摘要：通過水泥凈漿強(qiáng)度試驗(yàn)和水泥-尾砂漿體流動(dòng)性及其固化體的強(qiáng)度試驗(yàn)，確定了適宜于尾砂固化的堿礦渣水泥的較好的配合比，和尾砂固化中堿礦渣水泥的適宜摻量。采用低模數(shù)水玻璃，按14%與礦渣粉配合得到的堿礦渣水泥，可以獲得較好的凈漿硬化體抗壓強(qiáng)度，最高可達(dá)3 天69.6MPa，7 天84.0MPa，28天91.8MPa。在水泥-尾砂漿體固含量相同的情況下，堿礦渣水泥-尾砂漿體的流動(dòng)性明顯優(yōu)于硅酸鹽水泥尾砂漿體的流動(dòng)性，堿礦渣水泥-尾砂固化體強(qiáng)度高于硅酸鹽水泥-尾砂固化體強(qiáng)度，尤其是后期強(qiáng)度更加明顯。而在控制尾砂漿體流動(dòng)度相同的情況下，前者固含量可以高于后者2%。SEM 對(duì)水泥-尾砂固化體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的觀察表明，堿礦渣水泥-尾砂固化體內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示出明顯的膠結(jié)特征，原本松散分離的尾砂顆粒在堿礦渣水泥的膠結(jié)作用下相互固膠結(jié)成牢固的整體，堿礦渣水泥用量增加時(shí)這種膠結(jié)作用增強(qiáng)。固化體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的MIP 測(cè)定結(jié)果也表明，堿礦渣水泥用量增加時(shí)固化體總孔隙率減小，孔隙中大孔比例減少，小孔比例增加。綜合水泥-尾砂漿體流動(dòng)性和固化體強(qiáng)度兩方面的試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適合于用作尾砂膠結(jié)材。
關(guān)鍵詞：堿；礦渣；尾砂；回填；流動(dòng)性
1 引言
在礦山回填作業(yè)中，比較廣泛地采用普通硅酸鹽水泥作為尾砂膠結(jié)材料，但是，這種做法受到漿體流動(dòng)性和回填固化體強(qiáng)度的限制比較大。這是因?yàn)槠胀ü杷猁}水泥的需水量比較大，回填漿體的固含量要很低才能滿足自流回填要求，而漿體固含量的降低會(huì)影響回填固化體的強(qiáng)度。所以，相繼又出現(xiàn)了多種回填膠結(jié)材料[1]，但都因回填成本過高，或基建投資較大等因素沒有被廣泛采用。堿礦渣水泥[2]具有需水量低，早期強(qiáng)度高，耐化學(xué)侵蝕性好，長(zhǎng)期耐久性好等特點(diǎn)，所以本研究采用堿激發(fā)的原理來制備堿礦渣水泥，并就堿礦渣水泥和普通硅酸鹽水泥對(duì)鉛鋅尾砂的固化效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)比較。試圖為堿礦渣水泥在礦山尾砂回填中的應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 原料
尾砂：由南京棲霞山鋅陽礦業(yè)有限公司提供，系鉛鋅礦尾砂。原料尾砂為粉狀物質(zhì)，比重3.09g/cm3，0.08mm 方孔篩篩余44.81%?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果和XRD 測(cè)定結(jié)果分別示于表1 和圖1 所示?？梢?，鉛鋅尾砂的化學(xué)成分主要為SiO2 和CaO，占大約60%，同時(shí)含有少量的Al2O3，MgO，F(xiàn)e2O3 和MnO，還有少量低價(jià)S。礦物組成主要包括含鎂方解石（Calcitemagnesian, Mg0.064Ca.936)(CO3)）、石英（Quartz, SiO2），和少量的硫鐵礦（Pyrite, FeS2）、菱錳礦（Rhodochrosite, MnCO3)、鎂菱錳礦（Kutnohorite magnesian, Ca (Mn, Mg)(CO3)2）等。從礦物組成的特點(diǎn)可知，鉛鋅尾砂應(yīng)當(dāng)屬于水硬惰性物質(zhì)。
表1 鉛鋅尾砂的化學(xué)成分/%
圖1 鉛鋅尾砂的XRD 測(cè)定圖譜及分析結(jié)果
礦渣粉：安徽朱家橋水泥有限公司提供?；瘜W(xué)成分見表2，XRD 測(cè)定圖譜見圖2。礦渣粉的主要化學(xué)成分為CaO，SiO2 和Al2O3 及少量的MgO。計(jì)算可知，堿度系數(shù)為0.95，質(zhì)量系數(shù)為1.86。說明該礦渣粉屬于酸性礦渣，圖2 所示的XRD 譜線特征表明該礦渣粉以玻璃體為主，沒有結(jié)晶相，質(zhì)量系數(shù)大于1.2，可以認(rèn)為該礦渣粉應(yīng)當(dāng)具有較好的活性。礦渣粉比表面積445m2/kg，45μm 方孔篩篩余1.2%。
表2 礦渣粉的化學(xué)成分/%
圖2 礦渣粉的XRD 測(cè)定圖譜和分析結(jié)果
水玻璃：采用市售工業(yè)級(jí)液體水玻璃。水玻璃原始組分為Na2O 含量12.89%，SiO2 含量31.17%，模數(shù)M=2.5，雜質(zhì)含量小于0.02%。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
（1）水泥凈漿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)
水泥凈漿強(qiáng)度測(cè)定試體為20mm×20mm×20mm 的立方體，水灰比為0.3，采用凈漿攪拌機(jī)機(jī)械攪拌，裝模后人工跳桌振動(dòng)30 次。20±2℃、RH＞90%濕空氣環(huán)境常規(guī)養(yǎng)護(hù)24h，脫模后20±1℃水中養(yǎng)護(hù)至預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期。每個(gè)齡期的試樣制備6 個(gè)試塊，強(qiáng)度測(cè)定時(shí)得到6個(gè)破壞載荷數(shù)據(jù)，剔除最大值和最小值，取剩余四個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該試樣的破壞載荷，再按下式計(jì)算被測(cè)試樣的抗壓強(qiáng)度：
