Paste backfill of high-sulphide mill tailings using alkali-activated blast furnace slag: Effect of activator nature,concentration and slag properties

The effect of activator type, concentration and slag composition on the strength and stability properties of paste backfill (CPB) of high-sulphide tailings using alkali-activated slag (AAS) as binder (7 wt.%) were investigated in this study. Acidic and neutral (AS–NS) slags were activated with liquid sodium silicate (LSS) and sodium hydroxide (SH) at 6–10 wt.% concentrations. Ordinary Portland cement (OPC) results were used for comparison. The strength development was found to remarkably improve with increasing the concentration from 6 to 8 wt.%. Further increase in concentration did not enhance the strength. SH was determined to produce higher early-age strength whilst LSS produced higher long-term strengths as an indication of slag selectivity for activators. More extensive gypsum formation was observed at lower concentrations in SEM/EDS studies. An increase in Na₂O concentration raised the activator consumption. High concentrations also led to poorly crystallized C–S–H gel, loose structure and drying shrinkage cracks especially in NS–SH samples. A reduction in total porosity up to 20% was obtained in AAS samples compared to OPC. Amorphous structure, chemical modulus ratio and/or basicity index (BI) values were seen to control the pozzolanic reactivity, and therefore, the alkali-activation and hardening process.     

矿渣-粉煤灰基胶凝材料性能调控及其在铅锌矿尾砂胶结充填中的应用北大核心

尾砂胶结充填(Cemented Paste Backfill,CPB)是目前大规模消纳尾矿的主要方式,然而作为CPB中最常用的胶凝材料,普通硅酸盐水泥(Ordinary Portland Cement,OPC)的高成本限制了CPB的大规模推广应用,并且OPC大量使用不利于“双碳”目标的实现,因此需要研发新型的充填胶凝材料。利用煅烧层状双氢氧化物(CLDH)对Na_(2)CO_(3)激发高炉矿渣(Blast Furnace Slag,BFS)-粉煤灰(Fly Ash,FA)基胶凝材料进行改性,使其适用于铅锌矿尾砂胶结充填。一方面CLDH可以消耗反应体系中的CO^(2-)_(3),提高反应体系的pH值,进而促进反应,另一方面CLDH在重新水化过程中生成LDH,有利于对重金属的固化。通过研究胶凝材料的水化热、反应产物以及CPB样品的流动性、抗压强度和重金属固化效果,得出胶凝材料的最优配比。研究结果表明,样品B50FA50-CL5-Ca5具有最佳的综合性能。当胶凝材料和尾砂重量比为1∶6、料浆浓度为70 wt%时,充填体3 d和28 d抗压强度分别为1.21 MPa和2.77 MPa,并且重金属的固化效果符合国家相关标准。     

高硫尾砂胶结充填试验研究

普通硅酸盐水泥广泛用于高硫尾砂的胶结充填,但因硫酸盐侵蚀会导致充填体早期强度低而后期膨胀、开裂以及强度倒缩。本研究以矿渣为主要材料辅以少量激发剂配制成KL固化剂取代水泥固化高硫尾砂,相同条件下,试样7d和60d强度是水泥试样的2.3倍和6.0倍,早期强度高,后期强度不倒缩。KL固化剂中的低碱环境使得适量钙矾石在早期形成,不破坏水化硅酸钙凝胶结构,还能充当骨架降低孔隙率使试样更密实。综上可知,与水泥相比,KL固化剂固化高硫尾砂具有更好的强度和耐久性。     

碳酸盐激发胶凝材料性能优化及其在铅锌矿尾砂胶结充填中的应用研究

胶结充填有助于推动绿色矿山建设。然而,作为胶结充填的主要胶凝材料,水泥的高成本限制了的胶结充填的应用,因此亟待开发研究新型的充填胶凝材料。基于此,本文利用添加剂优化改性Na2CO3激发高炉矿渣作为胶凝材料用于胶结充填。通过探索不同添加剂对胶凝材料水化特性、反应产物以及对胶结充填样品流动性、抗压强度和重金属固化效率的影响,得出适合于铅锌矿尾砂胶结充填的胶凝材料配比。试验结果表明,当添加5 wt% 煅烧白云石以及1 wt%碱式碳酸镁时,样品性能最优。当胶凝材料和尾砂质量比为1:6,料浆浓度为76%时,充填体3d和28d抗压强度分别为1.41 MPa和3.89 MPa,并且重金属的浸出量符合国家相关标准。     

