钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料的研究
宋素亚1, 2 封孝信1
(1河北联合大学材料科学与工程学院，唐山063009；
2
唐山盾石干粉建材有限责任公司，唐山 063031)
摘要: 以冶金废渣钢渣、矿渣及电厂废渣脱硫石膏为主要原材料，添加少量的硅酸盐水泥及激发剂，制备了一种新型的钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料。通过系统试验，确定了制备钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料的最优配比及影响其性能的显著性因素。结果表明：采用钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料制备的充填体在胶砂比1:9、固体浓度约为68%时，28天抗压强度可达到2.5MPa以上。钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料的固体废弃物含量高达90%以上，且成本明显低于普通水泥，因此会产生较好的环境和经济效益。
关键词: 矿渣、钢渣、胶结材料、激发剂
0 前言
尾矿是造成环境污染的主要来源之一，而传统的尾矿大多采用堆存的方式，造成环境污染及生态破坏。随着国家治理环境污染力度的加大，本着循环再利用的经济发展模式，利用充填技术处理尾矿是最有效的措施之一[1]。目前，在采用胶结充填工艺的矿山中，大多企业采用水泥作为胶结材料，但其存在充填成本过高的问题，也有少数企业采用工业炉渣、粉煤灰等少量替代水泥来降低充填成本，但掺量均较低[2-5]。本文旨在开发一种后期强度高、成本低廉且具早强性能的新型胶凝材料，采用大量工业废弃物矿渣、钢渣以及脱硫石膏等，大幅度降低成本。 推广使用将具有较好的社会效益、环境效益以及经济效益。
1 试验方法
1.1 试验原材料
矿渣：唐山唐龙新型建材有限公司，密度为2.9g/cm3,比表面积为409m2/kg。 钢渣：丰润新宝泰钢铁有限公司，密度为3.51 g/cm3,比表面积为419m2/kg。 脱硫石膏：唐山某电厂的烟气脱硫产物，密度为2.62 g/cm3,比表面积为141m2/kg。
水泥：唐山冀东水泥厂PO42.5R。 碱性激发剂J01：市售化工原料配制。 尾矿砂：唐山周边某铁矿厂。
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上述主要原材料的化学成分和有关的质量系数见表1。
表1 原材料化学成份
名称 水泥 矿渣 钢渣 脱硫石膏 尾矿砂
LOSS CaO /% /%
SiO2
/%
Al2O3 Fe2O3 MgO /% /% /%
SO3
/%
K2O Na2O /% /%
0.21
0.37 0.12 0.12 0.52
CL- /% 0.0175 0.08 0.008 0.24 0.01
f-CaO /% 4.4
3.50 56.42 22.08 6.84 2.78 3.58 2.6 1.01 -1.39 40.2 31.97 15.87 0. 8.16 0.07 0.5 0.35 36.54 12.53 7.55 22.21 13.31 1.69 0.07 22.95 30.91 4.05 1.54 0.71 2.42 36. 0.22 1.54 4.59 67.70 3.15 15.84 5.26 0.54
2.2 试验方法 1）填充料的配制
将矿渣、钢渣、脱硫石膏、水泥以及碱性激发剂按一定的配比混合，保证充分混合均匀。按照胶砂比为1:9，将一定量的胶凝材料与全尾矿砂混合制成填充料。
2）填充料的成型
试验采用水泥胶砂搅拌机，将填充料按照固体浓度为70%加入水，搅拌180 s制成胶砂，将其均匀倒入70.7cm×70.7 cm×70.7cm的三联试模中，然后将其放置在温度20℃±1℃，湿度不低于90%的标准恒温恒湿养护箱中标准养护48h后拆模，在同样的环境下养护至龄期。
3 试验及结果分析
根据前期的探索性实验，选取钢渣、脱硫石膏、水泥和碱性激发剂的掺量作为因素，以3天、7天和28天抗压强度为目标开展正交试验。正交试验因素与水平见表2。
表2 正交试验因素与水平
水平 1 2 3
因素
脱硫石膏/%
8 10 12
钢渣/% 15 20 25
水泥/% 2 5 8
碱性激发剂
1.5 3 4.5
根据选择的因素和水平，按照四因素三水平正交表安排正交试验，正交试验3d、7d及28d结果数据如表3和表4所示。
表3 正交实验结果数据
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编号 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9
矿渣 /% 73.5 54.5 65.5 60.5 60 62 61.5 56.5 脱硫石膏/% 8 8 8 10 10 10 12 12 12 钢渣 /% 15 20 25 15 20 25 15 20 25 水泥/% 2 5 8 5 8 2 8 2 5
碱性激发剂/% 1.5 3 4.5 4.5 1.5 3 3 4.5 1.5
3天抗压强
度 /MPa 0.79 0.85 0.8 0.91 0.84 0.82 0.87 0.88 0.84
7天抗压强
度 /MPa 1.35 1.52 1.14 1.56 1.39 1.20 1.52 1.40 1.35
28天抗压强度 /MPa 2.39 2.23 2.10 2.47 2.30 2.12 2.50 2.28 2.20
表4 抗压数据极差直观分析表
3d抗压强度
所在列 因素 均值1 均值2 均值3 极差 显著性因素
7d抗压强度
均值1 均值2 均值3 极差 显著性
28d抗压强度
均值1 均值2 均值3 极差 显著性
2.240 2.297 2.327 0.087 1.337 1.383 1.423 0.086 1 脱硫石膏/% 0.813 0.857 0.863 0.050
2 钢渣 /% 0.857 0.857 0.82 0.037
3 水泥/% 0.830 0.867 0.837 0.037
4 碱性激发剂
/% 0.823 0.847 0.863 0.040
脱硫石膏掺量以及碱性激发剂掺量
1.477 1.437 1.230 0.247
1.317 1.477 1.350 0.160
1.363 1.413 1.367 0.050
钢渣掺量以及水泥掺量 2.453 2.270 2.140 0.313
2.263 2.300 2.300 0.037
2.297 2.283 2.283 0.014
钢渣的掺量
从3d抗压强度极差分析可知，脱硫石膏掺量的增加以及碱性激发剂掺量的增加，都使得体系的早期强度持续上涨，且脱硫石膏和碱性激发剂是该体系的显
