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全尾砂新型胶凝材料的现场力学试验
2013-08-27
利用工业废渣开发的新型胶凝材料,对尾砂的固结效果远远超过了水泥。为了验证开发的新型胶凝 材料的可靠性和稳定性,开展了现场试验。利用新型胶凝材料和325#水泥2种胶凝材料,进行不同胶砂比和不同 质量浓度的全尾砂充填胶凝材料的28d强度试验。试验结果表明,在任何胶砂比、任何浓度条件下,新型胶凝材料 充填体强度均高于相同条件下的325#水泥充填体。说明新型胶凝材料对全尾砂的固化效果好,为矿山尾矿的资 源化利用找到了一条新途径。
Series No 446 Augustꢀ 2013 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ 20总13第年 4第468期期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE · 综 合 利 用 · ꢀ 全尾砂新型胶凝材料的现场力学试验 ꢀ 1 , 2 1, 2 2, 3 ꢀ 杨 志 强 魏 ꢀ 微 ꢀ 高 ꢀ 谦 ( 1 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 ;2 金 属 矿 山 高 效 开 采 与 安 全 教 育 部 重 点 实 验 室 ;3 金 川 集 团 股 份 有 限 公 司 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 利 用 工 业 废 渣 开 发 的 新 型 胶 凝 材 料 , 对 尾 砂 的 固 结 效 果 远 远 超 过 了 水 泥 。 为 了 验 证 开 发 的 新 型 胶 凝 # 材 料 的 可 靠 性 和 稳 定 性 , 开 展 了 现 场 试 验 。 利 用 新 型 胶 凝 材 料 和 32 5 水 泥 2 种 胶 凝 材 料 , 进 行 不 同 胶 砂 比 和 不 同 质 量 浓 度 的 全 尾 砂 充 填 胶 凝 材 料 的 28 d 强 度 试 验 。 试 验 结 果 表 明 , 在 任 何 胶 砂 比 、 任 何 浓 度 条 件 下 , 新 型 胶 凝 材 料 # 充 填 体 强 度 均 高 于 相 同 条 件 下 的 32 5 水 泥 充 填 体 。 说 明 新 型 胶 凝 材 料 对 全 尾 砂 的 固 化 效 果 好 , 为 矿 山 尾 矿 的 资 源 化 利 用 找 到 了 一 条 新 途 径 。 关 键 词 ꢀ 全 尾 砂 ꢀ 工 业 废 渣 ꢀ 新 型 胶 凝 材 料 ꢀ 现 场 ꢀ 力 学 试 验 Field Mechanical Experiment of Neotype Wholetailings Cementing Materials 1 , 2 1, 2 2, 3 Wei Wei ꢀ Gao Qian ꢀ Yang Zhiqiang ( 1 School of Civil&Environment Engineering, University of Science&Technology Beijing; 2 State Key Laboratory of HighEfficient Mining and Safety of Metal Mine of Ministry of Education; 3 Jinchuan Group Holding Co , Ltd ) Abstractꢀ A neotype cementing material was developed by using industrial residue, and its consolidation of wholetail ings exceeded the cement Field mechanical experiment was carried out in order to test the reliability and the stability of the neotype cementing material The effect of different cementsand ratio and different mass concentration on the 28d compress strength of neotype cementing material and 32 5# cement was investigated Results show that: the strength of neotype ce WWW.KY114.CN menting backfilling