全尾砂改性固化力學(xué)性能研究

崔益源，梅國(guó)棟，常寶孟，王雅莉

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160； 2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京102628； 3.北京科技大學(xué)，北京 100083)

尾礦是礦石選別后遺留下的固體廢料，尾礦砂的處置一直是礦山領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，涉及環(huán)保、安全、資源再利用等諸多方面。尾礦庫(kù)作為傳統(tǒng)的尾礦儲(chǔ)存場(chǎng)所不僅存在建設(shè)成本高、維護(hù)管理困難的問(wèn)題，還有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]，因此國(guó)家應(yīng)急管理部嚴(yán)格控制尾礦庫(kù)的審批和建設(shè)。自“十二五”以來(lái)，國(guó)家推廣綠色礦山的理念，鼓勵(lì)生態(tài)化、科學(xué)化、高效化的礦山資源開(kāi)發(fā)模式[2]，由于尾砂不能全部用于井下充填，必然有一部分結(jié)余尾砂需要處理，而尾砂的無(wú)害化處置[3-4]再次成為了礦業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中，地表的無(wú)害化堆存是處置結(jié)余尾砂的一種方式。為實(shí)現(xiàn)全尾砂地表堆存，保證堆存體的穩(wěn)定性，需要加入一定的活性材料，改變尾砂性質(zhì)，增強(qiáng)其聚合性和強(qiáng)度。通常，尾砂的井下充填采用水泥作為主要的膠凝材料，成本較高，約占礦山經(jīng)營(yíng)成本的30%[5-6]，如果能夠利用一些活性材料，提高尾砂體的固結(jié)效率，可以大大降低尾砂處置成本，為礦山企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

本文以三山島金礦全尾砂為研究對(duì)象展開(kāi)研究，采用礦渣粉、生石灰、工業(yè)石膏和膨潤(rùn)土作為尾砂改性固化的材料，從利于地表堆存的角度對(duì)尾砂固結(jié)體展開(kāi)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，利用正交試驗(yàn)得到其最佳配比，為礦山全尾砂地表無(wú)害化堆存研究提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 全尾砂物化性質(zhì)測(cè)試

1.1 尾砂物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)材料來(lái)自三山島金礦新立尾礦庫(kù)排放的全尾砂，采用歐美克激光粒度分析儀對(duì)尾砂的粒級(jí)配比進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。采用比重瓶法和堆積法分別測(cè)定尾砂試樣的相對(duì)密度、堆積密度[7]；根據(jù)相對(duì)密度和堆積密度的計(jì)算結(jié)果，采用公式(1)計(jì)算全尾砂的孔隙率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1 三山島全尾砂粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of Sanshandao tailings

(1)

式中：ν—孔隙率；γ—全尾砂的相對(duì)密度；ρ—全尾砂的堆積密度。

表1 三山島金礦全尾砂物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

從物理性質(zhì)來(lái)看，三山島金礦全尾砂總體粒度在1～700 μm，其中，200 μm以下的尾砂含量約占總量的90%，100 μm以下約占80%，屬于級(jí)配良好的細(xì)粒尾砂；細(xì)砂含量高，密度較小，證明該尾砂的流動(dòng)性較好，有利于與膠凝材料混合，形成勻質(zhì)性較好的固結(jié)體。

1.2 尾砂化學(xué)性質(zhì)

采用X射線熒光光譜分析儀，對(duì)全尾砂樣品中的化學(xué)物質(zhì)組成和含量進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果如圖2所示。

從化學(xué)性質(zhì)來(lái)看，三山島金礦全尾砂中SiO2、Al2O3和K2O的含量較高，SiO2、Al2O3是比較適合于尾砂固結(jié)的成分，二者累計(jì)含量達(dá)到71.75%，而K2O能提供一個(gè)堿性環(huán)境，利于激發(fā)固結(jié)活性；同時(shí)，尾砂中不利于固結(jié)的S元素含量較小[8]，僅占總含量的1.12%?？傮w上，三山島金礦全尾砂的化學(xué)成分比較適合于固結(jié)堆存。

圖2 全尾砂化學(xué)成分分析Fig.2 Chemical composition analysis of unclassified tailings

2 濃縮全尾砂改性固化配比試驗(yàn)

