新型膠凝材料的流動性試驗研究*

魏 微 高 謙 楊志強

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室;3.金川集團股份有限公司)

礦業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，礦產(chǎn)資源開采過程中排放大量的固體廢料，其中大多數(shù)為尾砂。大量的尾砂堆積在地表，不僅占用土地、浪費資源，而且污染環(huán)境、引發(fā)安全問題［1-2］。尾砂廢料回填采空區(qū)可減少甚至消除廢料堆放、解決深部地壓控制、保障安全作業(yè)、保護地表完整、維持既有的生態(tài)環(huán)境、提高地下資源回收率［3］。傳統(tǒng)的膠結(jié)劑水泥不僅成本高、污染環(huán)境，而且對細(xì)泥含量高的全尾砂固結(jié)能力差。水淬高爐礦渣膠凝材料不僅利用了工業(yè)廢渣、綠色、環(huán)保，而且在達到同等充填體強度的前提下，其用量僅為水泥用量的一半左右［4］。為了降低充填成本，實現(xiàn)礦山的無廢開采，本課題組以工業(yè)廢棄物——高爐水淬渣為主要原料，研制開發(fā)出了基于高爐水淬渣的礦山井下充填膠凝材料。通過前期的室內(nèi)試驗已經(jīng)證明了新型膠凝材料對全尾砂的固結(jié)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了32.5#水泥對全尾砂的固結(jié)效果，可以完全取代水泥作為礦山廢料的膠凝劑，并且確定了實驗室的最佳配合比?？紤]到實驗室和井下采場的環(huán)境及條件等都存在很大的差別，為了驗證開發(fā)的新型膠結(jié)材料在井下養(yǎng)護條件下的穩(wěn)定性、可靠性，已在石人溝鐵礦現(xiàn)場完成了新型膠凝材料充填體與32.5#水泥充填體的強度試驗。試驗結(jié)果表明:在相同的膠砂比、濃度條件下，新型膠凝材料充填體的強度是32.5#水泥充填體強度的2倍以上。充填料漿的濃度是制約充填效率的重要因素，它決定著料漿的管道輸送性能和充填體的力學(xué)強度［5-7］，當(dāng)要求流動性和力學(xué)強度均需滿足生產(chǎn)時，為確定合理的濃度，需要對料漿流動性進行測試。開發(fā)新型膠凝材料的最終目的是將膠結(jié)尾砂充填到礦山空場，為了檢驗新型膠凝材料充填料漿的流動性，本研究在石人溝鐵礦現(xiàn)場對新型膠凝材料和水泥料漿開展了流動性測試試驗，此試驗對礦山充填生產(chǎn)具有較為重要的現(xiàn)實意義。

1 充填材料

水取自石人溝鐵礦采場。水淬高爐礦渣取自唐鋼唐龍(唐昂)新型建材有限公司，其化學(xué)成分見表1。

礦渣為結(jié)晶較差的玻璃體，表現(xiàn)在XRD譜圖(從略)上是2θ為30°左右的1個彌散峰。采用激光粒度分析儀對水淬礦渣粉進行粒度分析，粒徑特征參數(shù)見表2。

表2 材料的粒度測試結(jié)果

石灰采用唐山周邊地區(qū)普通石灰窯燒制的石灰。

脫硫石膏取自唐山豐潤新區(qū)熱電廠，外觀呈淺黃色，XRD分析結(jié)果表明其主要相是CaSO4·2H2O，未見其他結(jié)晶相。粒徑特征參數(shù)見表2。

尾砂為石人溝鐵礦全尾砂，尾砂的化學(xué)成分見表3，粒徑特征參數(shù)見表2。

表3 尾砂充填料化學(xué)組成 %

水泥為石人溝鐵礦充填站使用的32.5#水泥。

2 料漿流動性測試方法

2.1 塌落度

測定方法:將料漿分次均勻裝入塌落度筒(筒尺寸:頂部直徑10 cm，底部直徑20 cm，高度30 cm)，插搗數(shù)次，待頂層插搗完后刮去多余的料漿并抹平，雙手均勻用力將筒在5～10 s撥起。料漿由于自重將會塌落，由塌落度筒頂?shù)剿淞蠞{頂部的距離就叫塌落度。塌落度愈大表示拌合物的流動性愈大。礦山充填中，當(dāng)塌落度在23～27.5 cm，可基本上滿足自流輸送要求［8］。

2.2 稠度

采用砂漿稠度儀。測定方法:將充分?jǐn)嚢韬蟮臐{體裝入盛料容器，砂漿表面低于該容器表面1 cm，矯正好試錐和齒條測桿，然后打開制動螺絲讓試錐落于漿體，此時刻度盤上的值與試驗前在刻度盤上值的差就是測得的稠度(在10 s內(nèi)完成測定試錐的下沉深度)。砂漿稠度能揭示砂漿的流動性，評價管道輸送的可行性與可靠性。