body is higher than the 32 5# cement backfilling body at the same condition The solidification effect of wholetailing using neotype cementing material is better, which provides a new approach for reutilization of mine tailing Keywordsꢀ Wholetailings, Industrial residue, Neotype cementing materials, Field, Mechanical experiment ꢀ ꢀ 随 着 工 业 社 会 的 发 展 , 矿 产 资 源 开 采 利 用 引 发 大 其 应 用 范 围 。 通 过 前 期 的 室 内 试 验 已 经 确 定 了 新 型 胶 凝 材 料 的 最 佳 配 合 比 , 而 且 新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 的 强 度 远 远 高 于 32 5# 水 泥 充 填 体 的 强 度 , 可 以 完 全 取 代 水 泥 作 为 矿 山 废 料 的 胶 结 剂 。 试 验 室 和 井 下 采 场 的 环 境 及 条 件 等 都 存 在 很 大 的 差 别 , 为 了 验 证 开 发 的 新 型 胶 结 材 料 在 井 下 养 护 条 件 的 稳 定 性 、 可 靠 性 , 在 应 用 于 工 业 生 产 之 前 , 本 研 究 进 行 了 新 型 胶 凝 材 料 的 现 场 试 验 。 的 环 境 破 坏 和 废 物 排 放 , 已 成 为 相 当 严 峻 的 环 境 问 [ 13] 。 矿 山 废 料 胶 结 充 填 可 以 消 除 或 减 少 矿 山 固 题 体 废 料 的 排 放 , 提 高 资 源 回 收 率 , 有 效 保 护 地 表 完 好 , 切 实 解 决 深 部 地 压 控 制 45] 。 目 前 矿 山 胶 结 充 填 的 主 导 胶 凝 材 料 是 水 泥 , 水 泥 材 料 费 用 一 般 占 充 填 成 本 的 60% ~ 70% 以 上 6] , 减 小 水 泥 用 量 或 寻 求 廉 价 胶 结 剂 是 节 约 充 填 成 本 的 主 要 途 径 。 一 些 矿 山 开 始 寻 找 廉 价 的 、 具 有 胶 凝 性 能 的 工 业 副 产 品 来 代 替 或 者 部 分 代 替 水 泥 , 如 水 淬 高 炉 矿 渣 、 粉 煤 灰 和 赤 [ [ 1 ꢀ 试 验 原 材 料 和 方 法 1  1ꢀ 试 验 原 材 料 [ 78] 。 本 试 验 所 用 的 全 尾 砂 新 型 胶 凝 材 料 是 课 题 本 试 验 所 用 原 料 主 要 有 水 、 新 型 胶 凝 材 料 ( 水 泥 淬 高 炉 矿 渣 、 石 灰 、 脱 硫 石 膏 、 试 验 室 自 配 外 加 剂 ) 、 组 自 主 研 发 的 , 是 以 工 业 废 渣 水 淬 高 炉 矿 渣 为 主 要 材 料 , 以 石 灰 加 脱 硫 石 膏 为 复 合 激 发 剂 , 并 添 加 试 验 室 自 配 的 外 加 剂 制 成 。 新 型 胶 凝 材 料 的 生 产 原 料 主 要 是 “ 工 业 废 渣 ” , 变 废 为 宝 , 属 “ 三 废 ” 利 用 循 环 经 济 项 目 ; 而 且 材 料 强 度 高 , 有 利 于 环 境 保 护 , 适 于 扩  国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 ( 编 号 : 2010CB731501) , 长 江 学 者 和 创 新 团 队 发 展 计 划 ( 973 计 划 ) 项 目 ( 编 号 : IRT0950) , 河 北 省 钢 铁 产 业 技 术 升 级 专 项 ( 编 号 : SJGS - KJ - 12 - 03) 。 魏 ꢀ 微 ( 1976— ) 女 , 博 士 研 究 生 , 100083 北 京 市 海 淀 区 学 院 路 30 号 。 · 150· ꢀ ꢀ ꢀ 魏 ꢀ 微 等 : 全 尾 砂 新 型 胶 凝 材 料 的 现 场 力 学 试 验 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2013 年 第 8 期 尾 砂 和 水 泥 。 水 取 自 石 人 沟 铁 矿 采 场 。 水 泥 为 石 人 沟 铁 矿 充 填 站 使 用 的 32 5# 水 泥 。 