2.1 配比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)使用4組濃度的尾砂漿體，其質(zhì)量濃度分別為66%、68%、70%、72%，本試驗(yàn)的目的是尋求高效、低廉的固化材料實(shí)現(xiàn)全尾砂的固結(jié)，因此在本次試驗(yàn)中采用礦渣粉、生石灰、工業(yè)石膏和少量膨潤(rùn)土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水泥作為尾砂的固化材料，礦渣粉作為固化劑的主要膠凝材料占比最大，生石灰、工業(yè)石膏和膨潤(rùn)土作為礦渣粉的激發(fā)材料，在固結(jié)劑總量一定的條件下通過(guò)改變?nèi)叩呐浔葋?lái)尋求最佳的固化效果。本實(shí)驗(yàn)共配制了6種比例的固結(jié)化，各組分配比取值如表2所示。

固化材料和尾砂的配比為1∶20，根據(jù)試驗(yàn)方案和固化劑配比進(jìn)行試驗(yàn)配料設(shè)計(jì)，如表3所示。

2.2 試樣制備

根據(jù)配料表3展開(kāi)物料稱重后，采用UJZ-15型星式水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌混合，然后澆入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)試模中，由于堆存對(duì)早期強(qiáng)度有一定要求，因此，本次試驗(yàn)優(yōu)先關(guān)注固結(jié)體3 d和7 d的強(qiáng)度，因此，待試塊脫模后置于恒溫恒濕的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d，7 d。

表2 固化劑配比取值

注：固化劑中其余組分為礦渣粉

表3 試驗(yàn)配料Table 3 Test ingredients

2.3 力學(xué)測(cè)試

測(cè)試采用壓力測(cè)試機(jī)和壓力傳感器進(jìn)行。壓力測(cè)試機(jī)的加載速率控制在每秒鐘至預(yù)定破壞荷載的10%以下(采用2 mm/min)；壓力機(jī)最大加載壓力600 kN，壓力傳感器量程為30 kN，根據(jù)公式(1)計(jì)算每組6個(gè)試塊的抗壓強(qiáng)度，剔除偏差較大的試驗(yàn)值后，計(jì)算剩余試塊的算術(shù)平均值，得到每個(gè)組的實(shí)際抗壓強(qiáng)度。

(1)

式中，Rn—試塊養(yǎng)護(hù)n天的極限抗壓強(qiáng)度，MPa；F—試驗(yàn)破壞時(shí)的最大荷載，kN；S—試塊垂直于加載方向的橫截面積，cm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 固化劑配比對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響

對(duì)固結(jié)體進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到固結(jié)體強(qiáng)度隨固化劑配比的變化規(guī)律，如圖1所示。從圖中的數(shù)據(jù)變化可以看出，隨著固化劑中生石灰和工業(yè)石膏含量的增加，各齡期試塊的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。分析其原因，當(dāng)固化劑總量一定的條件下，礦渣粉是固結(jié)尾砂的主要材料，而生石灰為礦渣粉提供了必要的堿性激發(fā)環(huán)境，工業(yè)石膏提供了CaSO4與礦渣水化反應(yīng)生成的C-H-S物質(zhì)結(jié)合形成鈣礬石[9]，增強(qiáng)了固結(jié)體的強(qiáng)度，從而在曲線前部分，固結(jié)體強(qiáng)度隨生石灰和工業(yè)石膏的加入量的增加而增加。

圖3 固結(jié)體強(qiáng)度隨固化劑配比的變化Fig.3 Changes of consolidated body strength with curing agent ratio

隨著生石灰和工業(yè)石膏比例的提高，固結(jié)體強(qiáng)度轉(zhuǎn)而下降，造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)，一是由于固化劑總含量一定，生石灰和工業(yè)石膏比例的提高導(dǎo)致礦渣粉含量減少，而礦渣粉是固結(jié)尾砂的主要材料，其含量的減少造成尾砂骨料無(wú)法完全黏合；二是由于工業(yè)石膏含量的進(jìn)一步提升，導(dǎo)致CaSO4過(guò)量，在固結(jié)體中呈現(xiàn)游離態(tài)，導(dǎo)致整體材料孔隙過(guò)大，試塊的強(qiáng)度降低。

