礦渣-脫硫灰基固結(jié)劑的尾砂固結(jié)效果

張發(fā)文 李 垚 余 倩 王 凱

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

礦渣-脫硫灰基固結(jié)劑的尾砂固結(jié)效果

張發(fā)文 李 垚 余 倩 王 凱

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

為開(kāi)發(fā)利用礦渣和脫硫渣，以礦渣和脫硫灰為主要原料，摻入少量石灰石和活性激發(fā)劑后，粉磨制得礦渣脫硫渣基固結(jié)劑(礦渣、脫硫灰、石灰石、激發(fā)劑的配合比為81∶13∶2.5∶3.5)，并以該固結(jié)劑為膠凝材料，以2種不同性質(zhì)的尾礦為固結(jié)對(duì)象，對(duì)比了固結(jié)劑料漿和32.5#水泥料漿的流動(dòng)度、保水性以及不同養(yǎng)護(hù)齡期固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明：固結(jié)劑的基本性能指標(biāo)達(dá)到，甚至優(yōu)于32.5#水泥；固結(jié)劑料漿的流動(dòng)度、保水性均略高于相同條件下的32.5#水泥料漿；提高固結(jié)劑的摻量、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，其固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高；相同條件下，固結(jié)劑固結(jié)尾礦的能力明顯優(yōu)于水泥，固結(jié)劑摻量為5%時(shí)固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水泥摻量為10%的固結(jié)體的強(qiáng)度相當(dāng)。因此，礦渣-脫硫渣基固結(jié)劑可以替代32.5#水泥用于尾礦的固結(jié)。微觀分析表明，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，膠凝材料的水化反應(yīng)越來(lái)越充分，凝膠逐漸充填尾礦顆粒間隙，固結(jié)體越來(lái)越密實(shí)，抗壓強(qiáng)度越來(lái)越高。

礦渣 脫硫灰 固結(jié)劑 流動(dòng)度 保水性 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

尾砂是礦山選礦后產(chǎn)生的固體廢物，產(chǎn)量極大，一般堆存在尾礦庫(kù)內(nèi)[1]。據(jù)報(bào)道，我國(guó)現(xiàn)存尾礦庫(kù)約1.2萬(wàn)座，尾礦總堆積量達(dá)百億t，且每年以10億t以上的速度增長(zhǎng)[2-3]，與之對(duì)應(yīng)的是，我國(guó)尾砂的綜合利用率僅為8.2%[4]。尾礦的大量堆放不僅占用土地，而且破壞生態(tài)環(huán)境、影響礦區(qū)安全。采用尾砂膠結(jié)技術(shù)將尾砂充填至采空區(qū)是尾礦大宗利用的重要途徑[5-6]。

目前常見(jiàn)的尾砂膠結(jié)材料均以水泥為主。由于用水泥為膠結(jié)材料的成本較高，因此，出現(xiàn)替代水泥的膠凝材料，如礦渣和脫硫灰與水泥混摻的膠結(jié)材料[7]。礦渣作為煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，本身并無(wú)水硬性，但具有較好的潛在活性，加入堿性激發(fā)劑后可以發(fā)生水化硬化[8]。因此，礦渣是一種有前途的堿激發(fā)膠凝材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。脫硫灰是半干、干法煙氣脫硫產(chǎn)生的固體廢物，隨著我國(guó)煙氣脫硫技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，脫硫灰的量將越來(lái)越多。由于脫硫灰成分復(fù)雜、高硫高鈣，因此，迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用途徑[9]。王文龍等[10]研究了干法、半干法脫硫灰的特性后，提出了利用脫硫灰生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥的新辦法；X.C.Qiao等[11]發(fā)現(xiàn)脫硫灰在水泥-粉煤灰-Ca(OH)2體系中能形成有效的固定化黏結(jié)劑，從而對(duì)其中的重金屬起到固定作用。