表 3ꢀ 尾 砂 充 填 料 化 学 组 成 % 水 淬 高 炉 矿 渣 取 自 唐 钢 唐 龙 ( 唐 昂 ) 新 型 建 材 有 限 公 司 , 其 化 学 成 分 见 表 1。 X 射 线 衍 射 ( XRD) 分 析 如 图 1。 成 ꢀ 含 ꢀ 分 量 CaO 5 44 Fe 6 19 2 O 3 Al 5 55 2 O 3 MgO 3 11 SiO 73 58 2 其 ꢀ 2 98 他 1  2ꢀ 采试用验新方型法胶 凝 材 料 和 矿 山 使 用 的 32 5# 水 泥 2 表 1ꢀ 矿 渣 化 学 组 成 % - Cl 成 ꢀ 含 ꢀ 成 ꢀ 含 ꢀ 分 量 分 量 CaO 38 16 MgO SiO 2 Al 2 O 3 Mn 0 44 SO 0 07 2 O 3 种 胶 凝 材 料 , 进 行 不 同 胶 砂 比 和 不 同 质 量 浓 度 的 全 尾 砂 充 填 胶 凝 材 料 的 强 度 试 验 , 对 比 分 析 2 种 胶 凝 材 料 对 尾 砂 的 固 化 能 力 , 以 此 验 证 开 发 的 新 型 胶 凝 材 料 的 可 靠 性 、 稳 定 性 以 及 对 尾 砂 优 越 的 固 结 能 力 。 新 型 胶 凝 材 料 的 配 合 比 均 采 用 试 验 室 确 定 的 最 佳 配 合 比 , 试 件 的 成 型 尺 寸 为 7 07 cm × 7 07 cm × 7 07 cm, 在 充 填 井 下 养 护 , 井 下 养 护 28 d 后 测 试 块 的 单 轴 抗 压 强 度 , 取 3 块 试 样 的 平 均 值 记 录 结 果 。 33 38 16 23 0 03 2 - Fe O S 其 ꢀ 他 2 3 3 10 10 0 62 0 17 0 08 2 ꢀ 现 场 试 验 结 果 2 种 胶 凝 材 料 全 尾 砂 充 填 体 的 28 d 单 轴 抗 压 强 度 如 表 4 所 示 。 图 1ꢀ 矿 渣 XRD 图 谱 表 4ꢀ 全 尾 砂 充 填 体 强 度 试 验 结 果 由 图 1 可 以 看 出 , 矿 渣 为 结 晶 较 差 的 玻 璃 体 , 表 2 8 d 强 度 / MPa 浓 ꢀ 度 强 度 比 1# / 2# 现 在 XRD 谱 图 上 是 2θ 为 30°附 近 的 一 个 弥 散 峰 。 取 样 采 用 激 光 粒 度 分 析 仪 , 对 水 淬 矿 渣 粉 进 行 粒 度 分 析 , 粒 径 的 特 征 参 数 见 表 2。 编 号 胶 砂 比 / % 1# # 2 1 2 1∶ 5 1∶ 5 66 68 2 26 2 67 1 25 1 75 1 78 1 95 0 61 0 78 0 78 0 9 1 81 1 53 1 56 1 70 1 90 2 45 2 72 2 43 3 34 3 24 3 00 2 99 3 04 2 81 3 10 3 54 1 89 2 21 2 59 2 58 WWW.KY114.CN 6 676 37 2 435 96 1 740 32 表 2ꢀ 填 料 与 胶 凝 材 料 的 粒 度 测 试 结 果 3 4 1∶ 5 1∶ 5 70 72 66 68 70 72 66 68 70 72 66 68 70 72 66 68 70 72 2 77 3 32 1 16 1 91 2 12 2 19 1 47 1 62 1 71 2 06 0 82 0 76 0 96 1 24 0 36 0 42 0 57 0 67 d d d d 比 表 面 积 10 50 90 均 值 材 ꢀ 料 2 / μm / μm 10 67 40 01 49 43 / μm 43 81 80 25 221 24 / μm 18 13 44 19 81 67 / ( cm / g) 5 1∶ 8 矿 ꢀ 石 ꢀ 渣 膏 4 53 13 46 5 49 6 1∶ 8 7 1∶ 8 全 尾 砂 8 1∶ 8 ꢀ ꢀ 石 灰 采 用 唐 山 周 边 地 区 普 通 石 灰 窑 烧 制 的 石 9 1∶ 10 1∶ 10 1∶ 10 1∶ 10 1∶ 15 1∶ 15 1∶ 15 1∶ 15 1∶ 20 1∶ 20 1∶ 20 1∶ 20 0 44 0 50 0 57 0 69 0 27 0 27 0 31 0 35 0 19 0 19 0 22 0 26 灰 。 10 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 脱 硫 石 膏 取 自 唐 山 丰 润 新 区 热 电 厂 , 外 观 呈 浅 黄 色 , XRD 分 析 结 果 表 明 其 主 要 相 是 CaSO4 · 2 H O, 未 见 其 他 结 晶 相 。 粒 径 的 特 征 参 数 见 表 2。 