尾砂的火山灰活性及其快速检测方法研究.pdf

第2 9 卷第5 期 2 0 0 0 年9 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．2 9N e ．5 S e p ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 0 0 5 0 4 7 2 0 4 尾砂的火山灰活性及其 快速检测方法研究 郑娲荣，孙悔虎，刘轶男 中国矿业大学资源开发工程系．北京1 0 0 0 8 3 摘要；针对待统方法潦l 定蓖砂炙山炭活性周期很长的问题。提出了一种快速检测方法，用该方法 每测定一个样品只需4h ．实验鳍采表明对于取自不同矿山的尾砂，其活性大小相差很大；该方 法所铡定的尾砂活性大小与固结体2 8d 抗压强度有相关性． 美键词充填材料；尾砂火山灰活性；快速检测 中围分类号T u5 0 2文献标识码A 随着经济的发展，对矿产品需求大幅度增长， 矿业开发规模随之加大，因此产出的 选矿 尾矿数 擐不断增女Ⅱ。据摄避口] 。1 9 9 3 年我豳有色金属矿尾 砂嬲年堆存鐾已达l o 亿t 以上，全部金属矿由堆 存豹尾砂刘趣过4 0 亿t ，2 0 0 0 年前每年产生的选 矿琵砂将在6 亿t 阻上．函此，天规模的矿石开采， 一方面造成矿区地表塌陷，严重破坏生态平衡，另 一方面大擐尾砂堆放在地表既占用太摄土地资源， 也污染周围环境． 目翦，国内舶照决矿蹉地表塌躲和捏褒囊然资 源回收率用竞填方法。充壤材料有多种，其中尾砂 黢结充壤誊| 料韵姣槊最好，并且有稍予解决地表尾 砂褥染环境的问题．为了选蓟以最低费用稳定充填 律的目的，尾砂料浆浓度、充填工艺、胶结荆及其掺 量等一直照国内外充填采矿领域的研究课题口] ．但 是，关于占充填体质量7 0 ％以上的尾砂本身的性 质，豳内外文献尚来擐导。本文作者认为尾砂的火 山灰涯性对予默结宠壤体的强度及开发薪的胶结 裁都是不对忽视的．晶祷，建筑耢料行韭测定火由 灰材料活性的方法有灾Ⅱj 灰试验法和胶砂强度法， 萁测定过程时间很长．例如，对于火山灰活性发展 较馒、活性不高的材料，一般需要恒温1 4d ，火山 灰活性试验方能合格；胶砂强度法键要2 8d 才能 得出结果[ 3 ] 。戈了快速检测，本文提出r 遵过煮沸 法来剑冬瀑性物鹱巷测溶液，然魅栗用化学分桥方 法定量梭测“1 金释矿尾秽的火由菝鞲性． 1 检测源醺 材料磨编后与生石灰稀承混合所具有的凝结 硬毹性质称为火山灰瓶往，箕大小由活性R 。O 。 R 为A r 和F e ” 和活性S i O 总含量决定．活性 R 2 0 。和括性S i O 燕指在常温下能与C a O H z 反 应生成相应的水化铝 铗 酸钙和水化璇酸钙的 R 。O ，和S i O ，但反皮速度一敷缀慢．快速捡测方法 的关键戟是活性成分待测液的铡取． 1 1 制取活性S i 0 2 ，R 2 0 3 待测溶液前原壤 将试样与饱和石灰水共阐煮沸，由于材料的火 山灰活性来源于无定形的硅销铁物质，其中的活性 S i O ”R 。O 。与C a O H 。充分反应生成低碱性的水 化硅酸钙和水化铝 铁 酸钙 r , C a O H 2 S i q 十x H 2 0 一n C a O S i 0 2 x H 2 0 。 i n C a O H ￡ R 2 0 a 讲p 十m C a O R 2 0 3 y H 2 0 ， 式中；一，m 为C a O 对活性S i O 。，R z 0 3 的分子敬眈； z ，y 分剐为H 2 0 对活性S i 0 2 ，R 。0 3 的分子数比，其 值太小与水化温度以及时间长短等因素有关． 活性S i C 。，R 。0 3 与C a O H z 反应的生成物可 溶于黼盐酸，两来反应的S i 0 2 ，R t O ；是不溶的o J 。 因此，在溶渡中期人浓盐酸形戚撩拨酸，溶解反应 产物，再测定S i C 2 ，R 必3 豹含譬．孺试样中没有与 C a O H 。反应的结貉S i O z ，R 。0 3 等物质，不值在 1 0 0 ℃溶解度极小，可以忽略，而且也不可能溶于 稀盐馥中，可以看成惰饿物质酷] ． 载稿靖瓣t2 0 0 0 0 3 1 3 撑囊燕介；郑蜗荣 1 9 6 ．