粉煤灰替代矿渣作为胶凝材料早期强度激发的研究

粉煤灰是热电厂排放的火山灰粉体废弃物,具有潜在活性通常用于水泥掺合料。但掺加粉煤灰的胶凝材料降低早期强度,导致粉煤灰掺加量受到很大限制。针对金川矿山充填采用棒磨砂充填料和水泥胶凝材料,开展了粉煤灰和矿渣微粉等复合胶凝材料早期强度激发剂试验。试验设计料浆浓度为78%,胶砂比为1:4。首先,采用生石灰、脱硫灰渣、芒硝、亚硫酸钠等复合激发剂的正交设计,进行粉煤灰和矿渣微粉早期激发作用的材料配比试验;然后,采用DPS数据处理软件,建立充填体强度与激发剂材料掺量的回归方程,并通过优化决策确定激发剂最优配比。结果显示,由质量分数分别为5%的生石灰、17.5%的脱硫灰渣、3%的芒硝、1.5%的亚硫酸钠构成的复合激发剂,胶结充填体3d强度达到2.19MPa,大于金川矿山设计的1.5MPa强度要求。当采用20%的粉煤灰替代矿渣微粉时,3d强度达到1.504MPa,也满足金川矿山对充填体强度要求,且28d沉缩率仅为8.68%。由此可见,充分利用粉煤灰和矿渣微粉开发充填胶凝材料,不仅可以降低充填成本、提高采矿经济效益,而且还能够保护环境,实现绿色开采。     

粉煤灰替代矿渣微粉作为胶凝材料的早期强度激发研究

粉煤灰是热电厂排放的火山灰粉体废弃物,具有潜在活性,通常用于水泥掺合料。但掺加粉煤灰的胶凝材料会降低早期强度,导致粉煤灰掺加量受到很大限制。针对金川矿山充填采用棒磨砂充填料和水泥胶凝材料,开展了粉煤灰和矿渣微粉等复合胶凝材料早期强度激发剂试验。试验设计料浆浓度为78%,胶砂比为1∶4。首先,采用生石灰、脱硫灰渣、芒硝、亚硫酸钠等复合激发剂的正交设计,进行粉煤灰和矿渣微粉早期激发作用的材料配比试验;然后,采用DPS数据处理软件,建立充填体强度与激发剂材料掺量的回归方程,并通过优化决策确定激发剂最优配比。结果显示,由质量分数分别为5%的生石灰、17.5%的脱硫灰渣、3%的芒硝、1.5%的亚硫酸钠构成的复合激发剂,胶结充填体3d强度达到2.19 MPa,大于金川矿山设计的1.5 MPa强度要求。当采用20%的粉煤灰替代矿渣微粉时,胶结充填体3d强度达到1.504 MPa,也满足金川矿山对充填体强度的要求,且28d沉缩率仅为8.68%。由此可见,充分利用粉煤灰和矿渣微粉开发充填胶凝材料,不仅可以降低充填成本,提高采矿经济效益,而且还能够保护环境,实现绿色开采。     

硫化钠调控膏体充填料浆凝结硬化性能研究

为解决某矿膏体充填料浆凝结硬化缓慢而引发的充填体质量差、采充周期长、矿石生产效率低等问题,研究采用硫化钠作为改性剂调控膏体充填料浆凝结硬化性能。研究结果表明：硫化钠通过钝化尾砂-水泥-矿渣基复合胶凝体系中的锌离子和加速碱矿渣水化反应进程,发挥出显著的促凝效果,随着硫化钠添加量的增加,膏体充填料浆凝结时间呈线性降低趋势,塌落度和流动度呈负相关,稠度呈正相关,充填体7 d、14 d、28 d抗压强度呈先上升后降低的趋势,且硫化钠添加量1.5%是充填体抗压强度变化的拐点。当灰砂比为1∶8,硫化钠添加量为1.5%时,膏体充填料浆塌落度为28.0 cm,稠度为11.4 cm,流动度为73 cm,充填体7 d、14 d、28 d抗压强度分别为2.08, 3.11, 3.99 MPa,可满足矿山充填开采的要求。     

钢渣胶凝体系下矿山充填料的流动性研究

讨论了在无熟料钢渣胶凝材料体系下,矿山充填料流动性的主要影响因素。料浆流动性试验结果表明掺加粉煤灰能明显改善体系的流动性,在一定范围内浆体流动性随着粉煤灰掺量增大而增大,掺量为15%的粉煤灰流动度最高达到220 mm;矿渣对充填料浆体流动性的改善效果不如粉煤灰,但能提高充填体各龄期抗压强度;粗细颗粒级配合理的尾矿对流动性的改善有积极的作用,流动度能最多提高46.7%;料浆浓度对体系流动性和强度影响很大,73%浓度的充填料浆和易性好,流动度最高达到240 mm。     

