高官營鐵礦高強度新型膠結材料研究

高官營礦山填充采用水泥作為填充材料。由于礦渣中含有大量細粘土，水泥作為填充材料時具有極大的粘合劑填充強度，且大壩坍塌的間隙較大。1試驗材料和方案1.1試驗材料1.1.1全尾砂充填材料高官營鐵礦南區階段嗣后充填法采礦采用南區全尾砂作為充填骨料，用管道將尾礦液輸送至若干大桶中，經過離析沉淀烘干得到試驗所需的全尾砂。高官營鐵礦全尾砂充填材料的粒徑特征測試結果見表1，唐山鋼鐵礦渣和高官營全尾砂的化學成分分析結果見表2。由表1可以計算出：高官營鐵礦全尾砂的不均勻系數Cu=14.04,Cc=0.71，中值平均粒徑為59.07μm，說明該礦全尾砂級配不良，屬于超細全尾砂充填材料。雖然石膏粒度相對其他幾種試驗材料比較粗，但作為一種可溶性物料，對膠結充填體強度影響較小。根據表2可計算出：礦渣堿性系數M1.1.2灰、石膏、脫硫石膏礦渣微粉選自唐鋼唐龍新型建材有限公司；石灰選用灤縣雷莊的建筑石灰；石膏為脫硫石膏電廠利用煙氣脫硫得到的副產品，采購于陡河電廠；水泥來自冀東地區的32.5R水泥。1.2正交試驗設計根據高官營鐵礦前期大量探索性試驗，考慮到砂漿濃度和灰砂比對其材料配比選擇影響不大，所以設計新型膠凝材料膠砂比為1∶5、料漿濃度為68%進行試驗。將水泥、石灰和脫硫石膏作為正交試驗的3個因素，每個因素再取3個水平。首先將新型膠凝材料和全尾砂按照1∶5比例、68%的砂漿濃度混合，然后放置在水泥攪拌機中攪拌均勻，澆注到7cm×7cm×7cm試模中，并送入養護箱，在溫度為20℃、濕度為95%的條件下進行養護，48h后拆模，繼續養護至7d和28d后用全自動壓力試驗機對膠結充填體的抗壓強度進行測試，取3個膠結充填體試塊的強度均值作為試驗結果。新型膠凝材料充填體強度正交試驗結果見表3。2結合體強度試驗分析2.1充填體配方強度隨水泥摻量的變化正交試驗由表3和表4可知：對膠結充填體7d強度影響水泥權重最大，石灰次之，脫硫石膏最小，而對28d強度影響權重最大的為脫硫石膏，石灰次之，水泥最小。通過極差分析可得:新型膠凝材料膠結充填體7d強度優化配方為水泥3.5%、石灰2.5%、脫硫石膏17.5%,28d強度優化配方為水泥4.5%、石灰2.5%、脫硫石膏17.5%。對比單一加入32.5R水泥的膠凝材料試驗結果發現，新型膠凝材料膠結充填體7d優化配方強度約為32.5R水泥的5.3倍，試驗得到的28d優化配方強度為5.04MPa，約為32.5R水泥的4.5倍，很大程度上提高了膠結充填體的抗壓強度。由圖1可知：新型膠凝材料膠結充填體強度隨著水泥摻量的增加整體呈增大趨勢。水泥摻量越高，新型膠凝材料膠結充填體7d強度先減小后增大，對28d強度影響一直起促進作用。膠結充填體7d和28d強度均隨石灰摻量的增加先減小后增大，當石灰摻量為2.5%時，7d、28d平均抗壓強度最大，分別達到2.66MPa、4.42MPa。隨著脫硫石膏摻量增加，新型膠凝材料膠結充填體7d和28d強度均呈現下降的趨勢，考慮到脫硫石膏為一種緩凝劑，而且摻量過多容易使膠結充填體的抗裂性能降低，因此脫硫石膏摻量不宜過大。2.2水化期齡及電鏡掃描下的分析按照新型膠凝材料配方制備膠凝材料，而后將膠凝材料和全尾砂按照1:5比例、68%的砂漿濃度混合，澆注到7cm×7cm×7cm三聯試模中，并送入溫度為20℃、濕度為95%的養護箱中進行養護。將養護期齡分別為7d、28d膠結充填體用錘子敲開，保留中間較為規整的一小塊，經過磨平處理后，將其浸沒在酒精中，使其終止水化反應，在50℃烘箱中干燥至恒重后，將其取出，進行表面噴碳處理，最后得到可以用于SEM顯微組織分析的膠結充填體試塊。新型膠凝材料膠結充填體水化期齡7d和28d電鏡掃描SEM圖如圖2和圖3所示。