R=P/S
R-抗壓強(qiáng)度（N/mm2，MPa）
P-抗壓試驗(yàn)破壞載荷平均值（N）
S-抗壓試驗(yàn)時(shí)試體受壓面積（400mm2）
（2）漿體流動(dòng)性和固化體強(qiáng)度測(cè)定
①水泥-尾砂漿體制備
為了使實(shí)驗(yàn)中尾砂的狀態(tài)盡量接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)前按照設(shè)定的漿體固含量將所需要的干尾砂和水混合配成尾砂漿體，預(yù)先放置于塑料小桶中，放置12h。使用時(shí)再將尾砂漿體和所需水泥倒入攪拌鍋內(nèi)，慢速攪拌5min 后停機(jī)，制成水泥-尾砂漿體，備用。
②水泥-尾砂漿體流動(dòng)性測(cè)定
參照《GB/T2419-2005 水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》中規(guī)定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件，對(duì)制備好的水泥-尾砂漿體進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)定。
③水泥-尾砂漿體固化體制備及強(qiáng)度測(cè)定
把攪拌好的水泥-尾砂漿體用料勺裝入規(guī)格為Φ50mm×100mm 的圓柱體PVC 模具內(nèi)，分兩次將水泥-尾砂漿體裝入模子中。當(dāng)裝料量達(dá)到1/2 模子高度時(shí)，暫停裝填，將模子放置于水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)10 次，以除去隨料漿帶入模具內(nèi)的氣泡。繼續(xù)裝料至高出模具，再振動(dòng)10 次。用刮刀把料漿沿模子頂部抹平，用保鮮膜密封模具上口，再用橡皮筋把保鮮膜邊緣扎緊。寫好編號(hào)和養(yǎng)護(hù)齡期，放入濕空氣環(huán)境養(yǎng)護(hù)。待試塊達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)（一般以脫模后基本不變形為標(biāo)準(zhǔn)），把試塊從模具中取出，用保鮮膜包裹嚴(yán)實(shí)，寫上編號(hào)，放回養(yǎng)護(hù)室。養(yǎng)護(hù)室溫度20±1℃，空氣相對(duì)濕度＞90%條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。
當(dāng)試塊養(yǎng)護(hù)到預(yù)定齡期后，取出，用YSH-2 型石灰土無側(cè)限壓力儀測(cè)定固化體的抗壓強(qiáng)度。測(cè)定時(shí)，每個(gè)齡期需要三個(gè)試樣，以三個(gè)試樣強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該固化體試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 堿礦渣水泥的強(qiáng)度
實(shí)驗(yàn)中采用了三種不同模數(shù)的水玻璃作為激發(fā)劑制備堿礦渣水泥。水玻璃的三個(gè)模數(shù)分別為M1，M2 和M3，其中M1＞M2＞M3。
從圖3 可以看出，水玻璃在相同模數(shù)的情況下，強(qiáng)度隨著水玻璃摻量的增加均是先增加后減小，表明水玻璃摻量存在一個(gè)最佳值。這個(gè)最佳值隨著水玻璃模數(shù)的增大而變大，即模數(shù)為M3 時(shí)最佳摻量為10%，模數(shù)為M2 時(shí)最佳摻量為14%，模數(shù)為M1 時(shí)最佳摻量也在14%左右。這是因?yàn)樗Ａ?shù)小時(shí)，其溶液的含堿量高，對(duì)礦渣的作用明顯。還可以看到，在試驗(yàn)的水玻璃模數(shù)范圍之內(nèi)，堿礦渣水泥不但具有較高的早期強(qiáng)度，而且后期強(qiáng)度也有一定的發(fā)展。從圖3 還可以看出，水玻璃模數(shù)為M2 時(shí)，水泥強(qiáng)度發(fā)展比較穩(wěn)定，且最優(yōu)配比的最高強(qiáng)度也比模數(shù)為M3 和M1 的堿礦渣水泥強(qiáng)度高，3 天、7 天和28 天的抗壓強(qiáng)度分別為69.6MPa、84.0MPa 和91.8MPa。
圖3 堿礦渣水泥抗壓強(qiáng)度與水玻璃模數(shù)和摻量的關(guān)系
3.2 堿礦渣水泥對(duì)鉛鋅尾砂的固化效果
3.2.1 堿礦渣水泥-尾砂漿體與普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體流動(dòng)性比較
圖4 表示的是分別采用上述三種水泥得到的水泥-尾砂漿體流動(dòng)性測(cè)定結(jié)果。采用的三種水泥分別為PO32.5 普通硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)記為PO32.5）、1#（水玻璃模數(shù)M2，摻量12%）堿礦渣水泥和2#（水玻璃模數(shù)M3，摻量10%）堿礦渣水泥，分別對(duì)應(yīng)圖4 中所示的點(diǎn)劃線、實(shí)線和虛線三組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中分別考察了三種不同的水泥-尾砂漿體的固含量，即72%、73%和74%。
圖4 堿礦渣水泥水泥-尾砂漿體與普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體流動(dòng)性的比較