煅烧硬质高岭土对铅锌矿溢流尾砂胶结膏体充填材料抗压强度的影响

对煅烧硬质高岭土对铅锌矿溢流尾砂胶结膏体充填材料抗压强度的影响进行了研究。研究结果表明:当胶结剂中煅烧硬质高岭土(Calcined Hard Kaolin,CHK)取代水泥率从0增加到30%时,胶结膏体充填材料(Cemented Paste Backfill,CPB)28d抗压强度基本保持不变;当CHK取代水泥率从30%增加到80%时,CPB的28d抗压强度急剧降低;当CHK取代水泥率低于50%的CPB养护到28d或56d后,其抗压强度大幅度降低;当CHK取代水泥率为50%的CPB养护到180d时,其抗压强度呈增长趋势。CPB抗压强度损失与其内部形成膨胀性物质(石膏)有关。当CHK取代水泥率为50%时,由于降低了胶结剂中水泥熟料的量,CHK中偏高岭土(Metakaolin,MK)和水泥水化产物氢氧化钙的火山灰反应解除或减少了膨胀性二水石膏的形成,结果CPB的180d抗压强度呈增长趋势。     

锡冶炼渣-全尾砂胶结充填体强度特性研究

充填体材料的选择以及强度特性的研究有助于解决矿山生产安全、环境破坏、充填成本等问题。为了将冶炼生产中的固体废渣二次利用,并与矿山尾砂胶结后将其运用于回填矿山采空区,本文选用锡冶炼渣-全尾砂作为充填试验材料,通过室内实验、逐步回归分析以及双因素交互作用分析的方法研究了不同锡冶炼渣掺量、质量浓度、灰砂比、养护龄期下充填体抗压强度的特性。实验结果表明：其他条件固定不变,充填体的单轴抗压强度随养护龄期的增加呈递增规律;同质量浓度及灰砂比条件下,充填体单轴抗压强度随锡冶炼渣掺量的增加呈递减的趋势;28 d养护龄期,质量浓度78%灰砂比1:4,,掺入30%锡冶炼渣强度降至7.04 MPa,与未掺锡冶炼渣强度值9.5 MPa相比,降幅为25.9%。低灰砂比、低质量浓度,掺入同量锡冶炼渣对充填体试件抗压强度影响较小。经逐步回归分析得出充填体单轴抗压强度回归方程以及影响充填体强度大小的因素排序。锡冶炼渣掺量与灰砂比交互作用对充填体的强度影响较为显著。     

过硫钛石膏矿渣水泥的制备与性能表征

分别采用原状钛石膏渣和其与42.5号普硅水泥复合作为矿渣的单一激发剂和复合激发剂,制备出系列过硫钛石膏矿渣水泥,并对其性能进行了系统表征。结果表明：(1)原状钛石膏渣单独激发矿渣所制备水泥的早期抗压强度较低,28 d抗压强度随着钛石膏渣量的增加而降低,钛石膏渣量高于35%后,试样软化系数趋于降低;(2)原状钛石膏渣和42.5号普硅水泥复合作为矿渣的激发剂,所制备水泥的早期抗压强度（3 d）显著提高,其中加入5%42.5号普硅水泥量试样的28 d抗压强度最高,之后抗压强度随其增加而降低,42.5号普硅水泥量超过10%后试样的抗压强度降幅趋缓;(3)原状钛石膏渣和42.5号普硅水泥复合激发矿渣水泥的水化硬化产物,主要由CSH（水化硅酸钙）凝胶、钙矾石及过剩的钛石膏共同构成。     

