楊春保,陳賢樹,朱春啟,成 建
(1.合肥水泥研究設(shè)計院, 安徽合肥 230051;2.中國新型建材設(shè)計研究院武漢分院, 湖北武漢 430000)
礦山全尾砂充填過去都用水泥做膠結(jié)劑,但水泥生產(chǎn)成本高,一些礦山企業(yè)難以承擔(dān)。同時水泥充填還普遍存在嚴(yán)重的泌水和離析現(xiàn)象,污染井下環(huán)境,增加排水費用,降低了充填體整體強度。因此以礦渣、粉煤灰為特征的新一代礦山充填膠結(jié)劑在近幾年得到了開發(fā)和廣泛的應(yīng)用[1]。但礦渣、粉煤灰完全依賴鋼廠、電廠的供應(yīng),在一些礦區(qū)存在貨源緊張、運輸成本高的情況。石灰石貨源廣泛,且比礦渣、粉煤灰更加低廉,因此,研制以石灰石為主要原料的石灰石—礦渣基礦山充填膠結(jié)劑(以下簡稱石灰石基膠結(jié)劑)意義重大。
本產(chǎn)品的研制以產(chǎn)研結(jié)合的方式進行,由合肥水泥研究設(shè)計院、北京菲恩科技有限公司負責(zé)生產(chǎn)工藝、激發(fā)劑配方設(shè)計和試驗室的試驗,根據(jù)優(yōu)化的試驗結(jié)果在安徽某一礦山膠結(jié)劑廠進行試生產(chǎn),根據(jù)應(yīng)用情況逐步完善和提高。該膠結(jié)劑廠原生產(chǎn)配方為:粉煤灰35%、礦渣28%、熟料24%、石渣5%、石膏5%、激發(fā)劑3%。在試生產(chǎn)過程中,采取逐步減少粉煤灰,增加石渣,并調(diào)整其它原料的比例的方法,穩(wěn)步推進,將石渣用量比例提高到預(yù)定的水平。
石灰石基膠結(jié)劑的生產(chǎn)原料為:石渣、礦渣、熟料、石膏和專用激發(fā)劑等,礦渣來自南京鋼鐵聯(lián)合集團公司,其它原料在當(dāng)?shù)鼐徒少彙?/p>
石灰石為礦山開采留下的石渣,主要成份為CaCO3。石膏為脫硫石膏,也可用天然二水石膏。
礦渣的主要成份為:SiO228.22%,AL2O316.46%,F(xiàn)e2O31.2%,CaO 32.21%,MgO 9.34%。
熟料為海螺公司生產(chǎn)(新型干法回轉(zhuǎn)窯),其28 d標(biāo)砂抗壓強度一般都在60.0 MPa以上。
(1)物理激發(fā)。對石渣、礦渣、熟料進行高細粉磨,使其表面積和比表面能大大增加,結(jié)構(gòu)趨于無定形化,自由焓提高,降低其反應(yīng)活化能,提高水化能力。高細粉磨也使石灰石微集料化,大量的試驗、研究證明,其微集料效應(yīng)可明顯提高混凝土的強度[2]。
(2)化學(xué)激發(fā)。在石灰石的粉磨過程中加入適量的專用化學(xué)試劑,激發(fā)石灰石、礦渣的潛在水化活性,同時增強石灰石、礦渣、熟料在水化過程中的互補作用和協(xié)同效應(yīng),提高其水化產(chǎn)物、硬化漿體的性能和強度。對礦渣、粉煤灰采用無機堿、無機鹽激發(fā)能達到很好的效果,但對石灰石來說,還須添加合適的有機物與之復(fù)合,才能產(chǎn)生快速、強有力的激發(fā)。石灰石、礦渣混合物專用激發(fā)劑的研制,是石灰石基膠結(jié)劑研制的關(guān)鍵,對其性能、應(yīng)用效果起著至關(guān)重要作用。
濕礦渣由堆場經(jīng)皮帶秤計量輸入高效回轉(zhuǎn)式烘干機,烘干后存入干渣庫儲存?zhèn)溆?。其它物料分別入庫備用。采用開流高細管磨系統(tǒng)對物料進行粉磨,再通過輸送設(shè)備輸送至成品庫,之后由氣力輸送設(shè)備送至充填站儲庫備用。粉磨工藝流程見圖1。
圖1 粉磨工藝流程
生產(chǎn)原料按質(zhì)量百分比為石渣20% ~35%、礦渣20% ~36%、粉煤灰 0% ~20%、熟料20% ~30%、石膏5% ~7%、激發(fā)劑2% ~4%進行配料,共同在Φ3.2 m×14 m高細管磨機中混合粉磨。成品細度控制比表面積為430~480 m2/kg,臺時產(chǎn)量34.0 ~38.0 t/h,粉磨電耗 43.2 ~48.5 kWh/t。
參照國標(biāo)GB175-2007,對石灰石基膠結(jié)劑進行強度檢測,結(jié)果如表1所示。
表1 膠結(jié)劑膠砂強度檢測結(jié)果
檢測結(jié)果表明,用石灰石代替粉煤灰后,膠標(biāo)砂強度略有提高,并且都達到了普通硅酸鹽水泥32.5等級。
尾砂取自安徽某礦業(yè)公司,其粒度分布如表2所示。
特征粒徑:D10=6.72 μm,D50=51.84 μm,D90=123.14 μm,平均粒徑 Dp=60.22 μm。
表2 尾砂粒度分布
對石灰石基膠結(jié)劑進行全尾砂強度試驗,并與32.5普通水泥進行對比,結(jié)果如表3所示。
表3 全尾砂強度檢測結(jié)果
檢測結(jié)果顯示,在相同的試驗條件下,石灰石基膠結(jié)劑-全尾砂的強度明顯高于水泥-全尾砂強度。