從圖4 可以看出，在水泥-尾砂漿體固含量相同的情況下，堿礦渣水泥-尾砂漿體的流動(dòng)性明顯優(yōu)于普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體的流動(dòng)性。從圖4 還可以看出，在采用堿礦渣水泥的場(chǎng)合下，當(dāng)尾砂漿體固含量為74%時(shí)，其流動(dòng)性仍然優(yōu)于漿體固含量為72%的普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體。這說明，在現(xiàn)場(chǎng)操作中以堿礦渣水泥作為膠結(jié)材時(shí)，可以比普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材的漿體固含量至少高出兩個(gè)百分點(diǎn)，即可以增加2%的尾砂，或者說可以在相同的漿體固含量下，堿礦渣水泥作為膠結(jié)材時(shí)的流動(dòng)性更好。由此可以認(rèn)為，堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適合于用作尾砂回填膠結(jié)材料。
3.2.2 堿礦渣水泥-尾砂與普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體強(qiáng)度比較
為了進(jìn)一步弄清堿礦渣水泥對(duì)鉛鋅尾砂的固化效果，就漿體固含量同在73%的情況下，分別就采用PO32.5 普通硅酸鹽水和堿礦渣水泥制備的水泥-尾砂固化體的強(qiáng)度發(fā)展情況進(jìn)行了比較試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。
從圖5 可以看出，堿礦渣水泥和普通硅酸鹽水泥用作尾砂膠結(jié)材料時(shí)，尾砂固化體的強(qiáng)度發(fā)展情況隨摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律基本相同，這一點(diǎn)與前文[3，4]報(bào)道的研究結(jié)果也完全一致。與普通硅酸鹽水泥固化的場(chǎng)合相比，采用堿礦渣水泥時(shí)，尾砂固化體的強(qiáng)度發(fā)展情況顯示出明顯的優(yōu)越性。無論是固化體的早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度，堿礦渣水泥-尾砂固化體強(qiáng)度均高于普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體強(qiáng)度，早期強(qiáng)度差別較小，后期強(qiáng)度區(qū)別十分明顯，前者強(qiáng)度可以達(dá)到后者的2-3 倍，說明堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥對(duì)鉛鋅尾砂的固化有更好的效果。換言之，如果要求尾砂固化體達(dá)到相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度，那么采用堿礦渣水泥作為回填膠結(jié)材料就可以比普通硅酸鹽水泥節(jié)省相當(dāng)部分水泥用量，從而進(jìn)一步增加有效尾砂回填量，提高尾砂回填綜合效率。
圖5 堿礦渣水泥-尾砂固化體與普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體強(qiáng)度的比較
通過以上的分析，聯(lián)系尾砂回填工程實(shí)際，可知在采用堿礦渣水泥作為膠結(jié)材料回填尾砂的過程中，在保證改善流動(dòng)性的前提下，回填體的強(qiáng)度是不會(huì)降低的。相反，在相同的漿體固含量下，不僅漿體流動(dòng)性可以得到改善，強(qiáng)度還會(huì)有所提高。因此，采用堿礦渣水泥替代普通硅酸鹽水泥，既可以提高尾砂的利用率，又提高了固化體強(qiáng)度，提高了回填質(zhì)量，表明堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適宜于用作尾砂回填膠結(jié)材料。
3.2.3 堿礦渣水泥-尾砂固化體微觀結(jié)構(gòu)分析
從漿體的流動(dòng)性和固化體強(qiáng)度這兩方面來看，堿礦渣水泥對(duì)尾砂的固化效果明顯優(yōu)于普通硅酸鹽水泥。為了更好的了解堿礦渣水泥對(duì)尾砂固化效果好的內(nèi)在原因，我們對(duì)固化體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SEM 觀察。圖6-圖8 分別表示水玻璃模數(shù)為M3，固化體水泥摻量為10%，15%，30%養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 天和28 天的堿礦渣水泥-尾砂固化體的SEM 照片。圖9 表示的是與7 天養(yǎng)護(hù)齡期試樣對(duì)應(yīng)的孔隙率的變化。
從圖6，圖7，圖8 來看，在尾砂固化的過程中，尾砂是惰性材料，固化體的強(qiáng)度主要是水泥的水化產(chǎn)物的填充和搭接產(chǎn)生的，由圖上可以看出隨著水泥摻量的增加尾砂顆粒之間的填充物由纖維狀搭接變化為顆粒堆積，孔徑也隨著水泥摻量的增加而逐漸減小，這也是和圖9 所顯示的結(jié)果是一致的。
可以看出，對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期相同的固化體試樣，隨著堿礦渣水泥摻量的增加固化體結(jié)構(gòu)逐漸致密化。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 天時(shí)，水泥摻量為10%時(shí)固化體內(nèi)的孔隙主要集中于0.1mm 左右，水泥摻量增加至15%時(shí)固化體內(nèi)的孔隙主要集中于1μm 左右，而當(dāng)水泥摻量增加至30%時(shí)固化體內(nèi)的孔隙則主要集中于小于50nm 的區(qū)域。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 天時(shí)，水泥摻量為10%時(shí)固化體內(nèi)的孔隙就已經(jīng)集中于小于1μm 的區(qū)域，水泥摻量增加至15%時(shí)固化體內(nèi)的孔隙則已經(jīng)集中于小于50nm 的區(qū)域，而當(dāng)水泥摻量增加至30%時(shí)固化體內(nèi)的孔隙則幾乎全部集中于小于10nm 的區(qū)域，已經(jīng)基本與硬化水泥石內(nèi)部孔隙相接近。
