用于充填采矿的高性能水淬渣胶凝材料.pdf

第5 8 卷第1 期 2 0 06 年2 月 有色金属 用于充填采矿的高性能水淬渣胶凝材料 马伟东1 ，古德生1 ，王勃2 1 ．中南大学，长沙4 10 0 8 3 ；2 山东理工大学，山东淄博2 5 5 0 4 9 摘要介绍用于充填采矿的高性能水淬渣胶凝材料的性能及使用教果。结果表明，水淬涪腔凝材料不但能完垒替代水混 作为胶凝材辩，而且在满足同等充填体强度的前提下．用量仅为普通水泥用量的一半左右．具有明显的技术经济效果，是理想的水 泥替代品。 关键词采矿工程；水淬渣胺凝材料；充填；性能 中图分类号T D 8 5 33 4 3 ；X 7 5 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 1 0 0 8 6 0 3 我国已成为世界材料生产和消费大国，主要原 材料产量如钢、钢材、水泥等产量已跃巨世界前列， 其中钢铁年产量是全球第一个突破2 亿t 的国家， 但在资源开发利用的技术水平、广度和深度及资源 效益、经济效益和环境效应上与国外发达国家相比 还有相当大的差距。纵观我国整个工业体系，固体 废弃物排放大户主要分布在冶金、煤炭，火力发电等 工业企业。如我国钢铁企业排放的固体废弃物，除 尾矿外，主要为冶炼渣，包括高炉渣、钢渣、化铁炉 渣、铁合金渣等，其中高炉渣、钢渣占8 0 ％以上，而 其综合利用率仅为8 0 ％左右，国外工业发达国家都 已实现产用平衡。粒化高炉矿渣用于生产矿渣水泥 在我国已有近5 0 年历史，其良好的物理力学性能和 耐久性能在混凝土工程实践中得到肯定。从2 0 世 纪9 0 年代后，工业废渣粉作混凝土掺合料在我国取 得了突破性进展，并用于工程实践，取得了良好的技 术经济效果，引起了混凝土界高度重视，成为一项高 新技术成果，并且制定了相应的国家标准。 在采用胶结充填工艺的矿山中，通常采用水泥 做胶凝剂，水泥费用约占充填成本的6 0 ％～8 0 ％， 为降低充填成本，许多矿山都在寻求更廉价的水泥 代用品作为胶凝剂，来满足矿山生产的要求，并且国 内也不乏有成功地采用工业炉渣或粉煤灰等工业废 渣替代或部分替代水泥的先例。高强水淬渣胶凝材 料，同矿山常用的水泥相比，不但能完全替代水泥做 为胶凝剂，而且在达到同等充填体强度的前提下，其 用量仅为水泥用量的一半左右。 1 水淬渣的化学组成 水淬渣是高炉炼铁过程中铁矿石中的S i O 和 A l 0 3 等杂质与石灰等熔剂化合而成的。虽然国内 各个地区的水淬渣的组成略有不同，但组成均以 s i 0 2 ，A b 0 3 ，C a O ，M g O 和F e 2 0 3 等为主，主要化学 成分如表1 所示。 表1 水淬渣化学组成 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i 。no tw s t c rq u e n c h i n gs l a g 从表1 可以看出，水淬渣的组成中所占比例较 大的3 种化学物质是S i 0 2 ，C a O 和A t 2 0 3 ，其中活性 物质主要是C a O 和A 1 2 0 3 。通常C a O 含量越高，活 收稿日期2 0 0 4 “ 1 0 1 3 作者简介懒 1 9 6 7 ，男，山东商河县人，工程师，博上生．主 要从事矿业安全等方面的研究； 古德生 1 9 3 7 一 ，男．广东梅县人．教授，博士生导师，中国 工程院院士，主要从事振动放矿及采矿工艺方呵的研究。 性越大，但当其含量超过5 1 ％时，活性反而降低。 A l ，O ，也是决定水淬渣活性的主要成分，其含量越 高，活性也越大。当C a O 和A k 哂两者含量都较高 时，水淬渣活性最好。然而S i O 含量较高时，水淬 渣活性反而较差。 高性能水淬渣胶凝材料主要是以粒化高炉矿渣 为原料．并外加复合激发剂，经超细粉磨而成的一种 活性材料，物理形态与普通水泥类似，呈灰白色粉末 万方数据 第1 期马伟东等用于充填采矿的高性能水淬渣胶凝材料 状，密度3 ．0 t ／m 3 ，比表面积大于4 0 0 m 2 ／k g ，含水率 小于1 ％。 2 水淬渣胶凝材料替代水泥试验 2 ．1 充填材料主要性能 试验用尾砂为分级尾砂，平均粒径0 ．0 8 7 1 I l l I n ， 最大粒长0 ．2 5 m m ，固体密度3 ，0 5 ，不均匀系数 3 。8 9 。其粒级组成及化学成分，见表2 和表3 。 表2 尾砂粒级组成 T a b l e2P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no ft a i l i n g 表3 试验用分级尾砂主要化学成分 T a l ] l e3C h e m i c a lc o m p o s i t i o nO ft a i l i n g 成分s ，qF q q 址0 3C s O SA u A g 组成／％1 79 43 23 8 68 4 1 58 238 80l i 0 2 1 2 ．2 试验方案 试验目的在于了解水淬渣的胶凝性，探索水淬 渣胶凝材料完全替代水泥的可行性，并与其他胶凝 材料 如普通水泥、自产高水胶固料 进行全方位的 性能对比，为下一步进行现场工业试验奠定良好的 基础。为此．将水淬渣胶凝材料和普通水泥及高水 胶凝材料和尾砂分别按表4 中的配比分别制成标准 试块．测试各组试块7 d 和2 8 d 的单轴抗压强度。 试块采用7 ．0 7 e r a 7 ．0 7 c m 7 ．0 7 c m 标准金属 试模浇灌，养护4 8 h 后脱模，然后将试块放至养护室 养护．养护温度为2 0 ～2 5 * 2 。为确保数据的可靠 性，在试块进行抗压强度检测时，压力机的加载速度 应保持0 ，3 ～0 ．5 M P a ／m i n ，且每次试压3 个相同的 试块，抗压强度取平均值。 2 ．3 试验结果 试验分别采用水淬渣胶凝材料、普通水泥及高 水材料为胶凝剂，在不同配比条件下的试验结果见 表4 ，标准检测 G B ／T 1 3 4 6 ，G B l 3 4 4 ．