利用矿渣和粉煤灰制备地聚物胶凝材料的正交试验研究

为研究矿渣和粉煤灰在地聚物制备中的应用,将不同配比的矿渣和粉煤灰混合后作为硅铝原料,经机械粉磨和激发剂激活后制备地聚物胶凝材料。正交试验研究了矿渣和粉煤灰的配比、水灰比和水玻璃模数3个因素对地聚物抗压强度的影响,并采用XRD、SEM对地聚物的微观结构进行分析。结果表明：当矿渣和粉煤灰配比为1:1、水灰比为0.4、水玻璃模数为1.2时,所制得地聚物28d龄期的抗压强度最高,达到68.45MPa。XRD和SEM分析表明：随着试样养护龄期的增长,生成更多的硅铝酸盐凝胶体,并且原料中部分晶相逐渐转化为非晶相,非晶相凝胶将未反应完的原料颗粒紧紧黏结在一起,使试样结构更致密,从而有利于抗压强度的提高。     

温压法制备碱矿渣复合摩擦材料性能研究

以硅酸钠碱激发矿渣为黏结剂,粉碎处理的钢纤维为增强纤维,石墨作为减摩材料,采用温压法制备碱矿渣复合摩擦材料.使用AG-10万能材料试验机、定速摩擦试验机、X射线衍射(XRD)仪、扫描电镜(SEM)等对碱矿渣复合摩擦材料的力学性能与摩擦性能进行研究.结果表明,当钢纤维体积掺量为3％时,碱矿渣摩擦材料的力学性能提高效果最佳...     

Effect of curing under pressure on compressive strength development of cemented paste backfill

The mechanical performance of cemented paste backfill (CPB) placed in underground openings (e.g., mine stopes) often differs from laboratory-predicted performance, even under the same atmospheric curing conditions (ambient temperature and relative humidity). This is probably due to the specific self-weight consolidation, different drainage conditions and confinement pressures encountered in the paste backfilled stopes. A new test system named CUAPS (Curing Under Applied Pressure System) was designed at the Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue (UQAT) to assess the hydro-mechanical performance of in situ CPB samples at laboratory scale. The CUAPS apparatus allows the effective curing of CPB samples subjected to an assortment of vertical pressure applications (curing under stresses) that can mimic in situ placement and consolidation conditions. The compressive strength development of CPB samples prepared from sulphide-rich mine tailings from Garpenberg polymetallic mine (Sweden) was investigated using CUAPS apparatus and conventional plastic moulds (unconsolidated undrained samples) in parallel. The effect of curing stress (i.e. simulating different consolidation conditions) on resultant geotechnical index parameters and hydromechanical properties of CPB samples was analyzed. The primary observation is the confirmation that the compressive strength development of the consolidated CPB samples is higher than that of unconsolidated undrained ones. It could be attributed to the removal of excess pore water mainly due to the applied pressure during the effective curing process, which seems to improve consolidation process of the CPB material. The results also account for the differences in the CPB strength observed between laboratory samples and in situ samples. Thus, CUAPS would be more suitable than conventional plastic moulds to collect data for preliminary and final design of CPB systems.     

Recovery of rare earth metals and precipitated silicon dioxide from phosphorus slag

This article presents the results of a study conducted to investigate the recovery of rare earth metals and precipitated silicon dioxide from phosphorus slag. To determine the possibility and completeness of the studied processes, thermodynamic data was obtained through the determination of the Gibbs energy and equilibrium constant of the reactions of calcium metasilicate with different reagents, namely sodium hydroxide and carbonate as well as nitric, hydrochloric, and sulphuric acids. This article also presents the results of studies on the treatment of phosphorus slags via hydrometallurgical methods using alkaline agents (sodium hydroxide and sodium carbonate) and nitric acid. The recovery of silicon in solution by the autoclave leaching of phosphorus slag using solutions of sodium hydroxide and sodium carbonate resulted in recovery efficiencies of 1.1% and 16.6%, respectively. The nitric acid treatment of phosphorus slag was studied, and the recovery efficiencies of various elements were the following: rare earth metals, 98.3–98.6%; aluminium, 96.5–98.6%; iron, 94.9–96.5%; and calcium, 99.1–99.5%. Nitric acid (46.5%) was selected as the phosphorus slag recovery agent. The cake produced after the nitric acid treatment of phosphorus slag was leached using two processes based on the use of a sodium hydroxide solution: (1) in a temperature-controlled cell under normal conditions and (2) in an autoclave. The process of leaching under normal conditions was determined to be the most effective process, resulting in an efficiency of silicon recovery into solution of 97.7%.     