碱激发矿渣-金尾矿基泡沫混凝土的制备及其特性研究

针对黄金尾矿堆存量大、处置困难、资源化利用率低等问题，为实现矿山尾砂的资源化利用，将黄金尾矿替代传统砂石骨料制备碱激发矿渣泡沫混凝土，并分析水灰比、稳泡剂掺量、泡沫掺量和水玻璃模数对浆体流动性、干密度、导热系数及抗压强度的影响规律。试验结果表明：水灰比从0.3增加至0.5的过程中，浆体流动度不断增加，干密度不断降低，导热系数和抗压强度呈先增加后降低的趋势，当水灰比为0.35时，导热系数和抗压强度达最大值；0.1%～0.4%的稳泡剂掺量对混凝土性能影响不显著；随着泡沫掺量的增加，混凝土结构形成大量连通孔，孔隙率增加，混凝土各性能均呈不断降低趋势；水玻璃模数是改善混凝土性能的关键因素，当水玻璃模数为1.6时，浆体流动度为149 mm,干密度为872 kg/m³,导热系数为0.088 W/(m·K),试样的3 d、7 d、28 d抗压强度分别为10.16, 14.67, 18.82 MPa。     

基于均匀试验与智能算法的全固废充填胶凝材料制备

为了制备满足矿山要求的超细尾砂全固废充填胶凝材料, 基于均匀设计方案, 开展了全固废充填胶凝材料激发剂配比的胶结体强度试验, 结果表明, 矿渣粉配比量为全尾砂胶结充填体7 d及28 d抗压强度的主要影响因素, 脱硫石膏配比量对充填体7 d抗压强度影响较大, 而钢渣配比量影响28 d抗压强度。建立了胶凝材料配比优化模型, 利用智能算法的全局寻优, 获得低成本全固废充填胶凝材料最优配比为: 脱硫石膏20%、钢渣微粉33%、粉煤灰25%、矿渣微粉22%, 材料成本为34.92元/m³;根据该配比进行了室内制备试验, 结果显示, 充填体7 d和28 d抗压强度分别达到1.38 MPa和3.56 MPa, 并且随着反应龄期增加, 该材料体系中C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失从3.64%增加到8.7%, 充填体强度呈增加趋势。采用该方法制备的胶凝材料能满足矿山要求。     

胶结剂性质对全尾砂胶结充填材料抗压强度的影响

针对胶凝材料性质对全尾砂胶结充填材料抗压强度的影响进行了试验研究,采用压汞测孔仪（Autopore Ⅳ9500）测定了固化体的总孔隙率和孔径分布。试验结果表明：当料浆固体浓度分别为70%、78%和86%并且胶凝材料掺量10%（以总固体质量计）时,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体抗压强度分别提高了151%、127%和90%;当料浆固体浓度为86%并且胶凝材料掺量5%、养护龄期分别为7、14和28 d时,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体抗压强度分别提高了68%、97%和141%;当料浆固体浓度为86%并且胶凝材料掺量分别为5%、10%、20%、30%和40%时,掺矿渣水泥比掺水泥的28 d固化体抗压强度分别提高了127%、89%、10%、-12%和-21%。结合压汞测孔数据和固化体抗压强度结果,得出结论：在高水胶比材料（即水胶比大于065）中,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体中孔径更细（即水化产物更多或更分散）,导致固化体中骨料（包括填料）的黏结面积增加而增加固化体抗压强度;在低水胶比材料中,掺矿渣水泥比掺水泥的固化体中总孔隙率大幅度增加,导致固化体中骨料的黏结强度降低而降低固化体抗压强度。     

碱激发粉煤灰基胶凝材料的水化过程及力学性能

为分析碱激发粉煤灰胶凝材料的力学性能,在实验室开展了不同碱激发条件下粉煤灰胶结充填体的抗压强度试验,系统分析了激发剂类型、激发剂掺量及粉煤灰掺量对充填体强度的影响规律。结果表明:当粉煤灰掺量为10%～20%时,粉煤灰基胶结充填体抗压强度均随着粉煤灰含量增加而不断增大,并且添加碱性激发剂能有效提高强度指标;添加了激发剂的粉煤灰基胶结充填体强度在各龄期段的增长速率明显高于未添加激发剂的充填体强度增长速率;粉煤灰基胶结充填体抗压强度随着激发剂掺量增加均表现出先增大后减小的趋势,并且在激发剂掺量为3%时达到最大值;此外,添加Na OH的充填体强度明显高于添加Na2Si O3的充填体抗压强度,并且对28 d抗压强度的改善效果优势更为突出;随着养护时间增加,水化反应生成的凝胶物质也逐渐增多,水化产物填充了孔隙结构从而促使充填体具有较好的承载性能。     

