周 曼 李鐵一 劉正強(qiáng) 羅文斌 雷國元 虞志平

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室;3.武鋼礦業(yè)有限公司金山店鐵礦)

經(jīng)過固化造塊的尾礦可以回填采礦塌陷區(qū)或堆存在排土場，實現(xiàn)尾礦不入庫的目標(biāo)?？箟簭?qiáng)度和耐水性能是尾礦固化造塊技術(shù)的2個重要指標(biāo)。

目前，關(guān)于尾礦固化塊的研究大都圍繞固化劑的摻量、砂漿濃度、尾砂粒級、灰砂比及養(yǎng)護(hù)齡期等工藝指標(biāo)展開［1-4］，旨在提高尾礦固化塊強(qiáng)度，但對固化塊的耐水性卻不夠重視。本試驗以工業(yè)固體廢物為膠凝材料，以尾礦產(chǎn)地附近硫酸廠余熱為熱源，對武鋼金山店細(xì)粒鐵尾礦進(jìn)行了固化造塊研究，探討提高固化塊力學(xué)性能和耐水性能的途徑。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

(1)鐵尾礦取自金山店鐵礦，－88μm占80.8%，其中－38.5μm占60.8%，屬于細(xì)粒尾礦。其主要化學(xué)成分見表1。

表1 金山店鐵尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

(2)X為某廠工業(yè)固體廢棄物經(jīng)磨礦活化的產(chǎn)物，－50μm占99.57%。

(3)Y、Z為X的活性激發(fā)劑。其中Y是堿性激發(fā)劑，細(xì)度為－28μm占95%;Z為鹽類激發(fā)劑，細(xì)度為－48μm占95%。

1.2 試驗方法

尾礦固化造塊流程見圖1。試驗所用尾礦含水率為30%，X、Y、Z按照一定的質(zhì)量比混合制成固化劑，尾礦與固化劑混合后在一定溫度下陳化一定時間，至含水率為17%左右時壓制成型，固化塊尺寸為 36 mm×36 mm，然后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)。分別測定不同養(yǎng)護(hù)方式下固化塊的抗壓強(qiáng)度和水中浸泡24 h后的抗壓強(qiáng)度。

圖1 尾礦固化造塊流程

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 固化劑配方試驗

2.1.1 Y用量試驗

堿性激發(fā)劑Y用量(與固化劑+尾礦總質(zhì)量之比)試驗的X、Z摻量分別為固化劑+尾礦總質(zhì)量(干基)的8.0%和1.0%，30℃下陳化后壓制成型，壓力為20 MPa，自然養(yǎng)護(hù)一定時間的干固化塊的抗壓強(qiáng)度見圖2。

圖2 Y摻量對干固化塊抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，提高堿性激發(fā)劑Y的摻量，固化塊的抗壓強(qiáng)度先顯著提高，這是由于提高固化塊體系的堿度有利于加速X玻璃體的解聚和、的游離，促進(jìn)、與溶液中的Ca2+化合生成水化硅酸鈣類物質(zhì)，水化產(chǎn)物(如水化硅酸鈣、鈣礬石等)的增加使固化塊的結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度提高［5］。綜合考慮，初步確定堿性激發(fā)劑Y的摻量占原料總質(zhì)量的3.7%。

2.1.2 Z用量試驗

鹽類激發(fā)劑Z用量試驗的X、Y摻量分別為固化劑+尾礦總質(zhì)量的8.0%和3.7%，30℃下陳化后壓制成型，壓力為20 MPa，自然養(yǎng)護(hù)一定時間的干固化塊的抗壓強(qiáng)度見圖3。

圖3 Z摻量對干固化塊抗壓強(qiáng)度的影響▼—3 d;●—7 d

從圖3可以看出，提高鹽類激發(fā)劑Z的摻量，固化塊的抗壓強(qiáng)度先上升后下降。這是由于Z的摻入促進(jìn)了X中SiO2與Ca(OH)2進(jìn)行火山灰反應(yīng)，生成穩(wěn)定的水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石等，改善了固化塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了固化塊的強(qiáng)度與密實性［6］;當(dāng)Z摻量過大時，鈣礬石的量不斷增加，Z的緩凝效應(yīng)開始起作用，反而使得固化塊的強(qiáng)度降低。因此，初步確定鹽類激發(fā)劑Z的摻量占原料總質(zhì)量的1.0%。