磷石膏—磷渣基复合胶凝材料强度和水化特性研究

为实现磷石膏、磷渣固废材料的再生利用,提高工业固废的利用率,以磷石膏、磷渣作为主要原料,采用水玻璃、水泥熟料和磷石膏共同激发磷渣活性制备磷石膏—磷渣基复合胶凝材料。分别探讨磷石膏掺量、水玻璃掺量和磷渣粉磨制度对磷石膏—磷渣基复合胶凝材料强度的影响;并运用SEM、XRD分析磷石膏—磷渣基胶凝材料硬化体的微观结构及组成形貌。结果表明:磷石膏掺量低于50%时,复合胶凝材料各龄期强度与磷石膏掺量成反比;当m(磷石膏)∶m(磷渣)∶m(熟料)=20∶72∶8,水玻璃掺量为1.5%时,胶凝材料28 d抗压、抗折强度均达到最大值,分别为43、6.3 MPa;较单独粉磨磷渣与水泥熟料而言,混合粉磨制度会产生“微介质效应”,有利于提高复合胶凝材料强度;复合胶凝材料主要水化产物为C—S—H凝胶与钙矾石,钙矾石与未溶解的磷石膏作为骨架被生成的C—S—H凝胶包裹、充填、交织在一起,形成致密结构;复合胶凝材料用于替代水泥作为矿区充填材料时推荐磷石膏掺量为20%～40%。     

基于直剪试验的胶结充填体与岩石接触面力学特性研究

采场充填体与围岩接触面处的强度参数对研究采场充填体应力分布及其揭露稳定性具有重要意义。本文对全尾砂胶结充填体与花岗岩光滑面形成的充填体—岩石接触面试块进行了直剪力学试验研究,从充填体灰砂比（1:4、1:10和1:20）、养护龄期（7d和28d）及接触面法向应力（50kPa、100kPa和150kPa）、三个方面研究对比了接触面的剪切峰值强度和残余强度,探索了接触面的内摩擦角和黏聚力的相互关系。结果表明：充填体-岩石接触面的峰值剪切强度和残余剪切强度均随法向应力的提高而线性增加;接触面的峰值剪切强度随灰砂比、养护龄期的增加而显著提高,但接触面残余剪切强度随灰砂比和养护龄期的改变基本无敏感性;接触面的内摩擦角明显大于等配比和龄期充填体的内摩擦角,而接触面的黏聚力则小于等配比和龄期充填体的黏聚力,并得出了接触面内摩擦角和黏聚力分别与等配比和龄期充填体内摩擦角和黏聚力的线性相关换算关系。     

铁尾矿粉-硅粉矿物掺合料对混凝土性能的影响

将研磨后的铁尾矿粉末和硅粉分别按照3∶2和4∶1的比例制备了两种复合矿物掺合料替代水泥进行浆体和混凝土试样的制备。通过微观结构分析、强度和耐久性分析对铁尾矿-硅粉复合矿物掺合料浆体和混凝土的基本性能进行了研究,结果表明：随着复合矿物掺合料掺量的增加,试样的水化反应放热量、抗压强度、劈裂抗拉强度和冻融耐久性均逐渐降低;且加入铁尾矿粉可使的硬化浆体试块孔隙结构变大,导致混凝土的抗压强度和冻融耐久性降低;但增加硅粉的掺量可以提高试样的水化反应强度,降低Ca(OH)₂的含量,且硅粉水化反应生产的C-S-H凝胶也可以细化孔结构,从而改善混凝土的微观特性、抗压强度、劈裂抗拉强度和冻融耐久性;弥补铁尾矿粉对混凝土性能的负面影响。整体上,改性混凝土的抗压强度在普通混凝土抗压强的85%以上,能满足工程要求。     