2 尾 砂 为 石 人 沟 铁 矿 全 尾 砂 , 粒 径 的 特 征 参 数 见 表 2, 尾 砂 的 化 学 成 分 见 表 3, SEM 显 微 形 貌 见 图 2。 16 17 18 19 20 ꢀ ꢀ 注 : 1# 为 新 型 胶 凝 材 料 , 2# 为 32 5 水 泥 。 基 于 表 4 所 示 的 试 验 数 据 , 可 以 获 得 以 下 几 点 结 论 : ① 新 型 充 填 胶 凝 材 料 全 尾 砂 试 块 强 度 与 1 00 μm # 3 2 5 水 泥 材 料 的 全 尾 砂 试 块 强 度 之 比 均 大 于 1, 说 图 2ꢀ 尾 砂 SEM 照 片 明 开 发 的 新 型 胶 凝 材 料 对 全 尾 砂 的 固 化 能 力 优 于 · 151· 总 第 446 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2013 年 第 8 期 3 2 5# 水 泥 。 ②胶 砂 比 在 1∶ 5 ~ 1∶ 20 的 条 件 下 , 砂 浆 材 料 在 低 胶 砂 比 ( < 1∶ 10) 条 件 下 强 度 增 长 速 度 快 。 ②相 同 胶 砂 比 , 新 型 胶 凝 材 料 最 低 质 量 浓 度 68% 的 浓 度 在 66% ~ 72% 的 范 围 内 , 最 小 值 1 53, 最 大 值 为 3 54。 ③在 低 胶 砂 比 的 条 件 下 ( < 1∶ 10) , 新 型 充 填 胶 凝 材 料 性 能 更 高 。 # 充 填 体 强 度 高 于 32 5 水 泥 最 高 质 量 浓 度 72% 的 充 填 体 强 度 。 ③新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 的 强 度 是 相 同 质 # 3 ꢀ 充 填 体 强 度 随 浓 度 的 变 化 规 律 量 浓 度 下 32 5 水 泥 充 填 体 强 度 的 2 倍 以 上 。 在 不 同 胶 砂 比 条 件 下 , 充 填 体 28 d 单 轴 抗 压 强 5 ꢀ 结 ꢀ 论 度 随 料 浆 质 量 浓 度 的 变 化 曲 线 如 图 3 所 示 。 ( 1) 经 过 现 场 的 力 学 试 验 , 证 明 开 发 的 新 型 胶 6 凝 材 料 在 任 何 胶 砂 比 和 砂 浆 质 量 浓 度 的 条 件 下 , 全 尾 砂 浆 胶 结 充 填 体 强 度 均 高 于 相 同 条 件 下 的 32 5# 水 泥 胶 凝 材 料 。 5 4 3 2 1 0 ( 2) 胶 砂 比 1∶ 8, 新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 的 强 度 是 # 3 2 5 水 泥 材 料 充 填 体 强 度 的 3 倍 以 上 。 当 砂 浆 质 6 6 68 70 72 量 浓 度 为 66% 时 , 28 d 的 单 轴 抗 压 强 度 已 经 达 到 2 7 MPa, 满 足 矿 山 对 充 填 体 强 度 的 设 计 要 求 。 ' ()*+&/% 图 3ꢀ 强 度 随 浓 度 变 化 曲 线 ( 3) 根 据 初 步 计 算 , 采 用 小 于 1∶ 8 胶 砂 比 的 新 ◆ — 新 材 1∶ 5 胶 砂 ; — 水 泥 1∶ 8 胶 砂 ; — 新 材 1∶ 15 胶 砂 ; ■ — 水 泥 1∶ 5 胶 砂 ; — 新 材 1∶ 8 胶 砂 ; ● — 新 材 1∶ 10 胶 砂 ; — 水 泥 1∶ 10 胶 砂 ; — 水 泥 1∶ 15 胶 砂 ; — 新 材 1∶ 20 胶 砂 ; — 水 泥 1∶ 20 胶 砂 ▲ 型 胶 凝 材 料 , 1 吨 新 型 胶 凝 材 料 至 少 可 以 替 代 2 t 以 ×  # 上 的 32 5 水 泥 材 料 。 ○ △ □ ( 4) 新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 的 强 度 高 , 原 料 成 本 ◇ 由 图 3 看 出 : ①新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 和 水 泥 充 低 , 绿 色 环 保 , 为 矿 山 尾 矿 的 资 源 化 利 用 找 到 了 一 条 新 途 径 。 填 体 的 单 轴 抗 压 强 度 随 着 料 浆 质 量 浓 度 的 提 高 基 本 呈 线 性 增 长 趋 势 , 浓 度 越 高 强 度 越 大 。 ②新 型 胶 凝 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 # 材 料 1∶ 10 胶 砂 比 的 充 W 填 体 强 W 度 略 高 W 于 32 . 