2.1.3 固化劑配方試驗結(jié)論

上述試驗結(jié)果表明，適宜的固化劑配方為X、Y、Z 的質(zhì)量比 =8∶3.7∶1。

2.2 陳化溫度試驗

陳化溫度試驗的X、Y、Z摻量分別為固化劑+尾礦總質(zhì)量的8.0%、3.7%和1.0%，陳化后壓制成型，壓力為20 MPa，自然養(yǎng)護(hù)一定時間的干固化塊抗壓強(qiáng)度見圖4。

圖4 陳化溫度對干固化塊抗壓強(qiáng)度的影響▼—3 d;●—7 d

從圖4可以看出，隨著陳化溫度的升高，尾礦固化塊的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。這是由于陳化溫度過低，膠凝體系的反應(yīng)活性受到抑制，水化反應(yīng)速度降低，固化塊強(qiáng)度增長緩慢;而陳化溫度過高，水分損失過快，前期水化反應(yīng)時間過短，導(dǎo)致水化反應(yīng)不夠徹底，同樣不利于后期強(qiáng)度的增長。因此，確定陳化溫度為30℃，干固化塊7 d的抗壓強(qiáng)度為7.9 MPa，達(dá)到了金山店尾礦固化造塊7 d的抗壓強(qiáng)度不低于5.0 MPa的要求。

2.3 自然養(yǎng)護(hù)條件下的耐水性能試驗

在保持2.1.3節(jié)固化劑配方不變的情況下調(diào)整固化劑、尾礦及水泥的用量進(jìn)行固化塊耐水性試驗，試驗的陳化溫度為30℃，成型壓力為20 MPa，試驗結(jié)果見表2。

表2 耐水性能試驗結(jié)果

從表2可以看出，這些自然養(yǎng)護(hù)的固化塊耐水性能普遍不夠，僅有增加固化劑總量的固化塊耐水性能有所提高，其余固化塊均出現(xiàn)大量的橫向開裂;有固化劑的固化體系中摻入少量水泥可以提高干固化塊7 d的抗壓強(qiáng)度，但不能明顯改善固化塊的耐水性;水泥替代固化劑的效果不理想，導(dǎo)致干固化塊7 d的抗壓強(qiáng)度顯著下降，主要是因為水泥水化速度快，其水化產(chǎn)物包裹在原固化劑顆粒表面，阻礙了后期水化反應(yīng)的進(jìn)行，因而強(qiáng)度下降。

造成固化塊耐水性較差的主要原因是尾礦粒度太細(xì)，固化時體系中形成很多直徑很小的毛細(xì)管，遇水時，毛細(xì)壓作用產(chǎn)生很大的膨脹力，從而降低了固化塊的抗壓強(qiáng)度，甚至脹裂。因此，后續(xù)將探討?zhàn)B護(hù)方式的改變對固化塊耐水性的影響。

2.4 養(yǎng)護(hù)方式試驗

2.4.1 常壓蒸養(yǎng)時間試驗

在進(jìn)行常壓蒸養(yǎng)時間試驗前先進(jìn)行了蒸汽溫度試驗，確定的常壓蒸養(yǎng)溫度為95℃。提高蒸汽溫度有利于促進(jìn)固化劑的溶解，加速水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物量增加，固化塊的抗壓強(qiáng)度和耐水性提高［7］。

為了盡可能提高尾礦利用率，分別對占原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.7%和11.1%固化劑的固化塊進(jìn)行了蒸汽養(yǎng)護(hù)時間試驗。陳化溫度為30℃，成型壓力為20 MPa，95℃下進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，固化塊強(qiáng)度見圖5。

圖5 蒸汽養(yǎng)護(hù)時間對固化塊強(qiáng)度的影響●—固化劑摻量為12.7%未吸水固化塊;○—固化劑摻量為12.7%吸水飽和固化塊;▲—固化劑摻量為11.1%未吸水固化塊;△—固化劑摻量為11.1%吸水飽和固化塊