加入少量的膨潤(rùn)土作為激發(fā)劑可以加快固結(jié)體的初凝速度，這是由于膨潤(rùn)土在水溶液中可以形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，可以有效粘結(jié)骨料；同時(shí)，膨潤(rùn)土具有膨脹性，與尾砂漿中的水發(fā)生反應(yīng)，體積迅速膨大，即使少量的膨潤(rùn)土也可以起到較好的膠凝效果。

3.2 料漿濃度對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響

料漿濃度是決定固結(jié)體強(qiáng)度的另一主要因素，圖4為料漿濃度與固結(jié)體強(qiáng)度的關(guān)系。

圖4 固結(jié)體強(qiáng)度隨料漿濃度的變化 Fig.4 Change of the strength of consolidated body with slurry concentration

從圖4中數(shù)據(jù)變化規(guī)律可以看出，當(dāng)灰砂比一定時(shí)，充填料漿濃度越高，試塊凝結(jié)速度越快，各齡期試塊的強(qiáng)度越大，當(dāng)料漿濃度達(dá)到72%時(shí)，尾砂固結(jié)體的強(qiáng)度最高，達(dá)到了0.066 MPa。3 d單軸抗壓強(qiáng)度規(guī)律較強(qiáng)，基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)；7 d抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但整體趨勢(shì)還是隨著料漿濃度的增加而增加。

3.3 正交試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步探求固化劑中各組分對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響，采用正交試驗(yàn)的方式進(jìn)一步分析[10-11]。以料漿濃度、生石灰、工業(yè)石膏、膨潤(rùn)土用量為因素，各因素選擇4個(gè)水平，構(gòu)成一個(gè)L16(44)的正交試驗(yàn)，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)因素水平

根據(jù)配比試驗(yàn)的步驟進(jìn)行制樣、養(yǎng)護(hù)3 d和力學(xué)測(cè)試，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到如表6所示結(jié)果。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

通過(guò)方差分析可知，各因素的排序?yàn)镽C>RD>RA>RB，說(shuō)明對(duì)3 d單軸抗壓強(qiáng)度影響最大的是工業(yè)石膏的加入比例，影響最小的是生石灰的加入量。各因素的水平效應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 因素水平效應(yīng)曲線Fig.5 Factor level curve

通過(guò)因素水平效應(yīng)曲線可以看出，隨著料漿濃度升高，固結(jié)體的強(qiáng)度隨之升高，而生石灰、工業(yè)石膏和膨潤(rùn)土對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響均是先升高后降低。該結(jié)果表明，在灰砂比1∶20的低配比條件下，礦渣粉作為主要的膠凝劑必須占有足夠多的比重才能起到較好的固結(jié)效果，而生石灰、工業(yè)石膏作為提供堿性激發(fā)環(huán)境的添加材料，只有在合適的比例下才能起到最佳的固結(jié)效果。根據(jù)因素水平曲線可以看出，固化劑中生石灰3水平(13%)、工業(yè)石膏3水平(7%)、膨潤(rùn)土3水平(1.2%)時(shí)，在料漿濃度4水平(72%)時(shí)，可以達(dá)到最佳固結(jié)效果，即對(duì)于三山島金礦全尾砂，最佳固化劑的組成為：礦渣粉78.8%、生石灰13%、工業(yè)石膏7%、膨潤(rùn)土1.2%。

4 結(jié)論

1)通過(guò)測(cè)試得出，三山島金礦全尾砂粒度較細(xì)、流動(dòng)性良好，尾砂中SiO2和Al2O3的累計(jì)含量達(dá)到71.75%，并且含硫量?jī)H1.12%，比較適合進(jìn)行固結(jié)。

2)運(yùn)用礦渣水泥、生石灰、工業(yè)石膏和膨潤(rùn)土組合成的固化劑，對(duì)尾砂固結(jié)展開(kāi)配比試驗(yàn)和力學(xué)參數(shù)測(cè)試可知，隨著生石灰、工業(yè)石膏和膨潤(rùn)土比例的上升，固結(jié)體強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；尾砂料漿濃度越大，固結(jié)體強(qiáng)度越大。

3)通過(guò)正交試驗(yàn)分析可知，工業(yè)石膏的比例對(duì)尾砂固結(jié)體強(qiáng)度的影響最大，在灰砂比1∶20的條件下，按照礦渣粉78.8%、生石灰13%、工業(yè)石膏7%、膨潤(rùn)土1.2%的比例配比固化劑最利于三山島金礦尾砂固結(jié)。