9 9 ，G B ／ T 1 7 6 7 1 9 9 结果见表5 。 从实验室对比试验结果可以看出，水淬渣胶凝 材料的早期强度和抗折性均比普通水泥好，其初 终 凝时间、标准稠度用水量和安定性和普通水泥 相近。从试块检测结果来看，在浓度和灰砂比相同 的条件下，用水淬渣胶凝材料的试块抗压强度 7 d 和2 8 d 分别是普通水泥的3 倍和2 倍，是胶固料 2 8 d 的15 倍。此外，用水淬渣胶凝材料试块的后 期强度增长较快，且随着水淬渣胶凝材料用量的增 加，试块抗压强度增长和后期强度增长较侠，说明该 材料完全可以替代水泥做为胶凝剂，且在达到相同 或相近的充填体强度的前提下，其用量仅为水泥的 一半左右，在满足矿山对充填体强度要求的同时，可 大大降低充填成本，具有明显的技术优势和显著的 经济效益。 表4 不同胶凝剂室内试验结果 T a b t e 4S a m p l ee x a m i n a t i o nr e s u l tw i t hv a r i o u sc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s 胶凝剂罚i 墅型型里鱼} j 孚 望望 堕} j 芋塑造型坠 } 安定性 万方数据 有色金属第5 8 卷 3 结语 新型水淬渣胶凝材料充填体早期强度高，后期 强度增长快，具有非常好的胶凝性，完全可以替代水 泥用作矿山充填的胶凝材料，同时在满足矿山对充 填体强度要求的同时，太大降低了胶凝材料的用量， 可大幅度降低充填成本，具有明显经济效益。据不 完全统计，我国有色金属矿山中，每年胶结充填所消 耗的水泥约为4 0 万t ，特别是近年来，随着充填采矿 在安全、效率、环保等方面具有明显的优越性，胶结 充填技术的应用越来越普遍，利用工业废渣部分或 全部替代水泥做胶凝材料，将大幅度提高我国废渣 资源的综合利用率，具有明显经济效益、社会效益和 环境效益。新型胶凝材料的应用是充填采矿的发展 的方向之一。 参考文献 [ 1 ] 束桂林，孙树杉，王建华．高炉矿渣耢作为高性能掺台料的研究与应用[ J ] 粉煤灰，2 0 0 1 ， 2 1 7 1 8 ． [ 2 ] 何哲祥。谢开维，谢长江工业炉碴用于矿山试验的试验研究[ J ] 矿业研究与开发，1 9 9 5 ，1 5 4 1 5 1 7 ． [ 3 ] 刘同有．中国有色矿山充填技术的现状及发展[ J ] 中国矿业，2 0 0 2 ，1 1 1 2 8 3 4 [ 4 】赵旭光．李三银，李宁，等．高钢碴掺量和高强度钢碴水泥研制[ J ] 武汉理工大学学摄，2 0 0 4 ，2 6 1 3 8 4 1 【5 ] 王复生。陶立鹏，宋延寿高性能矿碴胶凝材料的水化产物研究[ J ] 建筑材料学报，2 0 0 1 ，4 3 2 7 6 2 7 9 ． H i g h - p e r f o r m a n c eG e l l e dM a t e r i a lf r o mW a t e rQ u e n c h i n gS l a gf o rB a c k f i l l i n g M AW e i - d o n 9 1 ，G UD e ．m “9 1 ，W A N G 慨2 1C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s t m4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2S h a h d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，Z 抽2 5 5 0 4 9 ，S h a n d o n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ep e r f o r m a n c ea n da p p l y i n ge f f e c to ft h eg e l l e dm a t e r i a lf r o mt h ew a t e rq u e n c h i n gs l a gf o rb a c k f i l l i n ga r e d e s c r i b e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec e m e n tu s e di nt h eb a c k f i l l i n gm i n i n gp r o c e s st a i lb ec o m p l e t e l ys u b s t i t u t e d b yt h ew a t e rq u e n c h i n gs l a gg e l l e dm a t e r i a l ，f u r t h e r m o r e ，t h ed o s a g eo ft h en e wg e l l e dm a t e r i a li sa nh a l fo ft h e c e m e n tf o rt h es a m es t r e n g t ho ft h ef i l l i n gb o d yT h eg e l l e dm a t e r i a lf r o mt h ew a t e rq u e n c h i n gs l a gh a sr e m a r k a b l ee c o n o m i c a lp r o f i ta n di si d e a ls u b s t i t u t ef o rc e n l e l l t K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；b a c k f i U i n g ；p e r f o r m a n c e 万方数据