某多金属矿新型充填胶凝材料性能及微观结构研究

采用矿渣新型胶凝材料为胶结剂,细尾砂为骨料,开展充填料浆流动度、泌水率和充填配比试验,研究浓度、灰砂比对料浆流动性、泌水率、充填体抗压强度的影响,以及不同养护龄期下充填体抗压强度的发展规律。结果表明：充填浓度对料浆流动度、泌水率的影响较大,随着浓度的提高,料浆流动度和泌水率显著降低;灰砂比的影响相对较小,随着灰砂比的降低,料浆流动度、泌水率略有提高;充填体抗压强度随浓度的增加而提高,随灰砂比的减小而降低,新型胶凝材料充填体在养护早期3 d强度发展较为缓慢,7 d后强度开始明显提高,28 d后强度仍能持续增长,且养护60 d强度相比28 d提高约20%;矿渣微粉在水泥、石膏等激发作用下生成纤维状C-S-H、针棒状钙矾石等水化产物是充填体产生强度的主要原因。     

粉煤灰对矿渣胶结充填材料性能的影响

针对粉煤灰具有来源广、价格低廉和能改善砂浆施工性能的特点,研究了粉煤灰对矿渣胶结充填材料强度和流动性的影响。结果表明：在以石灰和脱硫石膏为激发剂制备的矿渣胶凝材料中,随着粉煤灰添加量的不断增大,充填体的抗压强度逐渐下降,每添加1%的粉煤灰,7 d强度平均降低1.82%,28 d强度平均降低1.61%;但是充填料的屈服应力和塑形黏度却在不断降低,说明粉煤灰的添加能够很好地改善充填料浆的流变性,实现砂浆高浓度自流输送。综合考虑强度和流变性的影响效果,粉煤灰的最优掺量范围为10%~20%。     

甘肃某矿山基于粉煤灰-水淬渣的新型胶凝材料开发

在甘肃某矿山采用棒磨砂充填料、1∶4的胶砂比和78%质量浓度的充填条件下,研究用粉煤灰和矿渣微粉替代水泥。结果表明,当生石灰为5%、芒硝3%、亚硫酸钠1.5%、脱硫灰渣17.5%、粉煤灰20%和矿渣微粉53%的掺量时,棒磨砂胶结充填体的3、7和28 d的抗压强度分别达到1.50,3.15和5.12 MPa,充填体沉缩率仅为8.68%,均满足矿山下向分层胶结充填法采矿的强度要求。充填胶凝材料的粉煤灰掺量高达37.5%,成本降低到121元/t。     

泵送剂掺量对充填料浆流动性能及充填体力学性能的影响

泵送剂作为改善充填料浆流动性能的添加剂,已经被广泛应用于矿山,但泵送剂对料浆凝固后充填体力学性能的影响却尚不明确。针对某矿不同泵送剂掺量的充填料浆,开展了料浆塌落度试验、流变试验 、充填体试块单轴抗压强度试验及试块电镜细观试验。结果表明：泵送剂对塌落度呈非线性梯度影响,随着泵送剂掺量不断增加,同剂量的泵送剂对塌落度的影响能力慢慢减弱;屈服应力与塑性黏度均随泵送剂掺量 的增加而降低,泵送剂掺量在超过3%后,屈服应力的下降幅度明显减缓,而对于塑性黏度,掺量超过2%时,其下降幅度就已经开始明显减缓;泵送剂对3 d养护龄期试块强度的影响较弱,而对于7 d、28 d养护龄期试 块,掺量为1%和2%时,对充填体抗压强度的影响是正面的,当掺量大于2%时,充填试块抗压强度呈下降趋势;掺量在1%时充填试块的细观结构是最致密的,随着泵送剂掺量的增加,大孔隙逐渐增加。综合考虑泵送剂 成本、料浆流动性及抗压强度,针对试验中的料浆配比,推荐泵送剂掺量为2%。     