5 水 K 泥 1 Y114.CN [ 1] ꢀ Mchaina D M, Januszewski S, Hallam R L. Development of an envi ronmental impact and mitigation assessment program for a tailings storage facility stability upgrade[ J]  International Journal of Sur face Mining, Reclamation and Environment, 2001, 15 ( 2 ) : 123 140 ∶ 5 胶 砂 比 为 的 充 填 体 强 度 ; 高 出 值 随 浓 度 的 提 高 而 增 大 。 ③新 型 胶 凝 材 料 1∶ 20 胶 砂 比 的 充 填 体 强 度 # 与 32 5 水 泥 1∶ 10 胶 砂 比 的 充 填 体 强 度 相 当 。 4 ꢀ 充 填 体 强 度 随 胶 砂 比 的 变 化 规 律 在 不 同 质 量 浓 度 条 件 下 , 充 填 体 28 d 单 轴 抗 压 [ 2] ꢀ Hossein M, Hassani F P. Hydromechanical evaluation of stabilized mine tailings[ J]  Environmental Geology, 2002, 41( 7) : 749759 强 度 随 胶 砂 比 的 变 化 曲 线 如 图 4 所 示 。 [ 3] ꢀ 周 爱 民 . 矿 山 废 料 胶 结 充 填 [ M]  北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社 , 2010: 117 3 3 2 2 1 1 0 .5 .0 .5 .0 .5 .0 .5 0 [ 4] ꢀ 李 一 帆 , 张 建 明 , 邓 ꢀ 飞 , 等 . 深 部 采 空 区 尾 砂 胶 结 充 填 体 强 度 特 性 试 验 研 究 [ J]  岩 土 力 学 , 2005, 26( 6) : 865868 [ [ [ 5] ꢀ 邓 代 强 , 高 永 涛 , 吴 顺 川 , 等 . 水 泥 尾 砂 充 填 体 劈 裂 拉 伸 破 坏 的 能 量 耗 散 特 征 [ J]  北 京 科 技 大 学 学 报 , 2009, 31( 2) : 144148 6] ꢀ 曾 照 凯 , 张 义 平 , 吴 ꢀ 刚 . 基 于 正 交 优 化 的 胶 结 充 填 体 强 度 试 验 研 究 [ J]  有 色 金 属 , 2011, 62( 3) : 68 1 ∶20 1∶15 1∶10 1∶08 1∶05 7] ꢀ Ercikdi B, Cihangir F, Kesimal A, et al. Utilization of industrial waste products as pozzolanic material in cemented paste backfill of high sulphide mill tailings[ J]  J Hazard Mater, 2009, 168 ( 2) : ! "# 图 4ꢀ 强 度 随 胶 砂 比 变 化 曲 线 ◆ — 新 材 66% 浓 ; — 水 泥 68% 浓 ; ■ — 水 泥 66% 浓 ; ▲ — 新 材 68% 浓 ; 848856 ×  — 新 材 70% 浓 ; ● — 水 泥 70% 浓 ; [ 8] ꢀ Türkel S. Longterm compressive strength and some other properties of controlled low strength materials made with pozzolanic cement and Class C fly ash[ J]  Journal of Hazardous Materials, 2006, 137 ( 1) : 261266. ○ — 新 材 72% 浓 ; △ — 水 泥 72% 浓 由 图 4 可 看 出 : ①充 填 体 的 强 度 随 着 胶 砂 比 的 提 高 而 提 高 , 提 高 曲 线 为 折 线 型 ; 水 泥 充 填 体 在 高 胶 砂 比 ( 1∶ 8 ~ 1∶ 5) 条 件 下 强 度 增 长 速 度 快 , 新 型 胶 凝 ( 收 稿 日 期 ꢀ 20130514) · 152·
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