目前，將礦渣或脫硫灰單獨(dú)用作膠凝材料的研究成果較多，而將二者同時(shí)作為膠凝材料的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，能否以礦渣和脫硫灰等工業(yè)固體廢物為原料制作尾砂固結(jié)劑，對(duì)實(shí)現(xiàn)它們的資源化利用、變廢為寶、改善環(huán)境顯然具有重要意義。

1 試驗(yàn)原料

1.1 試驗(yàn)原料的成分

試驗(yàn)原料主要有礦渣、脫硫灰、尾礦1、尾礦2，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

表1 主要原料化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis of main raw materials %

1.2 試驗(yàn)原料的物化性質(zhì)

1.2.1 礦 渣

礦渣取自某鋼鐵公司水淬?；郀t，密度為2.91 g/cm3，堆積密度為1.63 g/cm3，其XRD圖譜見(jiàn)圖1。

圖1 礦渣的XRD圖譜

根據(jù)國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)礦渣質(zhì)量主要指標(biāo)系數(shù)的規(guī)定，從表1可計(jì)算出礦渣的堿性系數(shù)為1.83，質(zhì)量系數(shù)為1.72，表明該礦渣為堿性礦渣，活性較好。

從圖1可看出，礦渣的礦物成分基本為玻璃體，未見(jiàn)其他明顯的結(jié)晶相。

1.2.2 脫硫灰

試驗(yàn)用脫硫灰由河南某電廠提供，淺灰色粉末，密度為2.47 g/cm3、堆積密度為0.97 g/cm3、含水率為0.38%，脫硫灰的XRD圖譜見(jiàn)圖2。

圖2 脫硫灰的XRD圖譜

從圖2可見(jiàn)，脫硫灰的主要物相是CaSO4·2H2O，未見(jiàn)其他結(jié)晶相。

1.2.3 尾 礦

為了解制備出的固結(jié)劑對(duì)不同尾砂的固化性能差異，選取2種有代表性的尾砂進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)所用尾砂采自不同礦山，尾礦1的密度為2.77 g/cm3、堆積密度為1.53 g/cm3，孔隙率為44.77%；尾礦2的密度為2.95 g/cm3、堆積密度為1.67 g/cm3、孔隙率為43.39%。各尾礦粒度組成見(jiàn)表2。

表2 各尾礦的粒度組成

2 固結(jié)劑的制備

固結(jié)劑的原料除礦渣和脫硫灰，還有石灰石和活性激發(fā)劑。按照不同設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行配料，將原料混合均勻后在60 ℃下烘干，粉磨至比表面積為3 710 cm2/g后，參照水泥的測(cè)試方法對(duì)不同配合比的固結(jié)劑進(jìn)行基本性能測(cè)試。試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 1346—2001 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》[12]，《GB/T 17671—1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》[13]。通過(guò)正交試驗(yàn)確定的固化劑原料礦渣、脫硫灰、石灰石、激發(fā)劑的配合比為81∶13∶2.5∶3.5，其基本性能與河南孟電水泥廠的32.5#水泥的基本性能對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 固結(jié)劑與32.5#水泥的基本性能對(duì)比

由表3可看出：固結(jié)劑凈漿的安定性合格；固結(jié)劑凈漿的凝結(jié)時(shí)間滿足國(guó)家水泥標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定的初凝不小于45 min，終凝不大于600 min的要求，且與32.5#水泥的性能非常接近；固結(jié)劑凈漿的早期和后期抗壓強(qiáng)度均顯著高于32.5#水泥。因此，從固結(jié)劑的基本性能看，完全具備替代32.5#水泥的條件。

3 固結(jié)劑固化尾礦試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 流動(dòng)度試驗(yàn)

