增大其抗壓強度的增幅更為明顯,說明鋼渣含量的增加更有利于改善鋼渣基充填體的后期抗壓強度。由圖2 可知:在不同的養護齡期下,鋼渣基充填體與礦渣含量之間表現出明顯的負相關關系,即鋼渣基膠結充填體的抗壓強度隨著礦渣含量增大總體上呈逐漸減小趨勢,礦渣含量為12%時,充填體的抗壓強度基本達到最大值。因此結合正交試驗結果可知,在鋼渣摻量為30%、礦渣含量為12%條件下,充填體的7 d 和28 d 抗壓強度分別為1.59 MPa 及3.41 MPa,符號礦山充填開采的技術要求。

圖1 不同養護齡期下鋼渣含量對鋼渣基充填體單軸抗壓強度的影響Fig.1 Influence of steel slag content on uniaxial compressive strength of steel slag base backfill at different curing ages

表5 鋼渣基膠結充填體強度測試結果Table 5 Strength test results of steel slag-based cemented backfill

表6 極差分析結果Table 6 Range analysis results

3.2 水泥基與鋼渣基充填體強度對比

結合正交試驗方案設計確定了相應的鋼渣基充填體配比參數,為了進一步分析鋼渣基充填體性能,設計開展了鋼渣基充填體與水泥基充填體的強度對比試驗。試驗方案為:灰砂比1∶4～1∶6,料漿濃度58%～64%;水泥基充填體試驗方案為:灰砂比1∶4,料漿濃度58%～64%。試驗依然測試充填體7 d 及28 d 抗壓強度?；疑氨葹?∶4、1∶5 和1∶6 時,鋼渣基膠結充填體的抗壓強度測試結果如圖3所示?；疑氨葹?∶4 時,水泥基充填體的抗壓強度測試結果如圖4所示?；疑氨葹?∶4 時,鋼渣基與水泥基膠結充填體的強度對比結果如圖5所示。

圖3 鋼渣基充填體強度隨料漿濃度變化特征Fig.3 Variation characteristics of steel slag-based backfill strength with slurry concentration

圖4 灰砂比為1∶4 時水泥基充填體強度隨料漿濃度變化特征Fig.4 Variation characteristics of cement-based backfill strength with slurry concentration when the cement-sand ratio is 1∶4

由圖3 可知:當灰砂比為1∶4～1∶6 時,鋼渣基充填體抗壓強度與料漿濃度間均具有明顯的正相關關系,隨著料漿濃度增大,鋼渣基充填體表現出不斷增大趨勢。當灰砂比為1∶4 時,隨著料漿濃度從58%增大至64%,充填體7 d、28 d 抗壓強度分別增大了51.9%和71.1%;當灰砂比為1∶5 時,隨著料漿濃度從58%增大至64%,充填體7 d、28 d 抗壓強度分別增大了77.8%和64.5%;當灰砂比為1∶6 時,隨著料漿濃度從58%增大至64%,充填體7 d、28 d 抗壓強度分別增大了95.3%和72.3%。因此,當灰砂比為1∶4 時,隨著料漿濃度增大,鋼渣基充填體的早期強度增幅明顯低于后期抗壓強度增幅,說明膠凝材料含量較高時,料漿濃度增大更有利于提高鋼渣基充填體的后期抗壓強度,但當灰砂比為1∶5 和1∶6 時,隨著料漿濃度增大,充填體的早期強度增幅明顯高于后期抗壓強度增幅,說明膠凝材料含量較低時,料漿濃度增大更有利于提高鋼渣基充填體的早期抗壓強度。由圖4 可知:當灰砂比為1∶4 時,隨著料漿濃度從58%增大至64%,水泥基充填體7 d、28 d 抗壓強度分別增大了85.1%和23.1%,說明膠凝材料含量較高時,料漿濃度增大更有利于提高水泥基充填體的早期抗壓強度,這與鋼渣基充填體的性質相反。由圖5 可知:在相同的灰砂比及料漿濃度下,鋼渣基膠結充填體的7 d 及28 d 抗壓強度均明顯高于水泥基膠結充填體,說明鋼渣基膠結充填體具有良好的力學性能,可以代替水泥作為膠結材料用于礦山充填。

3.3 鋼渣基膠結充填料漿流變特性

鋼渣基充填體具有良好的力學性能,但礦山充填不僅要求充填體具有較高的強度,還需要具有良好的可輸送性。因此,本研究采用流變測試儀測定不同配比參數下的鋼渣基充填材料的流變性能,以期更好地指導鋼渣基充填體的配比參數設計[14]。此外,在此次流變參數測試中,根據賓漢流變模型擬合測試結果,從而得出相應的屈服應力和塑性黏度。在不同的配比參數下,鋼渣基充填材料屈服應力及塑性黏度的測試結果如圖6所示。

圖6 不同灰砂比下鋼渣基充填料漿流變參數變化特征Fig.6 Variation characteristics of rheological parameters of steel slag base filling slurry under different cement-sand ratio

由圖6 可知:隨著料漿濃度增大,不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的流變參數均表現出明顯增大的趨勢,說明料漿濃度增大仍會對鋼渣基充填料漿的可輸送性產生不利影響。當灰砂比為1∶4 時,隨著料漿濃度從58%增大至64%,料漿的屈服應力和塑性黏度分別增大了69.4%和208%;當灰砂比為1∶5 時,隨著料漿濃度從58%增大至64%,料漿的屈服應力和塑性黏度分別增大了71.1%和201%;當灰砂比為1∶4 時,隨著料漿濃度從58%增大至64%,料漿的屈服應力和塑性黏度分別增大了66.7%和146%。因此,隨著料漿濃度增大,在不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的屈服應力增幅基本相同,沒有明顯的差距,說明膠結材料的含量變化不會對鋼渣基充填材料的屈服應力產生顯著影響。此外,膏體料漿的屈服應力一般在200 Pa 左右[15-16],因此鋼渣基充填體的料漿濃度可設計為62%～64%,在該濃度范圍內的屈服應力未超過200 Pa,從而反映出料漿具有良好的輸送性能。

4 結論

(1)在不同養護齡期下,鋼渣基膠結充填體的抗壓強度隨著鋼渣含量增大總體表現出先增大后減小的趨勢,鋼渣含量為30%時,充填體的抗壓強度基本達到最大值。此外,養護齡期為28 d 時,鋼渣含量增大其抗壓強度的增幅更為明顯,說明鋼渣含量增加更有利于改善鋼渣基充填體的后期抗壓強度。

(2)膠凝材料含量較高時,料漿濃度增大更有利于提高鋼渣基充填體的后期抗壓強度,當膠凝材料含量較低時,料漿濃度增大則更有利于提高鋼渣基充填體的早期抗壓強度。此外,在相同的灰砂比及料漿濃度下,鋼渣基膠結充填體的7 d 及28 d 抗壓強度均明顯高于水泥基膠結充填體,充分體現出鋼渣基膠結充填體具有更好的力學性能,可以代替水泥作為膠結材料用于礦山充填。

(3)隨著料漿濃度增大,不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的流變參數均表現出明顯增大趨勢,但不同灰砂比下鋼渣基充填料漿的屈服應力增幅基本相同,沒有明顯差距,說明膠結材料的含量變化不會對鋼渣基充填材料的屈服應力產生顯著影響。此外,鋼渣基充填體的料漿濃度可設計為62%～64%,在該范圍內的屈服應力不超過200 Pa,料漿呈現出良好的輸送性能。