赤泥_矿渣少熟料体系制备全尾砂胶结充填料试验研究_祝丽萍.pdf

SeriesNo . 401 Nove mber 2009 金 属 矿 山 METAL M I NE 总 第 401期 2009年第 11期 */ 十一五0国家科技支撑计划项目 编号 2006BAC21B03。 祝丽萍 1985, 女, 北京科技大学, 博士研究生, 100083北京市海 淀区学院路 30号北京科技大学土木与环境工程学院 355信箱。 赤泥-矿渣少熟料体系制备全尾砂 胶结充填料试验研究 * 祝丽萍 倪 文 张旭芳 黄 迪 张玉燕 北京科技大学 摘 要 试验研究了赤泥对矿渣少熟料全尾砂膏体胶结充填料性能的影响。结果表明赤泥能有效激发该体 系的活性, 解决了矿渣少熟料全尾砂膏体胶结充填料早期强度低的问题, 赤泥的优化掺量为 24 占胶凝材料总 量 , 1 d抗压强度约为 3. 6MPa是不掺赤泥的抗压强度的 6. 5倍, 3 d与 7 d强度分别能达到 5. 3 , 7 . 2M Pa , 满足矿 山充填的要求。 关键词 赤泥 膏体充填 全尾砂 Experi m ental Research on the Preparation ofW hole -tailings Paste Backfilling M aterial with Red Mud,Slag andM inor Clinker Aggregate Zhu L iping NiW en Zhang Xufang Huang Di Zhang Yuyan University of Science and Technology Beijing Abstract The effect of redmud on the perfor mance of the whole -tailings paste fillingmaterialwith blast furnace slag andm inor clinker hasbeen investigated . The results showed that redmud can effectively sti mulate the activity of the syste m. And so me proble ms of low compressive strength at early stage can be resolved accordingly . The opti m ized content of the red mud is 24 of the total ce menting materials . The 1 d co mpressive strength of the sa mples is 3. 6MPa ,and is asmuch as 6. 5 ti mes of thatwithout redmud. Besides ,the 3 d and 7 d co mpressive strength is 5. 3M Pa and 7. 2M Pa respectively , which can meet the require ment ofm ine backfilling . K eywords Redmud, Paste filling , W hole -tailings 赤泥又称红泥, 是氧化铝工业生产过程中排出 的固体废弃物, 因其外观颜色与赤色泥土相似而得 名, 是目前排量较大, 对自然环境危害严重又难以利 用的主要工业废渣之一。每生产 1 t氧化铝通常排 弃 1 t多的赤泥, 但是不管是拜耳法工厂, 或是烧结 法、 联合法工厂, 目前都尚未有效地处理和利用赤 泥。多年来, 伴随大量碱液一起排往江、 河或露天堆 存, 其碱液的渗透, 尘埃的飞扬都构成了对环境、 水 系及地下水源的污染, 人们日益关注赤泥堆放给环 境带来的危害。近年来, 赤泥的综合利用已经引起 国内外的普遍重视 [ 1]。 赤泥用于充填的成功先例已有报道, 山东铝业 公司与长沙矿山研究院合作研究出了以赤泥、 粉煤 灰和石灰混合用于矿山开采的充填料, 并在湖田铝 矿进行了工业化试验 [ 2]。但因粉煤灰在初期阶段 14 d以前 胶结强度几乎不发生作用, 其主要作用 是提高充填体的后期强度和改善其工作性能, 赤泥 的添加能在一定程度上提高早期强度, 但也只适合 作为早期强度要求不高的胶结充填。水淬的高炉矿 渣活性比粉煤灰好, 但单独使用仍然存在早期强度 低的问题。而碱矿渣体系的胶凝材料具有早强的特 点 [ 3], 因此将赤泥和矿渣以适合的比例组合, 加入 少量的水泥熟料, 应用于全尾砂的充填中, 在理论上 是可行的。显然, 这对于赤泥和全尾砂的有效利用 也是有益的尝试。基于此, 本试验研究了赤泥对矿 渣少熟料膏体全尾矿胶结充填材料强度发展的影 响。 