2.3 分層度

檢測方法:用砂漿稠度儀檢測攪拌均勻的漿體的稠度C1;將攪拌均勻的漿體裝滿分層度桶中并靜置30 min，讓砂漿離析分層;將分層度桶上部的砂漿去除，取其下部砂漿，測其再次攪拌均勻后的稠度C2。測得C1與C2之差就是分層度F。分層度是料漿離析程度的重要技術(shù)指標(biāo)。

3 料漿流動性測試結(jié)果分析

采用新型膠凝材料和礦山使用的32.5#水泥2種膠凝材料，進行不同膠砂比和不同質(zhì)量濃度的全尾砂充填料漿的流動性試驗，新型膠凝材料的配合比采用實驗室確定的最佳配合比。流動性測試結(jié)果見圖1～圖6所示。

圖1 塌落度隨濃度變化曲線

圖2 稠度隨濃度變化曲線

圖3 分層度隨濃度變化曲線

圖4 塌落度隨膠砂比變化曲線

圖5 稠度隨膠砂比變化曲線

圖6 分層度隨膠砂比變化曲線

由圖1～圖6可看出:當(dāng)膠砂比1∶10時，新型膠凝材料的砂漿的流動性(塌落度和稠度)大于水泥泥膠凝材料砂漿的流動性;當(dāng)膠砂比非1∶10時，新型膠凝材料的砂漿的流動性(塌落度和稠度)小于水泥膠凝材料砂漿的流動性。下面分別討論料漿濃度、膠砂比對砂漿流動性的影響。

3.1 全尾砂漿流動性與濃度的關(guān)系

3.1.1 塌落度與濃度的關(guān)系

在不同膠砂比條件下，砂漿塌落度隨質(zhì)量濃度的變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出:

(1)新型膠凝材料砂漿的塌落度隨濃度的增加呈折線型下降趨勢，78%的濃度是拐點，當(dāng)濃度大于78%時塌落度下降速度快。

(2)水泥砂漿的塌落度隨濃度的增大線性減小。

(3)對于新型膠凝材料，質(zhì)量濃度78%時滿足管道自流輸送的塌落度要求。

3.1.2 稠度與濃度的關(guān)系

在不同膠砂比條件下，砂漿稠度隨質(zhì)量濃度的變化曲線如圖2所示。

由圖2看出，2種膠凝材料的稠度均隨濃度的增加呈折線型下降，78%的濃度是轉(zhuǎn)折點。

3.1.3 分層度與濃度的關(guān)系

在不同膠砂比條件下，砂漿分層度隨質(zhì)量濃度的變化曲線如圖3所示。

由圖3可見，濃度小于78%時，砂漿分層度隨濃度的增加而增加;濃度大于78%時，砂漿分層度隨濃度的增加而減小。由此可見，2種砂漿在濃度為78%時分層度最大。

3.2 全尾砂漿流動性與膠砂比的關(guān)系

3.2.1 塌落度與膠砂比的關(guān)系

在不同質(zhì)量濃度條件下，砂漿塌落度隨膠砂比的變化曲線如圖4所示。

圖4中，2種砂漿的塌落度在不同的砂膠比時表現(xiàn)出時大時小的規(guī)律，在濃度為80%，膠砂比達到1∶15時，2種膠凝材料的塌落度接近。在濃度為76%，膠砂比達到1∶12時，2種膠凝材料的塌落度接近。在濃度為78%時，膠砂比達到1∶8時，2種膠凝材料的塌落度接近。由此可見，在選擇的膠砂比范圍內(nèi)，2種膠凝材料的塌落度基本相同。

3.2.2 稠度與膠砂比的關(guān)系

在不同質(zhì)量濃度條件下，砂漿稠度隨膠砂比的變化曲線如圖5所示。

由圖5可見，對于不同膠砂比，76%濃度時，2種砂漿的流動度大致相等;膠砂比1∶10時，對于3種砂漿濃度，2種膠凝材料的稠度大致相等。

3.2.3 分層度與膠砂比的關(guān)系

在不同質(zhì)量濃度條件下，砂漿分層度隨膠砂比的變化曲線如圖6所示。

圖6顯示:砂漿濃度為76%除外，膠砂比在1∶9.5～1∶12時，2種膠凝材料的砂漿分層度相差不大。

4 結(jié)論

(1)各種比例條件下，2種砂漿的流動性不存在本質(zhì)差異。

(2)通過石人溝現(xiàn)場的流動性試驗，表明開發(fā)的新型膠凝材料可以滿足充填現(xiàn)場管道輸送的要求，當(dāng)質(zhì)量濃度78%時，新型膠凝材料砂漿的塌落度可以滿足管道自流輸送的要求。

(3)新型膠凝材料以工業(yè)廢渣為主要原料，綠色、環(huán)保，屬“三廢”利用循環(huán)經(jīng)濟項目，對實現(xiàn)礦山的無廢開采具有較為重要的現(xiàn)實意義。

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