高官营铁矿高强度新型胶结材料研究

高官营铁矿高强度新型胶结材料研究

高官营矿山填充采用水泥作为填充材料。由于矿渣中含有大量细粘土，水泥作为填充材料时具有极大的粘合剂填充强度，且大坝坍塌的间隙较大。1试验材料和方案1.1试验材料1.1.1全尾砂充填材料高官营铁矿南区阶段嗣后充填法采矿采用南区全尾砂作为充填骨料，用管道将尾矿液输送至若干大桶中，经过离析沉淀烘干得到试验所需的全尾砂。高官营铁矿全尾砂充填材料的粒径特征测试结果见表1，唐山钢铁矿渣和高官营全尾砂的化学成分分析结果见表2。由表1可以计算出：高官营铁矿全尾砂的不均匀系数Cu=14.04,Cc=0.71，中值平均粒径为59.07μm，说明该矿全尾砂级配不良，属于超细全尾砂充填材料。虽然石膏粒度相对其他几种试验材料比较粗，但作为一种可溶性物料，对胶结充填体强度影响较小。根据表2可计算出：矿渣碱性系数M1.1.2灰、石膏、脱硫石膏矿渣微粉选自唐钢唐龙新型建材有限公司；石灰选用滦县雷庄的建筑石灰；石膏为脱硫石膏电厂利用烟气脱硫得到的副产品，采购于陡河电厂；水泥来自冀东地区的32.5R水泥。1.2正交试验设计根据高官营铁矿前期大量探索性试验，考虑到砂浆浓度和灰砂比对其材料配比选择影响不大，所以设计新型胶凝材料胶砂比为1∶5、料浆浓度为68%进行试验。将水泥、石灰和脱硫石膏作为正交试验的3个因素，每个因素再取3个水平。首先将新型胶凝材料和全尾砂按照1∶5比例、68%的砂浆浓度混合，然后放置在水泥搅拌机中搅拌均匀，浇注到7cm×7cm×7cm试模中，并送入养护箱，在温度为20℃、湿度为95%的条件下进行养护，48h后拆模，继续养护至7d和28d后用全自动压力试验机对胶结充填体的抗压强度进行测试，取3个胶结充填体试块的强度均值作为试验结果。新型胶凝材料充填体强度正交试验结果见表3。2结合体强度试验分析2.1充填体配方强度随水泥掺量的变化正交试验由表3和表4可知：对胶结充填体7d强度影响水泥权重最大，石灰次之，脱硫石膏最小，而对28d强度影响权重最大的为脱硫石膏，石灰次之，水泥最小。通过极差分析可得:新型胶凝材料胶结充填体7d强度优化配方为水泥3.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,28d强度优化配方为水泥4.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%。对比单一加入32.5R水泥的胶凝材料试验结果发现，新型胶凝材料胶结充填体7d优化配方强度约为32.5R水泥的5.3倍，试验得到的28d优化配方强度为5.04MPa，约为32.5R水泥的4.5倍，很大程度上提高了胶结充填体的抗压强度。由图1可知：新型胶凝材料胶结充填体强度随着水泥掺量的增加整体呈增大趋势。水泥掺量越高，新型胶凝材料胶结充填体7d强度先减小后增大，对28d强度影响一直起促进作用。胶结充填体7d和28d强度均随石灰掺量的增加先减小后增大，当石灰掺量为2.5%时，7d、28d平均抗压强度最大，分别达到2.66MPa、4.42MPa。随着脱硫石膏掺量增加，新型胶凝材料胶结充填体7d和28d强度均呈现下降的趋势，考虑到脱硫石膏为一种缓凝剂，而且掺量过多容易使胶结充填体的抗裂性能降低，因此脱硫石膏掺量不宜过大。2.2水化期龄及电镜扫描下的分析按照新型胶凝材料配方制备胶凝材料，而后将胶凝材料和全尾砂按照1:5比例、68%的砂浆浓度混合，浇注到7cm×7cm×7cm三联试模中，并送入温度为20℃、湿度为95%的养护箱中进行养护。将养护期龄分别为7d、28d胶结充填体用锤子敲开，保留中间较为规整的一小块，经过磨平处理后，将其浸没在酒精中，使其终止水化反应，在50℃烘箱中干燥至恒重后，将其取出，进行表面喷碳处理，最后得到可以用于SEM显微组织分析的胶结充填体试块。新型胶凝材料胶结充填体水化期龄7d和28d电镜扫描SEM图如图2和图3所示。