1 试验材料 本试验所用原料主要有高炉矿渣、 赤泥、 脱硫石 膏、 水泥熟料、 尾砂、 外加剂。 175 1高炉矿渣。来自首钢的水淬高炉矿渣, 研 磨至勃氏比表面积 5 000 c m 2 /g左右, 化学成分如表 1所示。对磨细的首钢水淬高炉矿渣进行了 XRD 分析表明, 该矿渣物相组成以玻璃态为主, 未见其他 明显的结晶相。 表 1 主要原料成分的化学分析结果 样品 Si O2Fe2O3CaOA l2O3M gOK2ONa2OT i O2 烧减 矿渣32. 70 0. 40 38. 79 15. 40 8. 970. 360. 230. 650. 76 赤泥24. 10 26. 75 4. 90 19. 97 0. 660. 437. 971. 39 12. 87 尾矿82. 80 9. 760. 781. 071. 12 2赤泥。赤泥为山东铝业公司拜耳法生产氧 化铝过程中排出的废渣, 现场取得的陈赤泥经烘干 和粉磨后使用, 研磨至勃氏比表面积 8 500 cm 2 /g左 右。赤泥的化学成分如表 1所示。对粉磨后的赤泥 进行 XRD分析, 结果如图 1所示。 图 1 赤泥的 XRD谱图 u 伊利石;v 水合铝硅酸盐;w 水合氧化铁;o 氧化钛; r 硬沥青;s Ca3A lFeSi O4 OH 8;p 方解石 从表 1 , 图 1可看出, 该赤泥中的结晶态物质主 要为水钙沸石、 水合铝硅酸钠、 赤铁矿、 伊利石、 方解 石等, 这与付凌雁在拜耳法赤泥活化制备碱激发胶 凝材料的研究中的报道接近 [ 4]。 3脱硫石膏。脱硫石膏为北京石景山电厂的 湿法脱硫排出的工业废物, XRD分析结果表明其主 要物相是 CaSO4 2H2O, 未见其他结晶相。 4尾砂。尾砂为鞍钢齐大山尾矿, 化学成分 如表 1所示, 物理特性如表 2所示, XRD分析如图 2 所示。从表 1可以看出, 尾砂的主要化学成分是 Si O2和 Fe2O3。 从图 2可看出, 尾砂矿物组成为石英和赤铁矿; 从表 2可看出, 95 左右的尾砂颗粒粒径小于 0 . 63 mm, 44 左右的尾砂颗粒粒径小于 0 . 08mm。 表 2 鞍钢齐大山尾矿的物理特性 粒径分布 / 0 . 08 mm 0 . 315 mm 0. 63 mm 真密度 / g /cm3 堆积密度 / g /cm3 孔隙率 / 44 . 0588. 2094. 612. 7441 . 50745 图 2 鞍钢齐大山尾矿的 XRD谱图 A Si O2; BFe2O3 2 试验方法 试验流程 先将矿渣、 赤泥、 脱硫石膏、 熟料、 外 加剂的混合粉体 比表面积 5 200 cm 2 /g 加水混合 搅拌, 注模再振捣密实, 24 h以后脱模养护, 最后测 定不同龄期试件力学性能。试件尺寸大小 4 c m 4 c m 16 cm, 试件采用养护制度为砂浆成型后放入 温度为 20 1 e , 湿度为 90 以上的标准养护室 中养护 简称/ 标养 0, 24 h后脱模放入水中湿养。 3 试验结果与讨论 3 . 1 赤泥 /矿渣配比优化 本研究的主要目的, 一是在原有矿渣少熟料全 尾砂膏体充填体系的基础上开拓新的赤泥 - 矿渣少 熟料全尾砂膏体充填体系, 解决早期强度低的问题, 二是尽可能地大量利用赤泥。从这个意义上讲, 赤 泥在体系中的比例应当是越高越好。但是, 赤泥中 的活性组分含量比矿渣少, 活性较之低, 掺量太大强 度反而会降低, 所以本试验着重优化赤泥 /矿渣的配 比。按矿山充填的要求 [ 5], 配比如表 3所示, 试验结 果如图 3和图 4所示。 表 3 考察赤泥 /矿渣优化组合的配比方案 编号 赤泥 / 矿渣 / 熟料 / 脱硫 石膏 / 外加剂 / 胶凝 材料B 全尾砂 水灰比 1 空白 080101013B171 . 2 21070101013B171 . 2 32060101013B171 . 2 42456101013B171 . 2 52852101013B171 . 2 63050101013B171 . 2 73248101013B171 . 2 84040101013B171 . 2 95030101013B171 . 2 注 赤泥 矿渣 熟料 脱硫石膏 100 胶凝材料; 外加剂的 质量分数 外加剂 /胶凝材料 100 ; 水灰比 水 /胶凝材料。 176 总第 401期 金 属 矿 山 2009年第 11期 图 3 不同赤泥掺量对矿渣少熟料膏体 全尾矿充填料试块抗折强度的影响 s1 d;p 3 d ;w 7 d 图 4 不同赤泥掺量对矿渣少熟料膏体 全尾矿充填料试块抗压强度的影响 s1 d;p 3 d ;w 7 d 从图 3和图 4可知, 添加赤泥后, 胶砂试块的 1 d强度明显提高, 尤其是 0 20 区间内提高幅度 大, 到 24 时达到峰值, 赤泥的掺量再继续提高时, 强度略微有所下降, 可见赤泥的加入可以有效地提 高体系的早期强度。