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著性影响因素。而钢渣掺量的增加体系的强度会逐渐下降。对于水泥，随着其掺量的增加强度呈现先上升后下降的趋势，水泥掺量在5%时出现一个折点，说明水泥掺量在5%为较优点。这是由于该体系早期产生大量的钙矾石，因此需要在一定的碱度范围，且需要大量的石膏才能形成。
分析7d结果可知：9组正交试验的7d抗压强度基本达到1 MPa以上。钢渣掺量和水泥掺量成为7d强度发展的显著性影响因素。这是由于脱硫石膏和碱性激发剂在3d内因大部分参与反应而消耗，而水泥和矿粉在3d后还在持续的发生水化反应，钢渣在7d内发生的水化程度较低，因此，钢渣掺量越大会导致其强度越小。从28天强度数据分析可知，钢渣掺量是该体系后期强度增长的显著性影响因素。这是由于钢渣的水化较慢，大部分钢渣粉需要在28天后开始进行水化，而钢渣粉中存在较高的游离氧化钙和游离氧化镁，影响体系的安定性，会导致后期体积膨胀，使得强度增长缓慢甚至出现强度倒缩的现象。因此，需要控制好钢渣的掺量，从而保证回填料的强度增长。
综合早期和后期强度发展情况可知，在所试验的9组中第四组是最佳的配方，但还存在一些可能成为最优方案的配比在以上的9组正交试验中未体现，因此。可进行下一步的补充实验，从而选定最佳的实验方案。根据数据统计结果，通过3d、7d和28d数据分析，又安排了5组试验进行补充和对比，见表5。
表5 补充实验
编号 A4
矿渣 /% 65.5
脱硫石膏/% 10 12 12 12 12 12
钢渣 /% 15 15 20 15 15 15
水泥/% 5 5 5 5 5 8
碱性激发剂/% 4.5 4.5 4.5 3 1.5 1.5
3天抗压强
度 /MPa 0.91 0.95 0.88 0.92 0.90 0.87
7天抗压强
度 /MPa 1.56 1.49 1.38 1.58 1.33 1.45
28天抗压强度 /MPa 2.47 2.65 2.30 2.58 2.34 2.28
B1 63.5 B2 58.5 B3 65.0 B4 66.5 B5 63.5
从补充实验结果可知，B3组的强度增长最佳，最终选定最优的配方为脱硫石膏掺量为12%，钢渣掺量为15%，水泥掺量为5%，碱性激发剂为3%。将其与普通水泥用于尾矿砂回填料中进行强度对比试验。
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表6 钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料与普通水泥用于尾矿砂回填料的强度对比 编号
水泥品种
钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料
普通32.5水泥
3天抗压强度
/MPa
0.92 0.65
7天抗压强度 28天抗压强度
/MPa /MPa
1.58 1.52
2.58 2.26
从实验结果可以看出，钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料比普通32.5水泥的强度略高，且成本大大降低。
5 结论
本研究通过系统实验，利用钢渣、矿渣及脱硫石膏等工业副产品，采用自制的碱性激发剂，成功地制备了钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料，将其应用于回填料产品具有优良的性能，可代替普通硅酸盐水泥应用于矿山回填中，且大大降低了生产成本。本研究有效的提高了钢渣的利用率，且产品固废含量高达90%以上，节省了宝贵的自然资源和能源消耗，实现了以废治废，变废为利，符合国家的低碳经济。
参考文献：
[1]边同民, 孙立杰, 王琳. 马庄铁矿采空区及尾矿库综合治理研究与实践 [J]. 矿业快
报, 2008, 466(2):43-45.
[2] 谢龙水. 矿山胶结填充技术的发展 [J]. 湖南有色金属, 2003, 19(4):1-5.
[3] 解伟, 隋利军, 何哲祥. 基于采矿充填的尾矿处置技术应用前景 [J]. 工业安全与环保, 2008, 34(8):37-38.
[4] 段进超. 某矿全尾矿胶结充填材料和充填工艺选择 [J]. 采矿技术, 2003, 1:15-17. [5] 吕宪俊, 崔学奇. 全尾矿胶结充填技术的研究与应用 [J]. 有色矿冶, 2006, 1:30-32.
Research of Filling Cementing Material with Steel Slag
and Blast Furnace Slag-Based Total Tailing
SONG Su—ya1, 2, FENG Xiao—xin1
(1. Hebei United University college of materials science and engineering, Tangshan, 063009;
2. Tangshan Dunshi Dry Mortar Building Materials Co., Ltd. Tangshan 063031) Abstract: A new kind of cementing material filled by steel slag and blast furnace slag-based total tailing was prepared with steel slag, blast furnace slag and desulfurization gypsum added a small amount of Portland cement and activator. The optimal mixture and the significant factors affecting its performance were determined by the system test. The results show that 28 days compressive strength of filling body can reach more than 2.5 MPa when c/s is 1:9 and solids
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concentration about 68%. The cementing material contains over 90% solid waste, and it costs significantly lower than the ordinary cement, which can produce good environmental and economic benefits.
Keywords: Blast furnace slag; Steel slag; Cementing material; Activator
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