取270 g干尾礦若干份，分別加入30 g固結(jié)劑或32.5#水泥，以及一定量的水，攪拌3 min，制成濃度為75%～81%的料漿，倒在跳桌平臺(tái)上，測(cè)定各自直流動(dòng)的流動(dòng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可看出，料漿的流動(dòng)度隨著濃度的提高不斷降低，說(shuō)明料漿的流動(dòng)能力降低。因此，料漿的濃度不能過(guò)高，否則流動(dòng)性下降會(huì)影響輸送；當(dāng)然，料漿的濃度過(guò)低也不行，會(huì)造成料漿離析分層。

表4 流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，尾砂1適宜的料漿濃度為77%～79%，而尾砂2適宜的料漿濃度必須不低于79%。這表明，不同類(lèi)型的尾砂，其流動(dòng)性不一樣，可通過(guò)調(diào)節(jié)料漿濃度滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。而且在相同料漿濃度條件下，用固結(jié)劑所制備的漿體的流動(dòng)度略高于用水泥所制備的漿體的流動(dòng)度，說(shuō)明固結(jié)劑有助于改善漿體的流動(dòng)性。

3.2 泌水試驗(yàn)

取270 g干尾礦若干份，分別加入30 g固結(jié)劑或32.5#水泥，以及75 mL水，攪拌3 min后靜置固化，測(cè)定固化過(guò)程中不同時(shí)段的泌水量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 泌水試驗(yàn)結(jié)果

從表4可看出，在其他條件相同的情況下，用固化劑為固結(jié)材料時(shí)，泌水量較水泥小，960 min時(shí)完全無(wú)泌水。說(shuō)明固結(jié)劑與水泥比較，對(duì)不同尾砂都有著較好的保水性。

3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照《DL/T 5150—2001 水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[15]執(zhí)行。常溫下將制成的料漿置入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模，靜置1 d后拆模，然后將試塊密封好放置在相對(duì)濕度為95%左右、溫度為20±2 ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3、7、28和60 d，然后取出，測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(取3次的平均值)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

注：膠凝材料的摻量也即為尾礦+膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

從表6可看出，對(duì)于固結(jié)劑來(lái)說(shuō)，摻量越高，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，其固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高；而且當(dāng)摻量為10%時(shí)，尾砂1和尾礦2的固結(jié)體7 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了1.71 MPa和2.01 MPa，基本達(dá)到了礦山充填所需強(qiáng)度的要求。相同條件下，固結(jié)劑固結(jié)尾礦的能力明顯優(yōu)于水泥，固結(jié)劑摻量為5%時(shí)固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水泥摻量為10%的固結(jié)體的強(qiáng)度相當(dāng)，這說(shuō)明要使固結(jié)體具有同等的強(qiáng)度，固結(jié)劑的摻量只需水泥摻量的一半。

3.4 固結(jié)體微觀形態(tài)分析

將固結(jié)劑摻量為10%的、達(dá)到一定養(yǎng)護(hù)期的尾礦固結(jié)體破碎后，用無(wú)水乙醇終止樣品新鮮斷面的水化，經(jīng)噴金處理后在日本JSM-5610LV掃描電子顯微鏡下觀察其顯微形貌，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 固結(jié)體內(nèi)部掃描電鏡圖片

從圖3(a)、圖3(c)可以看出，水化7 d的尾砂固結(jié)體內(nèi)部尾礦顆粒表面覆蓋有六方板狀Ca(OH)2晶體，針狀鈣礬石，片狀水化硅鋁酸鈣等膠結(jié)物質(zhì)以及絮狀水化C—S—H凝膠，結(jié)構(gòu)比較疏松，孔隙率也比較大。從圖3(b)、圖3(d)可以看出，水化28 d的固結(jié)體內(nèi)，大部分礦渣顆粒周?chē)纬闪舜罅康腃—S—H凝膠，這些凝膠充填在礦渣顆粒間隙中，固結(jié)體的密實(shí)度較高。對(duì)比水化7 d和28 d尾砂固結(jié)體的SEM圖片可以看出，水化28 d的固結(jié)體較水化7 d的固結(jié)體而言，礦渣周?chē)乃a(chǎn)物明顯增多，這些水化產(chǎn)物填補(bǔ)于尾礦顆粒間的孔隙中，使得膠凝材料更加密實(shí)，因而抗壓強(qiáng)度更高。說(shuō)明養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，使得水化反應(yīng)更加充分，膠結(jié)體結(jié)構(gòu)類(lèi)型發(fā)展成為骨架-絮凝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從圖3還可以看出，尾砂1的固結(jié)體結(jié)構(gòu)類(lèi)型多為針狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而尾砂2的固結(jié)體類(lèi)型多為塊狀、片狀堆積結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的研究[16]表明，這可能是由2種尾砂的性質(zhì)不同造成的。