赤泥对矿渣有良好的激发作 用, 这可能是赤泥中的碱性成分加剧了矿渣的早期 解聚与再聚合所致。 3 d时磨细矿渣的潜在活性部 分释放出来, 赤泥添加量过多时因活性不如矿渣使 得强度峰值前移, 在 10 20 间达到最大。相比 起空白试验 不添加赤泥 , 添加 10 20 赤泥的 样品在力学强度上仍占有优势。 7 d时磨细矿渣的 潜在活性大量释放出来, 体现在矿渣掺量大的强度 较大, 从图 3和图 4的 7 d强度曲线上看就是随着 赤泥掺量从 0到 50 , 抗压和抗折曲线都是逐渐下 降, 趋势是前部分下降缓慢, 后部分下降较为迅速。 由于胶结充填材料的早强性能可以大幅度提高 胶结充填采矿的作业效率, 本试验最后选定的赤泥 优化掺量为 24 , 赤泥 /矿渣为 24B56 3B7, 此时的 1 d抗压强度为 3 . 6MPa , 3 d抗压强度为 5 . 3MPa , 7 d抗压强度为 7. 4MPa , 相比起空白 不添加赤泥 , 1 d的抗压强度是其 6 . 5倍, 3 d和 7 d与之相当。 3 . 2 水化产物的 XRD分析 图 5是赤泥掺量为 24 , 矿渣 56 , 脱硫石膏 10 , 水泥熟料 10 配合制成的水灰比为 0 . 2的净 浆试块在 1 , 3 , 7 d的 XRD谱图。 图 5 水化产物的 XRD谱图 p 石膏;u 硬沥青;v 水钙沸石; r 水合铝硅酸钠;s 伊利石;o 水合氧化铁 从图 5可看出, 水化 1 d后的物相有水钙沸石、 二水石膏、 水合铝硅酸钠、 伊利石、 赤铁矿, 另外还出 现部分非晶态物质, 反应在谱图上为 10b 60b 之间 有隆起的鼓包, 判断为 C- S- H 凝胶; 水化 3 d的 试块谱图中 2 H 为 11. 8b , 26 . 8b 的衍射峰明显减弱, 谱图的鼓包更为明显, 证明随着水化时间的延长, 二 水石膏和水钙沸石、 水合铝硅酸钠、 伊利石等参与了 水化反应生成了新的物相而减少, C- S- H 凝胶增 多; 7 d的试块衍射谱图中, 在 2H为 15 . 8b , 22 . 9b 和 32 . 4b 的地方出现新的衍射峰, 为钙矾石, 其他的衍 射峰大幅度减弱, 除钙矾石的衍射峰以外几乎观察 不到其他的明显结晶态物质, 意味着体系含有大量 的凝胶和低结晶度的物质。 3 . 3 水化产物的 SEM 分析 图 6是赤泥掺量为 24 , 矿渣 56 , 脱硫石膏 10 , 水泥熟料 10 , 胶砂比为 3B17配合制成的水 灰比为 1 . 2的试块在 1 , 3 , 7 d的 SEM图片。 图 6 a1为 1 d硬化浆体的 SEM图片。经能谱 图推测图 6 a1中 3 Lm左右的颗粒为尾砂, 尾砂颗 粒间堆积不紧密, 孔隙较大, 孔隙间出现许多絮状以 C- S- H 为主的复杂凝胶和棒状的二水石膏, 它们 把颗粒胶结在一起, 整个体系呈现蜂窝状, 结构疏 松。图 6 a2为胶凝体局部放大图, 从图 a2可以 看到絮状的胶体与棒状的石膏网络、 搭接在一起体, 填充在尾砂颗粒间使得 1 d具有一定的机械强度。 图 6 b为 3 d硬化浆体的 SEM图片, 其形貌开 始发生改变, 水化产物增加, 将大量的颗粒粘接在一 起连成了一片, 已经观察不到尾砂颗粒的边界, 颗粒 间的缝隙大大减小, 使浆体表面变得平整致密。 177 祝丽萍等 赤泥 - 矿渣少熟料体系制备全尾砂胶结充填料试验研究 2009年第 11期 图 6 水化产物的 SE M 及能谱图 图 6 c1和 6 c2为 7 d硬化浆体的 SEM 图片, 图中可观察到许多微小的细针状的钙矾石, 这也与 XRD分析结果一致, 细针状的钙矾石和凝胶交织在 一起使得结构变得十分致密, 也观察不到明显的孔 洞和和颗粒状尾砂, 这使得试块在宏观上具有了良 好的力学强度。 4 结 论 1赤泥能有效激发矿渣少熟料全尾砂膏体胶 结充填体系的活性, 大大提高其早期强度, 赤泥的优 化掺量为 24 占胶凝材料总量 , 胶凝材料 /全尾 砂为 3B17 , 水灰比 1 . 2时, 1 d抗压强度约为 3. 6 MPa , 是不掺赤泥的抗压强度的 6 . 5倍, 3 d与 7 d强 度分别能达到 5 . 3 , 7 . 2 MPa , 满足大多数矿山充填 要求, 为赤泥的资源化处理开辟了一条良好的途径。 2胶凝材料中的矿物相水钙沸石、 二水石膏、 伊利石、 水合铝硅酸钠、 赤铁矿等经水化反应后生成 了大量的钙矾石和结晶程度低的复杂凝胶, 细针状 的钙矾石和凝胶团聚交叉在一起使得体系具有较好 的水硬胶结性能。 参 考 文 献 [ 1] 黄迎超, 王 宁, 等. 赤泥综合利用及其放射性调控技术初探 [ J]. 矿物岩石地球化学通报, 2009 2 128-129 . 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