圖9 堿礦渣水泥-尾砂固化體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的MIP 測(cè)定結(jié)果
4 結(jié)論
?。?）水玻璃模數(shù)為M2，摻量為14%時(shí)，堿礦渣水泥凈漿強(qiáng)度最高，3 天、7 天和28 天抗壓強(qiáng)度可分別達(dá)到69.6MPa，84.0MPa 和91.8MPa。
（2）在水泥-尾砂漿體固含量相同的情況下，堿礦渣水泥-尾砂漿體的流動(dòng)性明顯好于普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體的流動(dòng)性，固化體強(qiáng)度也明顯高于普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體，尤其是后期強(qiáng)度提高更明顯。
?。?）堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適合于用作尾砂回填膠結(jié)材料。
參考文獻(xiàn)
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文集[C], 2004.9, 51-55
Abstract: The appropriate proportion of the alkali activated slag cement suitable for the stabilization of Pb-Zntailings and its appropriate amount of addition were determined by means of examination of flowability of thecement – tailings fresh paste and strength development of the hardened cement – tailings paste. The results showedthat alkali activated slag cement with very good properties of strength development with 3d compressive strength69.6MPa, 7d compressive strength 84.0MPa and 28d compressive strength 91.8MPa could prepared by mixing14% water glass with low modulus into granulated blast furnace slag powder. Tailings paste with addition of alkaliactivated slag cement showed a better flowability and also showed better strength development, especially at lateages than that of original Portland cement, when the solid content of the cement – tailings paste was controlled atsame level. As a result, the solid content of the former could be controlled 2% higher than that of the later with theflowability of the tailings paste to be unchanged. SEM observation on the microstructure of the hardened cement tailings paste revealed that the hardened tailings paste stabilized with alkali activated slag cement showed densermicrostructure as compared with that of the original tailings paste, and the more the addition of alkali activatedslag cement the denser the microstructure of the hardened tailings paste. Furthermore, the pore distribution insidethe hardened cement – tailings paste indicated that the total porosity of the hardened paste decreased and itsproportion of large pores also decreased with the increase of the proportion of small pores when the addition ofalkali activated slag cement increased. It was believed that alkali activated slag cement would be more suitable tobe used as stabilizer for tailings than original Portland cement on the basis of the acquired test results.
Key words: alkali; slag; tailings; back fill; flowability