1 一 ，女，濑赢雀遘巽人，中器矿姓大学掰教授，薹学壤士t 扶事采矿竟壤材料研究． 万方数据 第5 期郑娟荣等尾砂的火山灰活性及其快速检测方法研究4 7 3 1 ．2 氟硅酸钾容量法测定S i 0 2 的试验原理 采用氟硅酸钾容量法来测定溶液中的S i C 。含 量，是依据硅酸在有过量的氟离子和钾离子存在下 的强酸性溶液中，能与氟离子作用形成氟硅酸离子 S i F [ 一 ．并进而与钾离子作用生成氟硅酸钾 K S i F 。 沉淀．该沉淀在热水中水解并反应生成等 当量的氢氟酸，因而可用氢氧化钠溶液进行滴定， 借以求得样品中S i O 。的含量．其反应方程式如下 S i F t - 2 2 K 一K2 S i F 6 ， K z S i F 6 3 H 2 0 一2 K F H 2 S i 0 3 4 H F ， H F N a O H N a F H 2 0 ． 1 ．3E D T A 络合滴定法测定R 2 0 3 的试验原理 应用E D T A 络合滴定法测定R 。o 。是一种成 熟、快速、准确的分析方法． 用E D T A 滴定F e ”，一般以磺基水杨酸作指 示剂，在溶液酸碱度p H 为2 ，温度为6 0 ～7 0C 的 条件下进行．其反应方程式如下 F e 3 H I n 一 无色 一F e I n 紫红色 H ， H 2 Y 2 一十F e I n 一F e Y 一 亮黄色 H I n 一 H ． 由于A l ”与E D T A 形成络合物的反应很慢， 常在酸性溶液中预先加入过量的E D T A 标准溶 液，再调节溶液的p H 值在2 ～6 之间，将溶液加热 煮沸。以加速A l ”与E D T A 络合反应的速度，并使 之络合完全．然后选用适当的金属指示剂，用金属 离子的标准溶液返滴定溶液中剩余的E D T A ．根据 实际与A 1 ”络合的E D T A 的量来计算试样中 A I 。O 。含量．该试验以P A N 为指示剂，采用铜盐标 准溶液返滴定的方法．反应方程式如下； A 1 3 H 2 Y 2 - 过量 一A l Y 一 2 H ， C u ” H 2 Y 2 一 剩余 一2 H C u Y 2 一 绿色 ， C u 2 P A N C u P A N 红色 ， 式中Y ’为乙二胺四乙酸纳 E D T A 的络离子 ； H I n 一为磺基水杨酸根离子． 2 测定方法 2 ．1 待测溶液的制备 准确称取1g 样品，放人2 5 0m L 的三角瓶 中，加入2 0 0m L 饱和石灰水溶液，采用回流冷凝 方法煮沸3 0 m i n ．煮沸完毕加入8 m L 浓H C l ，再 煮沸5m i n 。取下三角瓶冷却，定容到2 5 0m L 量瓶 中，过滤，滤液做为活性S i O 。和R 。O 。的待测溶液． 2 ．2 活性R 2 0 3 的测定方法 采用E D T A 容量法，准确吸取待测溶液 2 5 m L ，放人2 5 0 m L 的烧杯中，用1 - 1 氨水溶液 调整待测液的p H 2 ．0 用精密p H 试纸检验 ．将 溶液加热至7 0C ，加入1 0 滴磺基水杨酸钠指示 剂溶液，在不断搅拌下用E D T A 标准溶液滴定至 呈亮黄色 终点时溶液的温度应在6 0c 左右 ． 在上述滴定铁离子后溶液中用滴定管加入 E D T A 标准溶液1 5m L ，加入少许水稀释，将溶液 加热至7 0 ～8 0C ，加入1 5 m Lp H 4 ．3 的醋酸醋 酸钠缓冲溶液，煮沸1 ～2r a i n ，取下加入5 或6 滴 0 ．2 ％P A N 指示剂，用标准硫酸铜溶液滴定至呈亮 紫色． 试样中三氧化二铁、三氧化二铁的质量分数分 别按下列公式计算 1 0 R ∞。y 1 ”叩，一1 蒜。1 0 0 ％， 1 0 7 ■．O ． y K V 2 W A I 舳一j 丽面_ 。1 0 0 ％， 式中W h n 为样品中活性F e 。 。的质量分数‘”“o ， 为样品中活性A l 。o 。的质量分数；丁W ，．为每毫升 E D T A 标准滴定溶液相当于三氧化二铁的毫克 数；为滴定活性F e o 时消耗E D T A 标准滴定 溶液的体积，m L ；7 ’“o ，为每毫升E D T A 标准滴定 溶液相当于三氧化二铝的毫克数；y 为滴定活性 A l 。o 。