從圖5可以看出，在蒸汽養(yǎng)護(hù)初期，增加蒸汽養(yǎng)護(hù)時間可以提高固化塊的抗壓強(qiáng)度。固化劑摻量為12.7%的固化塊蒸汽養(yǎng)護(hù)6 h干固化塊和吸水飽和固化塊的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到7 MPa和3 MPa以上，滿足金山店固化塊強(qiáng)度指標(biāo)要求(干固化塊和吸水飽和固化塊抗壓強(qiáng)度分別大于5 MPa和3 MPa);固化劑摻量為11.1%的固化塊蒸汽養(yǎng)護(hù)6 h干固化塊和吸水飽和固化塊的抗壓強(qiáng)度分別低于5.0和2.0 MPa，不滿足固化塊強(qiáng)度指標(biāo)要求。

2.4.2 高壓蒸養(yǎng)時間試驗

高壓蒸養(yǎng)時間試驗進(jìn)一步提高了尾礦摻加比例。固化劑摻量分別為11.1%和9.6%，陳化溫度為30℃，成型壓力為20 MPa，高壓蒸養(yǎng)溫度為180℃、壓力為1 MPa，固化塊強(qiáng)度見圖6。

圖6 高壓蒸養(yǎng)時間對固化塊強(qiáng)度的影響

從圖6可以看出，高壓蒸養(yǎng)可以在短時間內(nèi)顯著提高尾礦固化塊抗壓強(qiáng)度和耐水性;2種固化塊蒸壓養(yǎng)護(hù)80 min即可滿足固化塊強(qiáng)度指標(biāo)要求。這是由于在高壓蒸汽環(huán)境下，X的活性得到更充分的激發(fā)，水化反應(yīng)更完全，水化產(chǎn)物生成量增多;此外，在高壓蒸養(yǎng)條件下，尾礦中的石英礦物與堿性激發(fā)劑生成水化硅酸鹽凝膠，從而增加了固化塊的密實度，降低了毛細(xì)管數(shù)量，使干固化塊強(qiáng)度及耐水性顯著提高。

2.5 成型壓力試驗

成型壓力試驗的固化劑摻量分別為11.1%和9.6%，陳化溫度為30℃，高壓蒸養(yǎng)溫度為180℃、壓力為1.0 MPa、時間為80 min，固化塊強(qiáng)度見圖7。

圖7 高壓蒸養(yǎng)下成型壓力對固化塊性能的影響

從圖7可以看出，干固化塊的抗壓強(qiáng)度隨成型壓力增大而增大;吸水飽和固化塊的強(qiáng)度隨成型壓力增大先增大后維持在高位。因此，確定固化塊成型壓力為25 MPa。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)磨礦活化的工業(yè)固體廢棄物X在激發(fā)劑Y、Z激發(fā)下可以成為金山店細(xì)粒尾礦固化的膠凝材料，該固化劑的配方為 X、Y、Z 的質(zhì)量比 =8∶3.7∶1，固化劑與尾礦質(zhì)量比為12.7∶87.3。

(2)原料適宜的陳化溫度為30℃。

(3)自然養(yǎng)護(hù)的固化塊耐水性較差，蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)可以顯著提高固化塊的耐水性能。

(4)固化塊的成型壓力為25 MPa時，固化劑的摻量可以進(jìn)一步減少到9.6%，對應(yīng)干固化塊的抗壓強(qiáng)度和耐水性均能滿足指標(biāo)要求。

［1］ 劉 磊，呂憲俊，王桂芳，等．鐵礦全尾礦膠結(jié)充填強(qiáng)度正交回歸試驗研究［J］．金屬礦山，2008(10):29-31.

［2］ 侯運(yùn)炳，唐 杰，魏書祥．尾礦固結(jié)排放技術(shù)研究［J］．金屬礦山，2011(6):59-62．

［3］ Fall M，Benzaazoua M，Ouellet S．Experimental characterization of the effect of tailings fineness and density on the quality of cemented paste backfill［J］．Miner Eng，2005，18(1):4-5．

［4］ 張大捷，張發(fā)文，孫 琪，等．HAS固化劑的尾砂固化性能［J］．金屬礦山，2009(4):165-167．

［5］ 牛福生，聶軼苗，張錦瑞．地質(zhì)聚合物中常用的礦渣激發(fā)劑及激發(fā)機(jī)理［J］．混凝土，2009(11):83-85．

［6］ Poon C S，Kou SC，Lam L，et al．Activation of fly ash/cement systems using calcium sulfate anhydrite［J］．Cem Concr Res，2001，31(6):873-881．

［7］ 李 響，閻培渝．高溫養(yǎng)護(hù)對復(fù)合膠凝材料水化程度及微觀形貌的影響［J］．中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，41(6):2321-2326．