无熟料钢渣胶凝体系制备矿山充填料的流动性能研究

无熟料钢渣胶凝体系制备矿山充填料的流动性能研究

张静文　倪 文　胡 文

（北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083）

摘  要：讨论了在无熟料钢渣胶凝材料体系下，矿山充填料流动性的主要影响因素。料浆流动性试验结果表明掺加粉煤灰能明显改善体系的流动性，在一定范围内，浆体流动性随着粉煤灰掺量增大而增大；矿渣对浆体流动性的改善效果不如粉煤灰，但能提高充填体各龄期抗压强度；脱硫石膏对浆体流动性的改善效果优于天然石膏；粗细粒级分配较均匀的尾矿对流动性的改善有积极的作用；料浆浓度对体系流动性和强度影响很大。

关键词：钢渣；胶结充填；流动性

中图分类号：TD85313           文献标识码：A 

引言

       钢渣作为冶金工业的主要废渣，一直以来都是固体废弃物资源化研究的重点对象。我国每年的钢渣排放量达1亿吨，现有堆积量超过5亿吨，伴随钢铁产业的发展，钢渣的排放量也会不断增加。据行业统计，钢渣利用率仅在25%左右，极低的利用率造成钢渣大量堆积，不仅浪费资源，占用土地，还造成了极大的环境污染和安全隐患^[1]。而在矿山充填中目前胶结充填的胶结剂仍以水泥为主^[2]，其消耗量大，成本高是困扰矿山的一大难题。寻找合适的胶凝材料替代水泥作为胶结剂生产强度高，能自流，不离析的充填材料是矿山胶结充填的一个重要的研究和发展方向。

在矿山充填的实际生产过程中充填料的流动性是几个关键指标之一。料浆流动度较小时，充填料的流动阻力较大，在充填倍线较大的条件下很难通过自流输送的方式进行充填，需要进行泵压输送，成本也较高。本文利用钢渣掺与适量矿渣粉、粉煤灰和少量脱硫石膏作为激发剂，经混合制成的水硬性胶凝材料，完全替代水泥作为胶结剂，同时加入大量的尾矿作为骨料制备钢渣全尾砂矿山充填料，并讨论影响料浆流动性的主要因素。

1. 试验

1.1原料

钢渣：为唐钢闷热法生产的钢渣，粉磨至比表面积590m²/kg，化学成分见表1.1。

矿渣：为鞍钢集团矿渣开发公司生产的商品矿渣粉，粉磨至比表面积480m²/kg。

脱硫石膏：为北京市石景山热电厂生产的脱硫石膏，主要矿物相为二水硫酸钙，粉磨至比表面积360m²/kg。

粉煤灰：取自淮南洛河电厂在上窑灰场中的I、Ⅱ级粉煤灰，比表面积分别为320m²/kg和260m²/kg。

尾矿：为石人沟铁矿的铁尾矿，主要成分为石英和赤铁矿，其中95%左右的尾砂颗粒粒径小于0.63mm，小于0.075mm的尾砂颗粒占39.36%。尾矿粒度分布见表1.2。   

表1.1 各原料化学成分 (wt.%)

表1.2 石人沟铁尾矿粒径分布

1.2试验方法

       将钢渣、矿渣、脱硫石膏及粉煤灰烘至含水率小于1%后，分别磨细至试验所需的细度，按一定比例分别称量加入适量减水剂混合均匀，根据试验设计的尾砂比例及料浆浓度加入尾砂和所需的水进行搅拌后测试其浆体的流动性。本试验中料浆流动性分为定性和定量两部分，对浆体自流通过L型管道的流动状态进行定性分析，并以浆体的流动度值作为定量表示。流动度值按照GB80－85《混凝土拌和物试验方法》进行坍落筒法测定其扩展度。料浆浇铸成型后放入标养箱中养护至一定龄期，测试其抗压强度。

2. 结果与讨论

2.1粉煤灰对流动性的影响

       以钢渣-脱硫石膏体系为研究对象，研究掺加不同种类不同用量的粉煤灰对浆体流动性的影响，其中粉煤灰分为Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰。Ⅰ级粉煤灰原始比表面积为320m²/kg，粉磨至比表面积440 m²/kg，II级粉煤灰原始比表面积为260m²/kg，粉磨至比表面积420 m²/kg， PC减水剂掺量0.5%，胶砂比1：6，料浆浓度75%，试验结果见表2.1。

表2.1 粉煤灰对流动性的影响

       由表2.1可知掺加粉煤灰能明显提高浆体的流动性，Ⅰ级粉煤灰的提升效果优于Ⅱ级粉煤灰，未磨的粉煤灰比磨细的粉煤灰效果更好并且在一定范围内，浆体流动性随着粉煤灰掺量增大而增大。