时加入E D T A 标准滴定溶液的体积，m L } ％ 为滴定活性A l 。o 。时消耗硫酸铜标准滴定溶液的 体积，m L ；K 为每毫升硫酸铜标准滴定溶液相当于 E D T A 标准滴定溶液的毫升数；1 0 为全部试样溶 液与所分取试样溶液的体积比；m 为样品的质量， g 2 ．3 活性硅测定方法 活性硅测定方法采用氟硅酸钾容量法。准确吸 取待测溶液5 0m L ，放人3 0 0m l ，塑料杯中，加入 1 0m L 硝酸，冷却．然后，加入1 0r o L l 5 0g ／L 氟化 钾溶液，搅拌，再加固体氯化钾，搅拌并压碎不溶颗 粒，直至饱和，冷却并静置1 5r a i n ．用快速滤纸过 滤，塑料杯与沉淀用5 0g ／L 氯化钾溶液洗涤2 ～3 次．将滤纸连同沉淀置于原塑料杯中，沿杯壁加入 1 0m L5 0g ／L 氯化钾一乙醇溶液及1r o l l 0g ／L 酚 酞指示剂溶液，用0 ．1 5m o l ／I 。氢氧化钠溶液中和 未洗尽的酸，仔细搅动滤纸并随之擦洗杯壁，直至 酚酞变红 不记读数 ．然后加入2 0 0m L 沸水 沸 水应预先用氢氧化钠溶液中和至酚酞呈微红色 ， 以0 ．1 5m o l ／L 氢氧化钠标准滴定溶液滴定至微红 色 记下读数 ． 试样中二氧化硅的质量分数按下式计算 5 了1 ∞．y 3 ”S i 0 2 一丁i 蒜。1 0 0 ％， 万方数据 4 7 4 中国矿韭太学学擞 第2 0 卷 ～*⋯十_hⅧ⋯wⅢ__Ⅷh__Ⅲ⋯一一 式牵w s * 0 2 为祥菇中活性S i O 。的质登分数；％。为 每毫舞氢氧他钠标准漓定溶液稻嵩予二氧化硅的 毫克数{ V s 为潦定时消耗氢链纯钠拇准满楚溶液 的体积，m t 。；5 为全部试撵溶渡与鳜分取试群的搭 积比， T F 。z o s ，氏。n ；，K ， 1 鹎的捶定方法参照文献[ 4 ] 3 检测缩莱 3 ．1 麾砂火山灰活性的测定结果 表1 鼹采用上述检测方法检测的几种尾砂的 灭n j 灰活髋成分戚量分数，其总量的大小代表活性 的夫，j 、． 凡种蘑移的火由莸活性的稳蒯嫡粜 T a b l e1V o l c a n i cr e a c t i v i t yo fr a i l i n g s ％ 表l 中试样的镯备分缀髭砂的藏天粒径为 0 ．5m m ，鬣小粒强3 7 肿；缩尾移鹃糙径，j 、予 3 7p m ．对院棒为建筑槠瓣中常用的火山袄霞混合 耪糕～沸腾妒渣糯粉煤获．沸瓣炉渣取螽清华大 学泱腾炉试验壤厂，煅烧瀑度约10 0 0e ，毙液甏 积为35 0 0c m 2 ／g 透气法 ；粉煤教取鑫I ￡哀瓠景 山发电厂，Ⅱ级蘑绑粉煤灰． 表1 检验结果表明；对于取鱼网一矿山的尾 砂，细尾砂的活性稍高于分级尾砂；对午取自不同 矿山的尾砂，其活性大小相差很大；与对比样相比， 加拿大菜矿尾砂、金川耀砂和梅山铁矿细飚砂与沸 腾炉渣的火山获活性相当；焦家金矿尾砂和界河细 尾砂毙粉媒灰静必m 灰活糯稍低． 3 ．2 尾移静突凌获潘蠖对怒移鏊络俸抗鹾强壤的 影藕 尾表1 牵鞠拿丈萦矿惩砂秘焦家鑫矿尾秽乎 对比试骏．加拿大荣矿尾砂密度2 。9 0g ／c m 3 。堆 积孔隙率3 6 ．1 ％；焦家垒矿尾砂密度 2 。6 ．1g ／c m 3 ，堆积孔隙事3 8 ．7 ％胶结剂为中飚矿 业大学北京校赋高水材料研究所研制的一种垒砂 土固结剂．试验缡果如表2 ． 旗表2 可以看出对于同一种尾砂，随细尾砂 含童的增魏，尾砂萄结俸备静期的抗聪强度都增 大，遮} 荛鞠缎趸砂改藩了尾砂的鞭粮缀靛，获丽使 强庭增夫；感砂耱类幂麓，缀缨尾移含藿鞠溺，对 3d 摭疆强囊影镌不夫，经对2 8d 强瘦影镌缀大， 鄹4 ，5 ，6 号分剐是l ，2 ，3 号2 8d 撬压强寰瓣i ．7 ， 3 ．6 9 ，2 ．1 8 馈．与表1 的结粜对照可知尾妙豹火 山灰活性越大，其固结体2 8d 的强度也越大。这说 明由本文提出的快速检测方法所测定的尾砂活性 大小与网结体2 8d 抗压强度有相关性，同时也证 明了众属矿麓砂舆有火山灰活健． 表2 不向焉砂的固翁体抗压强度 T a b l e2C o m p r e s s i v es t r e n g t ho f s o l I d i f i e dt a i l i n gb o d y 编席砂缃尾砂科浆质量全砂土周结嗣结体抗雕强魔／M P a 号释奘禽萋／籍滚囊／拜辩掺量，韩 3d7d2 8d 1o7 53 m 1 8o ．