粉煤灰充填膠凝材料及其應(yīng)用

陳賢樹，楊春保

(1.中國新型建材設(shè)計(jì)研究院，杭州310003;2.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥230051)

由于粉煤灰固有的火山灰活性和自硬性，在常溫常壓下能與石灰等堿性物質(zhì)生成具有膠凝特性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，從而產(chǎn)生強(qiáng)度。在尾礦膠結(jié)充填過程中，加入一定量的粉煤灰或者以粉煤灰為主的充填膠凝材料，既可以增加充填體的齡期強(qiáng)度，又可以提高充填體的抗?jié)B性和耐久性。此外，由于粉煤灰在充填體中具有超出火山灰活性的特殊物理功能，例如粉煤灰的減水功能、增加漿體的體積功能、填充漿體粗骨料空隙功能、調(diào)節(jié)膠凝量和膠凝過程的功能，以及與水泥整體的協(xié)和功能等，起到了使充填體性能改善和質(zhì)量提高的作用。

1 粉煤灰作充填膠凝材料

目前，國內(nèi)外礦山膠結(jié)充填中大都用水泥作為唯一或主要膠固劑[1]，以尾礦(全尾砂或分級(jí)尾砂)或其它廢石(煤矸石、碎石等)作骨料與水拌合成可管道輸送的混合料(料漿濃度65% ～80%)。理論和實(shí)踐證明:影響這種混合料(膠結(jié)充填體)強(qiáng)度的因素主要是膠固劑用量、充填濃度和尾礦或廢石的細(xì)度(粒度)。因此，減少水泥用量、提高膠固劑固結(jié)能力、盡可能提高充填濃度、合理配置尾礦或者廢石的細(xì)度或粒度是降低礦山充填成本的重要途徑，其中水泥或者膠固劑的用量是影響成本的主要因素之一。如何降低充填成本，盡可能降低水泥或膠固劑的用量是能否大面積推廣膠結(jié)充填采礦法的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前采用膠結(jié)充填法開采的地下礦山，其充填成本占采礦總成本的40%左右，其中水泥或者膠固劑幾乎占充填成本的一半。目前過高的水泥價(jià)格及用量對大面積推廣膠結(jié)充填采礦法十分不利，同時(shí)由于水泥在水化過程中產(chǎn)生大量的水化熱，使用水泥膠結(jié)充填后，在大體積充填體內(nèi)部熱量無法釋放，熱量聚集到一定程度后，充填體內(nèi)部開始膨脹，并使充填體產(chǎn)生裂紋，從而影響充填體的強(qiáng)度和充填效果。因此尋找價(jià)格低廉，性能優(yōu)異的水泥代用品，以減少膠固劑用量和提高充填質(zhì)量是推廣充填采礦法的主要途徑。

采用粉煤灰為主要原料生產(chǎn)的礦山充填膠凝材料，部分替代水泥或全部代替水泥，以降低充填成本，提高充填體質(zhì)量，曾是國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，并取得了一定的成果，在國內(nèi)部分礦山開始使用。。以電廠粉煤灰作為水泥替代品代替部分水泥或全部水泥用于尾礦膠結(jié)充填，通過分析其物理與化學(xué)特征及水化反應(yīng)機(jī)理，以及與水泥膠結(jié)充填的大量對比試驗(yàn)和在金屬礦山尾礦充填的實(shí)際使用，證明粉煤灰是一種良好的充填膠固劑，用于礦山膠結(jié)充填時(shí)明顯降低膠固劑的用量，同時(shí)改善了充填體的質(zhì)量。

1.1 主要充填材料物理、化學(xué)性能

試驗(yàn)所用尾砂為安徽霍邱某礦業(yè)公司3#選礦廠的全尾砂，密度為3.10g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度30%。粉煤灰為附近阜陽發(fā)電廠的干排灰。其主要物理性能及化學(xué)成分見表1，表2，表3。

表1 粉煤灰及全尾砂的主要化學(xué)成分/%

表2 粉煤灰及全尾砂級(jí)配/%

表3 粉煤灰及全尾砂的物理性質(zhì)

粉煤灰和全尾砂的物理力學(xué)性能及化學(xué)成分檢測結(jié)果表明:粉煤灰CaO含量2.13%，屬于低鈣灰，但是SiO2+Al203的含量達(dá)到71.02%，屬于火山灰活性較好的灰。完全可以作為水泥代用品替代部分水泥，或者以粉煤灰為主的充填膠凝材料全部替代水泥，以滿足充填體對充填強(qiáng)度的要求。同時(shí)由于粉煤灰密度小，當(dāng)摻入一定量后，將減輕充填體重量，有利于降低水泥消耗，節(jié)約充填成本。

