脱硫灰渣的改性及其对矿渣基充填料性能 的影响研究-中国矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
脱硫灰渣的改性及其对矿渣基充填料性能 的影响研究
2018-12-06
为解决脱硫灰渣堆放所带来的环境污染问题,并以其和其他固废为主要原料生产矿山井下充填所需的 低成本充填料,在对脱硫灰渣进行改性的基础上,以改性脱硫灰渣、增强剂、石膏、矿渣、尾砂为原料进行了充填料性 能试验,并对充填料试件的水化产物进行了 SEM 分析。结果表明:①改性剂 CHJ-1 可在掺量为 2%、改性温度为 120 ℃、改性时间为12 h情况下使脱硫灰渣中CaSO3的
Series No. 509 金 属 矿 山 总第 509 期 November 2018 METAL MINE 2018 年第 11 期 脱硫灰渣的改性及其对矿渣基充填料性能 的影响研究 1 ,2 1,2 1,2 詹炳根 杨 昊 王志强 ( 1. 合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2 . 安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥 230009) 摘 要 为解决脱硫灰渣堆放所带来的环境污染问题,并以其和其他固废为主要原料生产矿山井下充填所需的 低成本充填料,在对脱硫灰渣进行改性的基础上,以改性脱硫灰渣、增强剂、石膏、矿渣、尾砂为原料进行了充填料性 能试验,并对充填料试件的水化产物进行了 SEM 分析。结果表明:①改性剂 CHJ-1 可在掺量为 2%、改性温度为 120 ℃、改性时间为 12 h情况下使脱硫灰渣中 CaSO 的含量降低 48.30%。②改性脱硫灰渣掺量的变化对充填料浆流 3 动性影响不大。改性脱硫灰渣掺量从 10%提高至 15%,充填料浆的沉缩率明显减小,各龄期试件的抗压强度均明显 增大;改性脱硫灰渣掺量继续提高至20%,充填料浆的沉缩率显著增大,各龄期试件的抗压强度均明显减小。改性脱 硫灰渣掺量为 15%时充填料浆扩展度为 152 mm、沉缩率为 1.41%,充填料试件 7 d、28 d 的抗压强度分别为 1.28 MPa 和 2.86 MPa,满足矿山井下充填要求。③改性脱硫灰渣能成功激发矿渣发生水化反应,水化产物主要是棒状的钙矾 石、团簇状的水化硅酸钙凝胶,它们之间相互穿插形成的空间网络结构使充填料试件具有结构强度,且随着养护龄期 的延长,水化产物数量增多,充填料试件的抗压强度提高。 关键词 脱硫灰渣 高炉矿渣 尾砂 改性 充填料 中图分类号 TD926.4 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-11-193-04 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201811038 Modification of Desulfurization Ash and Its Effect on Properties of Slag Based Filling Materials 1,2 1,2 1,2 3 Zhan Binggen Yang Hao Wang Zhiqiang (1. School of Civil and Hydraulic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2 . Anhui Provincial Laboratory of Civil Engineering Structures and Materials,Hefei 230009,China) Abstract In order to solve the environmental pollution problem caused by desulfurization ash slag accumulation,and to use it and other solid waste as the main raw materials to produce low-cost filling materials for underground mine filling. The fill⁃ ing material's performance test,and the hydrated products of the filled test pieces were analyzed by SEM,on the basis of modi⁃ fying the desulfurization ash slag,the modified desulfurization ash,reinforcing agent,gypsum,slag and tailings were used as 3 raw materials. The results show that:① Modifier CHJ-1 can reduce the content of CaSO in desulfurization ash by 48.30% when the dosage is 2%,the modification temperature is 120 ℃,and the modification time is 12 h. ②The change of the amount of modified desulfurization ash has little effect on the fluidity of the filling slurry. The content of modified desulfurization ash in⁃ creased from 