掺铁尾矿粉碱矿渣混凝土力学性能及透水性能研究

为揭示水玻璃模数、粉煤灰掺量、水灰比和养护条件与碱矿渣混凝土力学性能及透水性能的关联规律,研究采用铁尾矿微粉、水泥、矿渣和粉煤灰为原料制备胶凝材料,以不同模数水玻璃作为碱激发剂制备碱矿渣混凝土。试验结果表明：水玻璃模数从1.0增加至1.5的过程中,碱矿渣混凝土力学性能呈先上升后降低的趋势,透水系数波动幅度较小,表现为先缓慢降低后轻微上升的趋势,水玻璃模数为1.2是其性能变化的拐点;粉煤灰掺量与碱矿渣混凝土力学性能整体呈负相关;随着水灰比的不断增大,碱矿渣混凝土力学性能先增大后减小,透水系数呈线性下降趋势;养护温度和养护湿度是决定碱矿渣混凝土力学性能发展的关键因素,不同养护条件下碱矿渣混凝土3 d和7 d抗压强度排序为蒸汽养护ZC>蒸养后潮湿养护HC>套袋密封养护MC>标准养护SC>恒温水中养护WC>室内养护NC,28 d抗压强度排序为HC>MC>SC>ZC>WC>NC。     

某铜铅锌矿早强胶凝材料配比试验与优化

针对某铜铅锌矿已建成的胶凝材料混料系统,采用脱硫石膏、碱性激发剂、早强剂等材料作为矿渣微粉复合激发剂,开展满足该矿充填采矿早凝、早强要求的胶凝材料配方正交试验。结果表明:脱硫石膏掺量为3%时,充填体胶结成形较好,在硫酸盐的激发作用下,矿渣中的活性成分能够不断地反应生成水硬性钙矾石(AFt);随着碱性激发剂掺量增加,胶结充填体强度显著提高,并在25%时达到最优,表明该掺量下使得矿渣水化程度较好;在此基础上,对比了几种早强剂对胶凝充填体3d强度的影响,并无增强效果;当脱硫石膏、碱性激发剂、矿渣微粉的掺量分别为3%、25%、72%时,胶结充填体3d的抗压强提高到0.69MPa,终凝时间小于30h,可满足该矿充填采矿对胶凝材料早强的要求,且成本控制在合理范围。     

基于粉煤灰－矿渣微粉的新型胶凝材料开发研究

为了降低充填采矿成本及推进无废化开采,利用粉煤灰和矿渣开发新型充填胶凝材料替代水泥是目前最行之有效的途径。本文在金川镍矿采用棒磨砂充填料、1:4的胶砂比和78%的质量浓度的充填系统条件下,首先,开展了添加早强剂的粉煤灰替代水泥合理掺量的试验研究;结果表明,当添加2%的芒硝时,粉煤灰掺量可提高到20%。然后,采用正交设计试验和极差分析研究矿渣微粉替代水泥开发新型充填胶凝材料试验;在获得最优配比基础上再次进行粉煤灰替代部分矿渣试验,从而提高粉煤灰掺量,实现降低充填采矿成本的目的。结果表明,当生石灰为5%、芒硝3%、亚硫酸钠1.5%、脱硫灰渣17.5%、粉煤灰20%和矿渣微粉53%的掺量时,棒磨砂胶结充填体的3d、7d和28d的抗压强度分别达到1.50MPa,3.15MPa和5.12MPa,充填体沉缩率仅为8.68%,均满足金川矿山下向分层胶结充填法采矿的强度要求。该种充填胶凝材料的粉煤灰掺量高达37.5%,其成本降低到121元/t。该试验研究结果为中试和工业试验奠定基础,为金川矿区固体废弃物资源化利用和提高充填采矿效益起到重要作用。     

高钙粉煤灰地质聚合物的制备及耐久性研究

以新疆某电厂高钙粉煤灰为原料,水玻璃为碱激发剂制备了高钙粉煤灰地质聚合物胶凝材料。研究了水玻璃掺量、水胶比、水玻璃模数等对高钙粉煤灰地质聚合物抗压强度的影响,并对制备的聚合物材料进行了耐久性研究。结果表明,以高钙粉煤灰为原料,水玻璃（模数为1.1）掺量为8%、水胶比0.37、标准养护条件下,制备的高钙粉煤灰地质聚合物3 d、7 d和28 d抗压强度值分别为23.0 MPa、33.3 MPa与51.7 MPa。对所制备的地质聚合物进行耐久性研究表明,高钙粉煤灰地质聚合物所有龄期抗压强度均优于42.5水泥胶砂的强度,同时120 d龄期时能够到达83.3 MPa的高强度。      