由图2可知：随着养护龄期增加，新型胶凝材料胶结体在水化7d后，细长针棒状钙矾石晶体逐渐成长，并相互交叉形成较为紧密的网状结构，将较大的孔隙填充密实；同时，在尾砂颗粒的表面，钙矾石也与无定形C—S—H凝胶共同生长由图3可知：水化28d后，新型胶凝材料的水化反应完成更加充分。由此可以看到，此时的钙矾石更为粗大，它们在试样内生长、相互搭接，并与无定型的C—S—H凝胶交错生长，最终形成的C—S—H凝胶、纤细的钙矾石与粗大的针状钙矾石相互交错充斥于浆体孔隙中，使得尾砂颗粒与水化产物连成紧密的一片，交织成致密的内部结构综上分析可知：新型胶结材料的主导水化产物为钙矾石和C—S—H凝胶。大量钙矾石在水化初期已形成，使得胶结材料具有较高的早期强度。钙矾石微观形貌特征为网状或针棒状结构，胶结体的水化过程是水化产物不断形成与发育长大，孔隙逐渐被填充，浆体结构更加致密的过程，胶结体强度提高是这种结构不断致密化的结果。3砂浆流变参数分析新型胶凝材料的流动特性不仅与充填体质量和充填接顶程度密切相关，而且还直接关系到充填系统的安全性与可靠性由表5和图4可知：水泥全尾砂浆和新型胶凝材料砂浆的剪切屈服应力和黏度系数均随着料浆浓度的增大而增加。当料浆浓度小于68%时，新型胶凝材料砂浆的屈服应力比水泥砂浆小，超过该浓度后试验结果呈相反趋势，说明在料浆浓度较低的情况下，新型胶凝材料充填料浆输送所需要的动力更小，因此，新型胶凝材料料浆输送浓度不宜过高，否则，会增加输送成本。两种胶凝材料砂浆的黏度系数整体保持持平状态，说明料浆浓度对两者的黏度系数影响不大。由表5进一步分析可知：流变试验结果得到的流变方程相关系数R都在96%以上，说明本研究得到的流变参数的可靠度较高。当砂浆质量浓度达到70%时，水泥砂浆的剪切屈服应力与剪切速率基本上呈线性关系，此时黏度指数为1，即可认为该全尾砂浆属于宾汉体流体。而新型胶凝材料砂浆浓度到68%时就达到了宾汉体流体状态，说明68%的料浆浓度适合进行料浆管道输送。4新型胶凝材料强度试验按照胶结充填体28d强度优化配方进行工业试验，设计胶砂比为1∶5，料浆浓度为66%～72%，系统制备输送能力为60～80m由表6可知：随着充填料浆浓度增高，新型胶凝材料和32.5R水泥充填体的强度均呈现上升趋势，充填体的沉缩率都在逐渐降低。对比不同浓度的两种胶凝材料强度可得，新型胶凝材料充填体7d强度为32.5R水泥的3.16～4.38倍，28d强度为32.5R水泥的3.42～5.01倍，说明新型胶凝材料在强度性能上有显著提升。新型胶凝材料充填体的沉缩率低于32.5R水泥，表明新型胶凝材料的充填接顶效果更佳。工业试验中，胶砂比为1:5、浓度为68%的新型胶凝材料充填体28d强度为4.91MPa，和室内试验的误差为2.6%，说明室内试验得到的测试数据可靠度较高。并且该强度满足充填进路下部充填体28d强度大于4MPa的设计要求，为新型胶凝材料工业化生产提供了技术支撑。5充填体强度试验和性能试验结果(1）新型胶凝材料胶结充填体7d强度影响因素重要程度排序为水泥，石灰，脱硫石膏。充填体7d强度优化配方为水泥3.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%，强度为2.79MPa，约为32.5R水泥的5.3倍。充填体28d强度优化配方为水泥4.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%，强度为5.04MPa，约为32.5R水泥的4.5倍，很大程度上提高了矿山充填体的强度。(2）新型胶结材料的主导水化产物为钙矾石和C—S—H凝胶。胶结体的水化过程是水化产物不断形成与发育长大，孔隙逐渐被填充，浆体结构更加致密的过程，胶结充填体强度提高应是这种结构不断致密化的结果。(3）当料浆浓度小于68%时，新型胶凝材料的砂浆屈服应力比水泥砂浆小，超过该浓