10% to 15%,the shrinkage rate of filling slurry decreased significantly,and the compressive strength of speci⁃ mens of various curing ages increased significantly. The amount of modified desulfurization ash continued to increase to 20%, the shrinkage rate of the filling slurry was significantly increased,and the compressive strength of the specimens of various cur⁃ ing ages was significantly reduced. When the content of modified desulfurization ash is 15%,the filling degree of filling slurry is 152 mm and the shrinkage ratio is 1.41%. The compressive strength of filling specimens is 1.28 MPa and 2.86 MPa for 7 d and 28 d,respectively. And can match downhole filling requirements. ③Modified desulfurization ash could successfully stimu⁃ late the hydration reaction of slag. The hydration products are mainly rod-shaped ettringite and cluster-like hydrated calcium silicate gel,and the space network structure formed by interpenetrating them makes the filling specimens has structural strength,and as the curing age increases,the number of hydration products increases,and the compressive strength of the fill⁃ 收稿日期 2018-10-23 作者简介 杨 昊(1993—),男,硕士研究生。通讯作者 詹炳根(1964—),男,教授,博士,硕士研究生导师。 · 193 · 总第509期 金 属 矿 山 2018年第11期 ing specimens increases. Keywords Desulfurization ash,Blast furnace slag,Tailings,Modified,Filling material [ 1] 全尾砂井下充填是当前矿山充填的主流方式 , 水泥是最常用的胶凝材料。对于胶凝材料用量较高 的矿山企业来说,水泥成本是沉重的负担。因此,对 附近有大宗潜在活性固体废弃物的矿山来说,以这 些固体废弃物为主要原料生产适合矿山井下充填的 低成本胶凝材料,不仅可以降低矿山的充填成本、提 高企业经济效益,还实现了工业固体废弃物的利用, 符合国家倡导的绿色环保发展理念。 ( 5)外加剂。减水剂XN、增强剂MC。 (6)改性剂。改性剂为CHJ-1和CHJ-2。 粒化高炉矿渣(以下简称矿渣)、粉煤灰、钢渣等 均是具有潜在活性的大宗工业固体废弃物,以它们 1 1 . 2 试验方法 . 2. 1 脱硫灰渣的改性试验 脱硫灰渣的改性试验研究改性剂种类及掺量、 [2] 为主要原料生产可代替水泥的胶凝材料 对充填矿 山实现经济、高效、安全开采具有重要意义。 矿渣本身不具有水硬性,但在合适激发剂的作 3 改性温度及时间对脱硫灰渣中 CaSO 含量的影响。 改性剂与脱硫灰渣按一定质量比(掺量)充分混匀后 置于托盘中,在鼓风干燥箱中一定温度下反应一定 [ 3] 用下其潜在的水硬性会被激发出来 。化学类碱激 发剂虽然效果较好,但由于使用成本较高其在矿山 充填中的应用受限。脱硫灰渣是钢铁厂的大宗固体 3 时间后取出,用碘量法测定反应产物中 CaSO 的含 量。 [ 4] 废弃物,具有一定的碱性 ,可用来激发矿渣生产胶 1 . 2. 2 充填料性能试验 充填料性能试验的胶凝材料由增强剂、石膏、改 [ 5] 凝材料 ,但其含有的 CaSO 3 会影响试件的成型效果 及强度,所以在用其激发矿渣前需进行改性以减少 性脱硫灰渣、矿渣组成,改性脱硫灰渣占胶凝材料的 质量分数分别为10%、15%、20%,增强剂、石膏、矿渣 的质量比固定为12∶12∶61。 [ 6-7] CaSO CaSO 3 3 含量。高温改性虽然有效 ,但存在能耗大、 会在高温下分解出有毒气体 SO 等问题。传统 2 的低温改性通常效果较差,但只要方法得当还是有 望达到工业生产要求。 充填料制备试验的全尾砂浓度为60%、胶砂比为 1 ∶6(指干基质量比)、减水剂掺量为 1.5%(与胶凝材 料的质量比),参照《建筑砂浆基本性能试验方法标 JGJ/T70-2009》及文献[9]测定相关性能,将养护 8 d 的试件在 60 ℃下烘至恒重后破碎,通过 SEM 分 析其水化产物。 试验对脱硫灰渣的低温改性条件进行了研究, 并以其激发矿渣进行了充填料浆性能研究。 准 1 试验原料及方法 2 1 . 1 试验原料 1)尾砂。尾砂采自安徽马鞍山某铁矿,其粒度 性能指标见表1。 ( 2 2 试验结果与分析 . 1 脱硫灰渣的改性 2 3 . 