4 結(jié) 論

(1)礦渣、脫硫灰、石灰石、激發(fā)劑按配合比81∶13∶2.5∶3.5混合，粉磨至比表面積為3 710 cm2/g所制得的固化劑的安定性合格，其凈漿的凝結(jié)時(shí)間與河南孟電水泥廠生產(chǎn)的32.5#水泥性能接近、早期和后期抗壓強(qiáng)度則顯著高于32.5#水泥。

(2)固結(jié)劑料漿的流動(dòng)度隨著濃度的提高而降低，但均略高于相同濃度下32.5#水泥料漿的流動(dòng)度。

(3)在其他條件相同的情況下，固化劑的保水性?xún)?yōu)于32.5#水泥。

(4)對(duì)于固結(jié)劑來(lái)說(shuō)，摻量越高、養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，其固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高；相同條件下，固結(jié)劑固結(jié)尾礦的能力明顯優(yōu)于水泥，固結(jié)劑摻量為5%時(shí)固結(jié)體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水泥摻量為10%的固結(jié)體的強(qiáng)度相當(dāng)。因此，要使固結(jié)體具有同等的強(qiáng)度，固結(jié)劑的摻量只需32.5#水泥摻量的一半。

(5)微觀分析表明，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，膠凝材料的水化反應(yīng)越來(lái)越充分，凝膠逐漸充填尾礦顆粒間隙，固結(jié)體越來(lái)越密實(shí)，抗壓強(qiáng)度越來(lái)越高。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Effect of Tailings Consolidating with Slag-Desulfurization Ash-Based Consolidation Agents

Zhang Fawen Li Yao Yu Qian Wang Kai

(CollegeofForestry,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

In order to utilize slag and desulfurization ash,consolidation agent is synthesized using slag and ash as the main raw material,and adding a small amount of limestone and activator.The optimum mass ratio of slag,ash,limestone,activator is 81∶13∶2.5∶3.5.Mortar fluidity and bleeding quantity of tailing cementation slurry,and the unconfined compressive strength after different curing times were tested,taking the two tailings different in property as research object.Experimental results showed that the basic properties of consolidation agent are somehow better than that of 32.5#cement.Mortar fluidity and bleeding quantity of tailing slurry by using consolidation agent were higher than that of 32.5#cement.Increasing consolidation agent dosage and extending curing times would be favorable to raise the unconfined compressive strength.The solidification effect of slag-desulfurization ash-based consolidation agent was significantly better than cement under the same conditions.Unconfined compressive strength of indurations compound with 5% consolidation agent is nearly adding 10% cement.Therefore,the slag-desulfurization ash-based consolidation agent can substitute for 32.5#cement in solidify tailings.The microscopic experimental results indicated that the main reason of raising compressive strength was making cementing material hydration react completely with curing time extending.And gel filled interspace between tailing particles in the hydration reaction of cementing material,which caused the tailings solidification bodies relatively more dense and higher compressive strength.

Slag,Desulfurization ash,Consolidation agent,Fluidity,Water retention,Unconfined compressive strength

2015-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51008118)。

張發(fā)文(1981—)，男，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

926.4

A

1001-1250(2015)-05-184-05