掺纤维加筋水泥基充填材料力学性能及流动性能研究

针对深部开采复杂地下环境带来的充填体质量低、易开裂、稳定性差等问题,利用矿渣微粉、镁渣、脱硫石膏开发低成本胶凝材料,采用玻璃纤维作为改性材料调控充填体力学性能。首先,对试验材料开展物化特性研究;其次,采用正交试验法设计25组配比组合进行试验,综合极差分析和方差分析,探讨纤维掺量、纤维长度、镁渣掺量对充填料浆流动性能及力学性能的影响规律。试验结果表明：单位体积内纤维掺量和纤维长度的增加,提升了纤维与骨料颗粒间的接触面积,阻滞了颗粒的正常流动,增加了料浆黏度和屈服应力,充填料浆流动性呈不断降低趋势。随着纤维掺量、纤维长度和镁渣掺量的增加,充填体强度呈先上升后降低的趋势,当纤维掺量0.6%、纤维长度9 mm、镁渣掺量15%时,充填体的抗压强度达到最大值。极差分析和方差分析表明,各试验因素对充填体1 d、3 d和7 d抗压强度影响的主次排序为纤维掺量>纤维长度>镁渣掺量;纤维掺量是影响充填体28 d抗压强度的主要因素,镁渣掺量次之,纤维长度的影响最小。     

矿渣-脱硫灰基固结剂的尾砂固结效果

为开发利用矿渣和脱硫渣,以矿渣和脱硫灰为主要原料,掺入少量石灰石和活性激发剂后,粉磨制得矿渣脱硫渣基固结剂（矿渣、脱硫灰、石灰石、激发剂的配合比为81∶13∶2.5∶3.5）,并以该固结剂为胶凝材料,以2种不同性质的尾矿为固结对象,对比了固结剂料浆和32.5#水泥料浆的流动度、保水性以及不同养护龄期固结体的无侧限抗压强度。结果表明：固结剂的基本性能指标达到,甚至优于32.5#水泥;固结剂料浆的流动度、保水性均略高于相同条件下的32.5#水泥料浆;提高固结剂的掺量、延长养护时间,其固结体的无侧限抗压强度越高;相同条件下,固结剂固结尾矿的能力明显优于水泥,固结剂掺量为5%时固结体的无侧限抗压强度和水泥掺量为10%的固结体的强度相当。因此,矿渣-脱硫渣基固结剂可以替代32.5#水泥用于尾矿的固结。微观分析表明,随着养护龄期的延长,胶凝材料的水化反应越来越充分,凝胶逐渐充填尾矿颗粒间隙,固结体越来越密实,抗压强度越来越高。     

聚丙烯纤维对水泥基充填复合材料强度性能及破坏形态的影响

为提高某金矿尾砂胶结充填体稳定性,以聚丙烯纤维作为增强剂,开展了以纤维掺量、纤维长度、矿粉掺量为研究对象的三因素四水平正交试验,考察充填料浆流动性、充填体力学性能及充填体破坏形态的变化规律。研究结果表明：充填料浆流动性与纤维掺量和长度呈负相关,随着纤维掺量的增加,充填料浆塌落度和流动度分别降低8.19%和17.79%;纤维长度从3 mm增加至9 mm的过程中,充填料浆塌落度和流动度分别降低2.49%和7.21%。充填体抗压强度随着纤维掺量和长度的增加表现为先升高后降低的趋势,纤维掺量0.6%是其临界点,此时,养护龄期1 d、3 d、7 d、28 d充填体抗压强度分别为3.87 MPa、9.32 MPa、10.27 MPa、11.88 MPa。掺入纤维的尾砂胶结充填体能够形成较为完整的网络结构,均匀分散外界荷载,阻滞裂纹扩展,微裂纹多且小,使充填体保持较高的整体性。     

矿物掺合料协同建筑垃圾充填材料性能研究与水化机理

为实现城市建筑垃圾与矿山采空区的协同治理，以建筑垃圾为再生骨料，以矿渣微粉和磷石膏为胶凝材料，采用正交试验探究料浆质量浓度、灰砂比、矿粉掺量和减水剂掺量对膏体充填材料塌落度、扩散度和抗压强度的影响规律，借助SEM微观分析手段，阐述碱激发矿物掺合料固化建筑垃圾作用机理。研究结果表明：膏体充填材料塌落度和扩散度影响因素显著性排序依次为料浆质量浓度、减水剂掺量、矿粉掺量、灰砂比，3 d和28 d抗压强度影响因素显著性排序依次为料浆质量浓度、灰砂比、矿粉掺量、减水剂掺量。在碱和磷石膏的协同激发作用下，矿粉玻璃相网状结构释放大量的活性硅和活性铝，与水化体系中的钙离子重新聚合生成钙矾石和C-S-H凝胶，水化产物镶嵌在建筑垃圾颗粒表面，构筑成密实结构整体。