1.2 粉煤灰膠凝機(jī)理

粉煤灰是具有一定活性的火山灰質(zhì)材料，其化學(xué)成分主要是 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和未燃燒的碳粒等[2]。從化學(xué)成分上看，粉煤灰屬于 CaO－SiO2－Al2O3三元系統(tǒng)，其活性主要由SiO2、Al2O3的含量決定。粉煤灰的礦物相組成主要是鋁硅玻璃體，還有α－SiO2和莫來石(3Al2O3·SiO2)等晶體礦物及未燃盡的碳粒。鋁硅玻璃體的含量在70%以上，是粉煤灰體現(xiàn)活性的主要組成部分，一般條件下，玻璃體量越多，活性越高。而普通水泥中主要礦物為 C2S、C3S、C3A、C4AF、CaSO4等。在水泥、粉煤灰、尾砂料漿中，粉煤灰的化學(xué)反應(yīng)包括粉煤灰自身的水化和與水泥的水化。粉煤灰自身的水化能力與氧化鈣的含量關(guān)系很大，高鈣粉煤灰通常加水后能有比較強(qiáng)烈的反應(yīng)，而低鈣粉灰這種水化反應(yīng)則比較弱。硬化前期，硬化主體是在數(shù)量上和能量上都占優(yōu)勢的水泥的水化，硬化后期，粉煤灰才開始表現(xiàn)出優(yōu)良的火山灰性質(zhì)。在料漿反應(yīng)過程中，C2S、C3S反應(yīng)速度較快，并生成大量的Ca(OH)2，由于Ca(OH)2及 CaSO4的存在，可促使粉煤灰水化反應(yīng)的加速進(jìn)行。一般情況下粉煤灰初始階段水化較慢，在后期才開始加速反應(yīng)，相應(yīng)的充填體早期強(qiáng)度不高，后期強(qiáng)度顯著提高。因此，粉煤灰可作為充填料的一種基本材料，既起到“微集料”效應(yīng)，又在作用上表現(xiàn)為“低標(biāo)號(hào)水泥”，共同優(yōu)化充填體結(jié)構(gòu)。鑒于粉煤灰的活性膠凝作用，實(shí)踐中可以將粉煤灰用于礦山膠結(jié)充填，一方面可以大大降低礦山充填成本，提高充填體的強(qiáng)度，改善充填效果，另一方面還可以使粉煤灰這一固體廢棄物得到極大的利用，減少由于其排放造成的環(huán)境污染。當(dāng)其它條件一定時(shí)，齡期強(qiáng)度隨著粉煤灰耗量的增大而增大，與此同時(shí)，流動(dòng)性能卻有所下降。因此，實(shí)際過程中，應(yīng)權(quán)衡充填體的強(qiáng)度與流動(dòng)性，確定合適的粉煤灰用量范圍。

2 粉煤灰充填膠凝材料的應(yīng)用

2.1 粉煤灰充填膠凝材料生產(chǎn)線簡介

以安徽某金屬礦山建設(shè)的一條年產(chǎn)90萬t的粉煤灰充填膠凝材料的生產(chǎn)線和使用情況為例介紹。

(1)粉煤灰充填膠凝材料的生產(chǎn)原料為:粉煤灰、礦渣、水泥熟料、石膏、石灰石和激發(fā)劑等，具體的生產(chǎn)配比如表4，其中粉煤灰占40%以上。

(2)生產(chǎn)工藝:濕礦渣采用回轉(zhuǎn)式單筒烘干機(jī)烘干，同時(shí)配置高效的沸騰爐供熱系統(tǒng)，烘干水份≤1.5%，石膏和熟料通過破碎機(jī)破碎，破碎后的物料粒度≤10mm，烘干及破碎后的物料分別進(jìn)入各自原料庫。粉煤灰和激發(fā)劑為粉狀物料，直接通過散裝罐車泵送入庫。由于各種原料的特性不同，特別是粉煤灰與熟料和礦渣的粒度和易磨性差異較大，一起粉磨很難實(shí)現(xiàn)同步或接近磨細(xì)要求，勢必造成部分物料過粉磨、部分物料欠粉磨，最終影響成品粒度分布不合理，因此本生產(chǎn)線的粉磨系統(tǒng)采用了分別粉磨的工藝流程，其中熟料、礦渣、石膏為塊狀物料一起粉磨;粉煤灰、激發(fā)劑為粉狀物料一起粉磨。粉磨后即為半成品，比表面積控制在400m2/kg左右。采用分別粉磨工藝不僅可以很好的控制半成品要求的細(xì)度，同時(shí)便于調(diào)整磨機(jī)研磨體級(jí)配，提高粉磨效率，節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)成本。兩組粉磨后的物料分別進(jìn)入中間倉進(jìn)行儲(chǔ)存，在倉底設(shè)置粉料轉(zhuǎn)子秤計(jì)量，按照一定比例配制，通過單臥軸強(qiáng)力攪拌機(jī)進(jìn)行混合，入均化庫均化后即為成品，再由氣力輸送設(shè)備送至充填站儲(chǔ)庫備用。