參照國標(biāo)GB/T 1346-2001進行試驗,結(jié)果如表4所示。
結(jié)果表明,石灰石基膠結(jié)劑的凝結(jié)時間符合通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)(GB 175-2007)。
將石灰石基膠結(jié)劑與水泥進行膠尾砂流動度對比試驗。參考水泥膠砂流動度檢測方法:膠結(jié)劑用量250 g,用水量162 mL,膠結(jié)劑∶尾砂=1∶3。水泥也在相同方法下進行。結(jié)果如表5所示。
可見,石灰石基膠結(jié)劑-全尾砂比水泥-全尾砂流動度高約44%。
表4 石灰石基膠結(jié)劑凝結(jié)時間
表5 擴展度試驗結(jié)果
坍落度試驗方法參照GBJ80,灰砂比為1∶6,檢測結(jié)果如表6所示。
一般認(rèn)為,坍落度達到220 mm即可滿足全尾砂的結(jié)構(gòu)流自流輸送[3]。從試驗結(jié)果來看,在濃度高達75%時,石灰石基膠結(jié)劑-全尾砂的坍落度依然達到了246 mm。較高的坍落度的一個重要原因是石灰石基膠結(jié)劑中的有機激發(fā)劑,也是較好的表面活性劑,增加了全尾砂漿的流動性。
表6 坍落度試驗結(jié)果
試驗采用CILAS1180型粒度分析儀(干法),測量范圍 0.04 ~ 2500.00 μm,光學(xué)模型:Fraunhofer。石灰石基膠結(jié)劑的粒度檢測結(jié)果如表7所示。
表7 石灰石基膠結(jié)劑的顆度分布
特征粒徑:D10=1.43 μm,D50=11.22 μm,D90=48.91 μm,平均粒徑為 18.86 μm。
石灰石基膠結(jié)劑D10、D50、平均粒徑都比普通水泥要低,這將增加充填結(jié)構(gòu)流體中超細物的含量,有利于在壓力作用下于管壁外形成潤滑層,可減少沿管道的阻力。
石灰石基膠結(jié)劑在安徽某礦業(yè)公司完全替代了粉煤灰基膠結(jié)劑和普通水泥,經(jīng)過近半年的充填應(yīng)用,效果良好。用石渣代替粉煤灰生產(chǎn)膠結(jié)劑,不但緩解了粉煤灰供應(yīng)緊張的問題,而且大幅節(jié)省了生產(chǎn)成本。目前該公司粉煤灰進廠價格為140元/t(含運費),石渣進廠價格為20元/t(含運費),考慮生產(chǎn)原料配比變化所導(dǎo)致的綜合原料的成本改變,實際原料成本降低了18元/t。再綜合其余成本因素(煤、電、工資、折舊等),實際生產(chǎn)成本降低了15元/t。如按該公司生產(chǎn)能力30萬t/a計算,可節(jié)省生產(chǎn)成本450萬元/a。
與用水泥作膠結(jié)劑比較,石灰石-礦渣基膠結(jié)劑具有以下突出優(yōu)點:
(1)節(jié)省了充填費用,主要原因是灰砂比降低,在相同的充填料強度時,可少用膠結(jié)劑20% ~40%;
(2)提高了充填質(zhì)量,水泥膠結(jié)充填普遍存在嚴(yán)重離析現(xiàn)象,使充填體出現(xiàn)凝結(jié)緩慢、強度差的薄弱層,破壞了充填體的均一性,降低了其整體強度,而石灰石基膠結(jié)劑具有良好的抗離析作用,因而可以提高充填體質(zhì)量;
(3)方便施工,改善了施工環(huán)境,水泥膠結(jié)充填普遍存在嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象,不但降低充填體強度,而且污染礦井環(huán)境,增加排水費用,而用石灰石基膠結(jié)劑的尾砂漿流動性好,坍落度高、抗離析、泌水少而清,方便了施工,改善了施工環(huán)境。
石渣過去一直作為礦山開采后的廢料而被拋棄,用作混合材生產(chǎn)膠結(jié)劑時,其摻量一般在5%左右,主要是其活性難于激發(fā),高比例摻加時會大幅降低膠結(jié)劑的強度。本研究和應(yīng)用證明,通過機械和化學(xué)的雙重激發(fā),石渣可以代替粉煤灰高比例地摻加于膠結(jié)劑之中,用于礦山充填時,不但其強度不降低,而且有抗離析、增稠等作用,可謂是價廉物美,經(jīng)濟效益突出,因此,值得推廣應(yīng)用。
石渣的主要成份是CaCO3。對其物理、化學(xué)激發(fā)后在膠結(jié)劑中的作用機理目前還沒有完全弄清楚,有待進一步研究。特別是對其水化產(chǎn)物及其與膠結(jié)劑中的其它組份的水化產(chǎn)物在硬化過程中的相互作用的研究,目前尚無這方面的報道,本文也未作深入的研究,可作為今后研究的重點,以期在理論上有更大的突破,為進一步提高其在膠結(jié)劑中的摻加量和膠結(jié)劑的性能,打下堅實的理論基礎(chǔ)。
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