粉煤灰颗粒呈致密的球状，且表面光滑，在胶结材料中起“滚动作用”，这种“形态效应”能明显改善胶砂的流动性，同时粉煤灰的需水量比也较小，也能促进胶砂流动性的提高。Ⅱ级粉煤灰的需水量比相对较大，粒度较粗，球形颗粒少，因而改善效果不如Ⅰ级粉煤灰。过细粉磨的粉煤灰其本身比表面积增加过多，分散效果不佳，不能充分发挥粉煤灰球形颗粒的粒形效应，导致其对流动性的增加效果不如未磨的粉煤灰。

当钢渣－脱硫石膏体系中掺入10%以上的Ⅰ级未磨的粉煤灰时，浆体能自流通过L型管道，流动度值高于200mm，满足自流型胶结充填料对流动性的要求。

按表2.1中a4、a5组胶凝材料配方制成的胶砂试块各龄期的抗压强度对比如图2.1所示。由图2.1可知，在钢渣－脱硫石膏－粉煤灰无熟料胶凝体系中，早期强度较低，后期强度虽有一定增长，但仍然偏低，60天最高仅有2.32MPa。

图2.1 粉煤灰对充填体强度的影响

2.2 矿渣对流动性的影响

       由于钢渣-脱硫石膏-粉煤灰体系制备的胶结充填材料强度较低，在上述胶凝体系中掺加矿渣，利用矿渣与钢渣之间的相互活化效果来提高充填体强度，并考察矿渣对流动性的影响，PC减水剂掺量为0.5%，胶砂比为1：6，料浆浓度为75%。

表2.2 矿渣对流动性的影响

       对比表2.2中b1和b2组数据可知掺加矿渣取代部分钢渣能明显提高浆体的流动性，对比b2、b3组数据可知矿渣取代部分粉煤灰会使浆体流动性有一定程度的下降，对比b3、b4组数据可知当矿渣取代全部粉煤灰时，浆体依然具有较好的流动性，能自流通过L型管道，流动度220mm满足自流型胶结充填料的流动性要求。

按表2.2中b1、b2组胶凝材料配方制成的胶砂试块各龄期的抗压强度对比如图2.2所示。由图2.2可知，在钢渣－脱硫石膏－粉煤灰无熟料胶凝体系中，掺加10%的矿渣代替钢渣制成的全尾砂胶结充填料，充填体各龄期的抗压强度均能得到较大程度的提升。28d抗压强度由原先的1.74MPa提升至2.76MPa，后期抗压强度增长幅度不大。

胶凝体系中掺入10%以上的矿渣时，浆体能自流通过L型管道，流动度值在220mm以上，满足自流型胶结充填料对流动性的要求。矿渣对浆体流动性的改善效果虽不如粉煤灰，但矿渣的加入并不会使浆体失去自流性，从增强充填体抗压强度的角度考虑，用矿渣取代部分粉煤灰或钢渣以达到矿山胶结充填对充填体的强度要求是可行的。

图2.2 矿渣对充填体强度的影响

2.3 石膏种类对流动性的影响

       试验主要脱硫石膏和天然石膏对流动性的影响。试验结果如表2.3所示，PC减水剂掺量为0.5%，胶砂比为1：6，料浆浓度为75%。

表2.3 不同种类石膏对流动性的影响

       由表2.3可知，掺加烟气脱硫石膏或天然石膏均能使浆体自流通过L型管道，流动性较好，且脱硫石膏效果更好。

       脱硫石膏的易磨性比天然石膏好，在相同磨矿时间的前提下，烟气脱硫石膏的比表面积相对较大。微米级脱硫石膏颗粒近似于球状玻璃微珠，在胶凝体系之间能起到一定的润滑作用，脱硫石膏的球状玻璃微珠形态也具有类似于粉煤灰球形颗粒的“形态效应”，增大了浆体的流动性。脱硫石膏比天然石膏的来源更为广泛，属于工业固体废弃物，成本较低；掺加脱硫石膏对浆体流动性的改善效果比天然石膏好，在体系中掺加10%的脱硫石膏时，浆体能自流通过L型管道，流动度值为220mm，满足自流型胶结充填材料对料浆流动性的要求。

2.4 尾砂细度对流动性的影响

       以钢渣-脱硫石膏-粉煤灰体系为研究对象，考察不同细度的尾砂对浆体流动性的影响，其中：粒度较大的密云粗尾砂，其中27.46%的尾砂颗粒粒径小于0.075mm；河北钢铁集团矿业公司石人沟铁矿山现场采集回来的铁尾矿，粒径小于0.075mm的尾砂颗粒占39.36%；粒度很细的鞍钢齐大山细尾砂，44%左右的尾砂颗粒粒径小于0.075mm；及将密云尾砂与齐大山尾砂按一定比例混合后得到的细度与石人沟尾矿粒径分布接近的混合尾砂。试验结果见表2.4，PC减水剂掺量为0.5%，胶砂比为1：6，料浆浓度为78%。