2.2 粉煤灰膠凝材料在礦山全尾砂充填中的應(yīng)用

2.2.1 強(qiáng)度檢測結(jié)果 (1)標(biāo)砂強(qiáng)度 將生產(chǎn)的粉煤灰膠凝材料與普通的P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，參照國標(biāo)GB175－2007進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)砂強(qiáng)度檢測，結(jié)果見表5。

表5 粉煤灰充填膠凝材料與P.C32.5級(jí)水泥標(biāo)砂強(qiáng)度

從表5可以看出，粉煤灰膠凝材料的3d強(qiáng)度略低于 P.C32.5 級(jí)水泥，28d 強(qiáng)度高于 P.C32.5 級(jí)水泥，主要原因在于由于粉煤灰的水化速度較慢，在摻量較高時(shí)，前期強(qiáng)度偏低，后期隨著激發(fā)劑的作用以及粉煤灰水化速度的加快，強(qiáng)度持續(xù)增長，甚至超過水泥。但其強(qiáng)度指標(biāo)均達(dá)到復(fù)合硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)，因此用粉煤灰膠凝材料替代水泥用于井下充填是可行的。

(2)尾砂強(qiáng)度 將生產(chǎn)的粉煤灰膠凝材料與普通的P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，在不同的充填濃度下進(jìn)行了全尾砂強(qiáng)度檢測，結(jié)果見表6。

表6 粉煤灰充填膠凝材料與P.C32.5級(jí)水泥尾砂強(qiáng)度

從表6可以看出，在同樣的灰砂比情況下，充填濃度為70%和75%時(shí)，粉煤灰膠凝材料的尾砂強(qiáng)度均高于普通P.C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，說明水泥對尾砂特別是細(xì)粒級(jí)尾砂的固結(jié)能力較低。而粉煤灰膠凝材料由于其細(xì)度較高以及大量粉煤灰中的玻璃微珠的微介質(zhì)流動(dòng)作用，提高了尾砂混凝土的密實(shí)性和固結(jié)能力，從而提高了尾砂強(qiáng)度。

(3)尾砂漿體流動(dòng)性 坍落度是反映尾砂漿體流動(dòng)性的主要指標(biāo)，在相同的灰砂比和充填濃度下，進(jìn)行了粉煤灰膠凝材料和普通P.C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥的坍落度試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

在礦山井下充填中，一般都采用的自流式充填，同時(shí)為了保證充填體的強(qiáng)度和節(jié)約充填成本，要求盡可能提高充填濃度。但要滿足全尾砂的結(jié)構(gòu)流自流輸送，坍落度需要達(dá)到220mm以上。從表7試驗(yàn)結(jié)果看，在濃度70%時(shí)，粉煤灰膠凝材料和P.C32.5級(jí)復(fù)合水泥的坍落度值差距不大，且均能滿足自流充填要求。但當(dāng)濃度達(dá)到75%時(shí)，P.C32.5級(jí)復(fù)合水泥已經(jīng)不能滿足自流充填要求。因此粉煤灰膠凝材料的尾砂漿體流動(dòng)性好于P.C32.5級(jí)復(fù)合水泥，在濃度越高的條件下，這種優(yōu)勢越突出。

表7 粉煤灰充填膠凝材料與P.C32.5級(jí)水泥坍落度值

2.2.2 充填站實(shí)際使用情況 安徽某金屬礦山自從年產(chǎn)90萬t粉煤灰膠凝材料投入使用，在充填站已經(jīng)全部替代水泥進(jìn)行膠結(jié)充填。目前的充填濃度已由原有的水泥充填濃度的68%～70%提高到了70%～72%，且充填的灰砂比由原用水泥的平均1:6.12降低到了1:7.18。從實(shí)際的井下充填體取芯強(qiáng)度看，均好于原有的水泥充填，體現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)論

利用粉煤灰固有的火山灰活性和自硬性，通過科學(xué)的材料配比和合理的加工工藝，制備的粉煤灰膠凝材料替代傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥用于尾礦膠結(jié)充填，在試驗(yàn)和實(shí)際使用過程中證明是確實(shí)可行的。無論在充填體強(qiáng)度、充填體流動(dòng)性以及充填成本上都比水泥膠結(jié)充填有一定的優(yōu)勢。同時(shí)該材料每年可以消化大量的粉煤灰，為粉煤灰的綜合利用提供了又一條新途徑。

[1]《降低膠結(jié)充填成本的途徑及應(yīng)用》饒運(yùn)章《中國礦業(yè)》1995.05.

[2]《粉煤灰膠凝活性及在礦山膠結(jié)充填中的研究與應(yīng)用》張磊 呂憲俊 金子橋《礦業(yè)研究與開發(fā)》2010.04