1. 1 改性剂种类及掺量对CaSO 含量的影响 在 120 ℃下反应 12 h 时改性剂种类及掺量对 3 CaSO 含量的影响见图1。 (2)矿渣。矿渣采自安徽某钢铁厂,平均粒径为 25.32 μm,主要化学成分分析结果见表2,由表2结合 文献[8]中的方法计算出碱性指数为 0.63,质量指数 为1.67,活性指数为0.98。 ( 3)脱硫灰渣。脱硫灰渣采自某钢铁厂,平均粒 径为 71.28 μm,主要成分为 CaSO 、CaCO 、Ca(OH) 等,其中CaSO 含量为35.26%。 4)石膏粉。石膏由合肥某建材公司提供,碎磨 成粉状,平均粒径为10.13 μm。 3 3 2 3 ( · 194 · 杨 昊等:脱硫灰渣的改性及其对矿渣基充填料性能的影响研究 2018年第11期 由图 1 可看出,改性剂 CHJ-1 和 CHJ-2 均能降低 脱硫灰渣CaSO 含量。改性剂掺量从0提高至2%,掺 CHJ-1和CHJ-2下脱硫灰渣CaSO 含量从35.26%分别 降 至 18.23% 和 25.86% ,降 幅 分 别 达 48.30% 和 6.66%,说明 CHJ-1 促进 CaSO 转化为 CaSO 的效果 更好。因此,后续试验选择 CHJ-1 为改性剂,掺量为 3 3 2 3 4 2%。 2 3 . 1. 2 改性温度对CaSO 含量的影响 在改性剂 CHJ-1 掺量为 2%、反应时间为 12 h 时 ② 改性脱硫灰渣掺量从10%提高至15%,充填料浆的 3 改性温度对CaSO 含量的影响见图2。 沉缩率明显减小,各龄期试件的抗压强度均明显增 大,这是因为改性产生的 CaSO 使胶凝相更好,与 4 [ 11] CaO和石膏一起产生复合激发作用 ,使体系的碱性 增加,促进矿渣水化反应的进行,使得充填料浆体积 膨胀、强度增大;继续提高改性脱硫灰渣掺量至20%, 充填料浆的沉缩率显著增大,各龄期试件的抗压强 度均明显减小,这是由于改性脱硫灰渣中含有的 [12] CaSO 、Ca(OH)等杂质过多所致 。当改性脱硫灰 3 2 渣掺量为15%时,对应的充填料浆扩展度为152 mm、 沉缩率为 1.41%,充填料试件 7 d、28 d 的抗压强度分 别为1.28 MPa和2.86 MPa,满足矿山井下充填对充填 料浆扩展度大于 135 mm、沉缩率小于 1.5%,充填料 试件 7 d、28 d 的抗压强度分别大于 1.2 MPa 和 2.5 MPa的要求。因此,确定改性脱硫灰渣掺量为15%。 由图 2 可看出,改性温度从 40 ℃提高至 80 ℃, 脱硫灰渣 CaSO 含量下降不明显;继续提高温度至 含量明显下降。因此,确定改性温度为 3 1 1 2 20 ℃,CaSO 3 20 ℃。 . 1. 3 改性时间对CaSO 在改性剂 CHJ-1 掺量为 2%、改性温度为 120 ℃ 时改性时间对CaSO 含量的影响见图3。 3 含量的影响 2 . 3 充填料试件的SEM分析 3 不同龄期充填料试件的SEM图片见图4。 由图 3 可看出,随着改性时间的延长,脱硫灰渣 CaSO 含量明显下降,说明温度对 CaSO 的转化起主 导作用。综合考虑,确定改性时间为 12 h,对应的 CaSO 转化率为48.30%,远超文献[10]中低温改性下 的水平(CaSO 转化率为2.2%)。 . 2 改性脱硫灰渣对矿渣基充填料性能的影响 改性脱硫灰渣掺量对矿渣基充填料性能的影响 见表3。 由表 3 可看出:①随着改性脱硫灰渣掺量的增 大,充填料浆的流动性变化不大,均满足充填要求。 3 3 3 3 2 由图 4 可看出,养护 7 d 的充填料试件中的水化 · 195 · 总第509期 金 属 矿 山 2018年第11期 tailings backfilling materials by using iron and steel slag as major row materials of the cementing agen[t J].Modern Mining,2014(11): 产物主要有棒状的钙矾石和呈团簇状的水化硅酸钙 凝胶,钙矾石以晶态形式存在,说明改性脱硫灰渣能 成功激发矿渣发生水化反应,此时水化生成的钙矾 石晶体不多,且内部空隙较大,所以试件的抗压强度 不高;养护 28 d 的充填料试件中矿渣的水化反应更 彻底,水化产物明显增多且内部空隙减少,有大量团 状水化硅酸钙凝胶、棒状钙矾石生成,它们相互穿插 构成了内部空间网络结构,在宏观上表现为抗压强 度提高。 171-174. [ 3] Mun K J,Hyoung W K,Lee C W,et al.Basic properties of non - sintering cement using phosphogypsum and waste lime as activator [J]. Construction Building Master,2007(6):1342-1350. [4] 郭 斌,卞京凤,任爱玲,等.烧结烟气半干法脱硫灰理化特性 [J].中南大学学报:自然科学版,2010(1):387-392. Guo Bin,Yan Jingfeng,Ren Ailing,et al.Physical and chemical properties of semi-sintering flue gas desulfurization ash[J].Journal of Central South University: Natural Science,2010(1):387-392. 