表2.4 尾砂细度对流动性的影响

        对比分析表2.4中4组数据可知，在胶凝材料相同的条件下，用密云粗尾砂制备的全尾砂胶结充填材料流动性很差，用很细的齐大山尾砂做骨料也不能制得流动性较好的胶结充填料；两种尾砂混合得到的混合尾砂以及石人沟尾矿用作骨料时都能制备流动性很好的胶结充填材料。

密云粗尾砂颗粒大，用作骨料时，胶凝材料不能完全包裹尾砂颗粒，水砂分层现象明显，离析严重，因而流动性很差。而尾砂颗粒过细时，尾砂与胶结剂混合的浆体会变得粘稠类似膏体，也不具有较好的流动性。两种尾砂混合得到的尾砂以及石人沟尾砂级配比较合理，胶结剂与尾砂骨料接触良好，不会产生离析，能直接作为骨料制备全尾砂胶结充填材料。

        以石人沟现场采集回来的铁尾矿为骨料，胶砂比1：6制成全尾砂胶结充填材料，其浆体能自流通过自制弯曲管道，流动度值为220mm。

2.5 料浆浓度的优化控制

        本试验的主要目的是考察料浆浓度对浆体流动性的影响，试验结果见表2.5， PC减水剂掺量为0.5%，胶砂比为1：6。

表2.5 料浆浓度对流动性的影响

        由表2.5可知，浆体流动性随着料浆浓度的不断降低呈现先增加到一定值后下降的趋势，流动性在料浆浓度为73%时达到最大值，继续降低则会产生离析，流动性变差。

对于充填体系来说，料浆浓度为80%时添加的水已能够满足胶凝体系水化所需水量，继续降低浓度所掺加的水大部分为胶凝体系水化所需的水以外的游离水，这部分水会在浆体中留下空隙，提高浆体流动性的同时，也会影响胶结剂与尾砂颗粒之间的结合，降低充填体强度；当料浆浓度为73%时，游离水与浆体之间保持稳定关系，胶结剂与尾砂颗粒之间的结合也还处于稳定状态，浆体流动性达到最佳值；继续降低料浆浓度，胶结剂与尾砂颗粒之间的结合状态被打破，出现水砂分层现象，产生离析，浆体流动性下降。

       按表2.5中e1、e2、e3组胶凝材料配方及料浆浓度制成的全尾砂胶结充填料胶砂试块各龄期的抗压强度对比如图2.3所示：

图2.3 料浆浓度对充填体抗压强度的影响

       由图2.3可知e2、e3组试块抗压强度随着养护时间的延长持续增长，而e1组试块养护60d抗压强度比28d时的抗压强度略低；e3组试块各龄期的抗压强度都是3组试块中最高的，e1组试块抗压强度最低，说明在料浆浓度范围为70%－75%时，料浆浓度越高，充填体抗压强度越高。

       按e1组配方料浆浓度70%制成的胶结充填材料，料浆能自流通过自制L型管道，但存在明显的水砂分层现象，加水过多导致离析，充填体力学性能下降，尾砂颗粒与胶凝材料之间的结合不稳定，因而会出现充填体强度不高且随着养护时间的延长强度反而有所下降的现象。在料浆浓度70%－75%范围内，料浆浓度越高，超出胶凝材料水化所需水量的游离水越少，这部分游离水足以使浆体具有较好的流动性，但过多则会对充填体强度造成影响，游离水越少，充填体抗压强度越高。

       因此，料浆浓度为73%－75%时，浆体流动性满足自流型胶结充填料流动性要求。现场充填时充填料所需的水全部来自尾矿，现代矿山经过对尾矿的浓缩处理，尾矿的含水率一般能达到75%左右，继续降低尾矿含水率成本较高，而且73%浓度下制成的胶结充填体抗压强度低于75%时制备的充填体抗压强度，因此综合分析试验结果和生产实际，料浆浓度75%较为合适。

 结语

（1）浆体流动性试验表明粉煤灰能明显改善体系的流动性，在一定范围内，浆体流动性随着粉煤灰掺量增大而增大。

（2）矿渣的加入并不会使浆体的自流性降低，从增强充填体抗压强度的角度考虑，可以采用矿渣取代部分粉煤灰或钢渣以达到矿山胶结充填对充填体的强度要求。

（3）脱硫石膏和粗细粒级分配较均匀的尾矿均对流动性的改善有积极的作用。

（4）料浆浓度对充填料流动性和强度影响很大，在无熟料钢渣复合胶凝材料体系中料浆浓度为73%－75%时，浆体流动性能满足自流型胶结充填料流动性要求。