3 40 、6 0 z 雾慧l O ，s s o z s 刚。一s 32 07 5 30 ．3 0 oS 6 1 ．1 0 4 续沦 i 本文旋宙了金属矿琵骖灭l 王l 藏活往酌侠速 捡铡方法； 2 密该方法掰测定静尾秒滔性走，j 、与髫结体 2 8d 挽蓬强度骞授关性； 3 金属妒尾妙具有火出灰淫挫．对于取鑫鞠 一矿山的愿砂，细尾砂的潺性鞘糍予分级尾妙；对 于取自不同矿山的尾砂，其活性大小相差很大． 参考文虢； [ 蝎丁其光，橱强．汪镜亮．尾矿利用环境与发展 鹩蓬簧选样口] ．中黼矿监，1 9 9 5 ，4 1 8 - 1 1 ． [ 2 ] 秘挺觉，刘交出，鼗玉谶，簿．蔫承鬻结究壤采矿 [ M ] ．j E 京；机城工搬出舨{ 生，1 9 9 8 。1 - 4 S 。 [ 3 ] 沈威。黄文熙，闶盘荣．戒泥工芑学[ M ] ．武汉武 汉工业大擘出碰社。1 9 9 1 。2 4 5 2 5 5 ． [ 目巾蓬建筑树辑科学研究院承泥所编著．水泥袋其藤 楮辩诧学分析[ M ] ．托索；中嚣建楮工馥出版耗 1 9 9 7 。l 一2 1 2 ． [ 5 ] L e aFM ．求泥靼混凝土化学[ M ] ．麝聩述。扬瘫如， 胡道和，等译．北京t 中国建筑工业出版杜，1 9 8 0 ． 5 1 4 5 5 9 ． ’ 鞋蚰如i嚣蛐如；堙弘i2 ％％ 0 M 柚 走尾拿矿 按幕移 l 万方数据 第5 期 郑娟荣等尾砂的火山灰活性及其快速检测方法研究 4 7 5 S t u d yo nV o l c a n i cR e a c t i v i t yo f T a i l i n g sa n dI t sF a s tD e t e r m i n a t i o nM e t h o d Z H E N GJ u a n r u n g ，S U NH e n g h u ．I A UY i n a n D e p a r t m e n to fR e s o u r c eE x p l o i t a t i o nE n g i n e e r i n g ，C U M T B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ep r o b l e mo ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，af a s tm e t h o dt od e t e r m i n ev o l c a n i cr e a c t i v i t yo f t a i l i n g sw a sp u tf o r w a r d ．W i t ht h i sm e t h o d ，i ti sd e t e r m i n e di no n l y4h ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ev o l c a n i cr e a c t i v i t yo ft a i t i n g sc h a n g e sf o rd i f f e r e n ts o u r c e so ft a i l i n g sa n dt h el e v e lo ft h ev o l c a n i cr e a c t i v i t y d e t e r m i n e du s i n gt h i sm e t h o da r er e l a t e dt o2 8dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs o l i d i f i e dt a i l i n gb o d y ． K e yw o r d s b a c k f i l l ；v o l c a n i cr e a c t i v i t yo ft a i l i n g ；f a s td e t e r m i n a t i o nm e t h o d 万方数据