由圖2可知：隨著養護齡期增加，新型膠凝材料膠結體在水化7d后，細長針棒狀鈣礬石晶體逐漸成長，并相互交叉形成較為緊密的網狀結構，將較大的孔隙填充密實；同時，在尾砂顆粒的表面，鈣礬石也與無定形C—S—H凝膠共同生長由圖3可知：水化28d后，新型膠凝材料的水化反應完成更加充分。由此可以看到，此時的鈣礬石更為粗大，它們在試樣內生長、相互搭接，并與無定型的C—S—H凝膠交錯生長，最終形成的C—S—H凝膠、纖細的鈣礬石與粗大的針狀鈣礬石相互交錯充斥于漿體孔隙中，使得尾砂顆粒與水化產物連成緊密的一片，交織成致密的內部結構綜上分析可知：新型膠結材料的主導水化產物為鈣礬石和C—S—H凝膠。大量鈣礬石在水化初期已形成，使得膠結材料具有較高的早期強度。鈣礬石微觀形貌特征為網狀或針棒狀結構，膠結體的水化過程是水化產物不斷形成與發育長大，孔隙逐漸被填充，漿體結構更加致密的過程，膠結體強度提高是這種結構不斷致密化的結果。3砂漿流變參數分析新型膠凝材料的流動特性不僅與充填體質量和充填接頂程度密切相關，而且還直接關系到充填系統的安全性與可靠性由表5和圖4可知：水泥全尾砂漿和新型膠凝材料砂漿的剪切屈服應力和黏度系數均隨著料漿濃度的增大而增加。當料漿濃度小于68%時，新型膠凝材料砂漿的屈服應力比水泥砂漿小，超過該濃度后試驗結果呈相反趨勢，說明在料漿濃度較低的情況下，新型膠凝材料充填料漿輸送所需要的動力更小，因此，新型膠凝材料料漿輸送濃度不宜過高，否則，會增加輸送成本。兩種膠凝材料砂漿的黏度系數整體保持持平狀態，說明料漿濃度對兩者的黏度系數影響不大。由表5進一步分析可知：流變試驗結果得到的流變方程相關系數R都在96%以上，說明本研究得到的流變參數的可靠度較高。當砂漿質量濃度達到70%時，水泥砂漿的剪切屈服應力與剪切速率基本上呈線性關系，此時黏度指數為1，即可認為該全尾砂漿屬于賓漢體流體。而新型膠凝材料砂漿濃度到68%時就達到了賓漢體流體狀態，說明68%的料漿濃度適合進行料漿管道輸送。4新型膠凝材料強度試驗按照膠結充填體28d強度優化配方進行工業試驗，設計膠砂比為1∶5，料漿濃度為66%～72%，系統制備輸送能力為60～80m由表6可知：隨著充填料漿濃度增高，新型膠凝材料和32.5R水泥充填體的強度均呈現上升趨勢，充填體的沉縮率都在逐漸降低。對比不同濃度的兩種膠凝材料強度可得，新型膠凝材料充填體7d強度為32.5R水泥的3.16～4.38倍，28d強度為32.5R水泥的3.42～5.01倍，說明新型膠凝材料在強度性能上有顯著提升。新型膠凝材料充填體的沉縮率低于32.5R水泥，表明新型膠凝材料的充填接頂效果更佳。工業試驗中，膠砂比為1:5、濃度為68%的新型膠凝材料充填體28d強度為4.91MPa，和室內試驗的誤差為2.6%，說明室內試驗得到的測試數據可靠度較高。并且該強度滿足充填進路下部充填體28d強度大于4MPa的設計要求，為新型膠凝材料工業化生產提供了技術支撐。5充填體強度試驗和性能試驗結果(1）新型膠凝材料膠結充填體7d強度影響因素重要程度排序為水泥，石灰，脫硫石膏。充填體7d強度優化配方為水泥3.5%、石灰2.5%、脫硫石膏17.5%，強度為2.79MPa，約為32.5R水泥的5.3倍。充填體28d強度優化配方為水泥4.5%、石灰2.5%、脫硫石膏17.5%，強度為5.04MPa，約為32.5R水泥的4.5倍，很大程度上提高了礦山充填體的強度。(2）新型膠結材料的主導水化產物為鈣礬石和C—S—H凝膠。膠結體的水化過程是水化產物不斷形成與發育長大，孔隙逐漸被填充，漿體結構更加致密的過程，膠結充填體強度提高應是這種結構不斷致密化的結果。(3）當料漿濃度小于68%時，新型膠凝材料的砂漿屈服應力比水泥砂漿小，超過該濃