3 结 论 ( [5] Shuguang H,Yongjia H,Linnu L,et al.Effect of fine steel slag pow⁃ der on the early hydration process of portland cement[J].Journal of Wuhan University of Technology- Materials Science Edition,2006 1)改性剂 CHJ-1 可在掺量为 2%、改性温度为 20 ℃、改性时间为 12 h 情况下使脱硫灰渣中 CaSO 的含量降低48.30%。 2)改性脱硫灰渣掺量的变化对充填料浆流动 1 3 ( 1):151-153. 6] Li Y,Sadakata M.Study of gypsum formation for appropriate dry de⁃ sulfurization process of flue gas[J].Fuel,1999(9):1089-1095. 性影响不大。改性脱硫灰渣掺量从10%提高至15%, [7] Allen D,Hayhurst A N.Reaction between gaseous sulfur dioxide [ ( 充填料浆的沉缩率明显减小,各龄期试件的抗压强 度均明显增大;改性脱硫灰渣掺量继续提高至20%, 充填料浆的沉缩率显著增大,各龄期试件的抗压强 度均明显减小。改性脱硫灰渣掺量为 15%时充填料 浆扩展度为 152 mm、沉缩率为 1.41%,充填料试件 7 d、28 d的抗压强度分别为1.28 MPa和2.86 MPa,满足 矿山井下充填对充填料浆扩展度大于 135 mm、沉缩 率小于1.5%,充填料试件7 d、28 d的抗压强度分别大 于1.2 MPa和2.5 MPa的要求。 and solid calcium oxide mechanism and kinetics[J].Journal of the Chemical Society Faraday Transactions,1996,92:1227-1238. [ 8] 李茂辉,陈志杰,高 谦.基于棒磨砂充填料的新型充填胶凝材 料优化决策[J].金属矿山,2018(2):64-69. Li Maohui,Chen Zhijie,Gao Qian.Optimized decision for the devel⁃ opment of new backfill cementing materials based on the rod milling sand[J].Metal Mine,2018(2):64-69. [ 9] 李瑞龙.高浓尾矿胶结充填材料的试验研究[D].西安:西安建筑 科技大学,2015. Li Ruilong.Experimental Study on Cemented Filling Materials of High- Concentration Tailings[D].Xi'an:Xi'an University of Archi⁃ tecture and Technology,2015. (3)改性脱硫灰渣能成功激发矿渣发生水化反 应,水化产物主要是棒状的钙矾石、团簇状的水化硅 酸钙凝胶,它们之间相互穿插形成的空间网络结构 使充填料试件具有结构强度,且随着养护龄期的延 长,水化产物数量增多,充填料试件的抗压强度提 高。 [10] 姚 璐,刘清才,方诗惠,等.半干法烧结烟气脱硫灰的氧化改性 [J].环境工程学报,2016(6):3147-3151. Yao Lu,Liu Qingcai,Fang Shihui,et al.Oxidation modification of semi- dry desulfurization ash from sintering flue gas[J].Journal of Environmental Engineering,2016(6):3147-3151. [ 11] 董培鑫,宋仁峰,高 谦,等.利用鞍钢烧结灰渣开发尾砂胶凝材 料正交试验与决策[J].矿产保护与利用,2017(5):24-28. Dong Peixin,Song Renfeng,Gao Qian,et al.Orthogonal experiment and decision of tailings cementitious material prepared with sin⁃ tered ash of anshan steel company[J]. Mineral Resources Protec⁃ tion and Utilization,2017(5):24-28. 参 考 文 献 [ 1] 陈云嫩,梁礼明.低成本充填胶凝材料的开发研究[J].有色金 属: 矿山部分,2004(5):12-13. Chen Yunnen,Liang Liming.Development research of low cost fill⁃ ing cementitious materials[J].Nonferrous Metals: Mining,2004(5): [ 12] 朱同松.利用锅炉烟气脱硫灰渣制备新型胶凝材料的研究[D]. 武汉:武汉理工大学,2008. 1 2-13. Zhu Tongsong.Preparation of New Cementitious Materials Using Boiler Flue Gas Desulfurization Ash[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2008. [2] 陈 杰,倪 文,张静文.以冶金渣为胶凝材料的全尾砂胶结充 填料的制备[J].现代矿业,2014(11): 171-174. Chen Jie,Ni Wen,Zhang Jingwen.Preparation of cemented whole (责任编辑 罗主平) · 196 ·
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号