钢渣——矿渣复合胶凝材料的制备及胶凝活性激发试验研究

为了提高钢渣和矿渣的高附加值利用率以及钢渣在胶凝材料中的掺量,研究了钢渣与矿渣掺量、质量比和胶凝活性激发方式对复合胶凝材料抗折、抗压强度的影响,并采用X射线衍射、扫描电镜和热重分析等检测手段探究了钢渣—矿渣复合胶凝材料的水化机理。结果表明:钢渣矿渣掺量为80%、钢渣矿渣质量比为5∶5、钢渣粉磨时间为80 min(比表面积为509 m²/kg)时,钢渣—矿渣复合胶凝材料的28 d抗折强度为7.3 MPa、抗压强度为31.3MPa;选取Na OH、Na₂CO₃、Na₂SO₄和水玻璃为激发剂对胶凝材料活性进行激发,只有水玻璃提高了复合胶凝材料的活性,且当水玻璃模数为2、Na₂O当量为4%时,其28 d抗折强度为8.4 MPa、抗压强度为43.0 MPa。分析水玻璃激发胶凝材料的水化产物发现:其微观形貌紧实致密,生成的C—S—H凝胶、Ca(OH)₂和Aft相互交织,提高了胶凝材料的强度。     

碱激发钢渣-矿渣混凝土的性能研究

为研究钢渣对碱激发钢渣矿渣混凝土性能的影响,通过测试不同水胶比及钢渣掺量时碱激发钢渣矿渣混凝土的力学性能和耐久性能,结合SEM微观测试,分析了钢渣与矿渣的相互作用。结果表明,0.40~0.45水胶比对碱激发钢渣矿渣混凝土抗压强度的影响不大,而钢渣掺量显著影响其各龄期抗压强度;钢渣与矿渣质量比为4∶6时混凝土强度达到C60等级,干燥收缩率接近普通混凝土,抗碳化性能较碱矿渣混凝土有一定程度的提高;钢渣与矿渣相互促进水化,形成结构更加密实,有助于强度和耐久性能的提高。     

镍渣—粉煤灰基地质聚合物力学性能及耐久性能的研究

作为新型胶凝材料,地质聚合物应用前景广阔,而利用镍渣制备地质聚合物对实现固废综合利用有重要意义。通过硅酸钠和氢氧化钠复合碱溶液活化制备了镍渣—粉煤灰基地质聚合物,探讨了粉煤灰掺量对地质聚合物力学性能、抗冻性能、抗海水侵蚀性能的影响,并结合XRD、SEM及孔结构分析等手段阐明变化规律。结果表明:(1)粉煤灰的引入,提高了地质聚合物的强度;当粉煤灰掺量为10%时,力学性能最优,7、28 d抗压强度分别为37.2、42.5 MPa,相比空白组试样分别提高了21.97%和17.40%。(2)适量粉煤灰的掺入能够进一步降低地质聚合物在冻融循环、干湿循环中的抗压强度损失及质量损失。当掺入10%粉煤灰时,50次冻融循环后试样的抗压强度损失率、质量损失率分别为24.7%、14.9%,50次干湿循环后的抗压强度损失率为21.5%。(3)粉煤灰对碱激发的反应有益,增加了反应产物;同时,粉煤灰更小的颗粒粒径,对地质聚合物提供了更好的填充效应。研究结果可为镍渣—粉煤灰基地质聚合物的开发及相关耐久性能问题的探索提供参考。     

铅锌冶炼废渣和尾矿制备地聚合物的研究

以铅锌冶炼废渣、尾矿为主要硅铝原料制备了地聚合物,首先对冶炼废渣和尾矿进行预粉磨,以提高其活性,再与复合激发剂水玻璃和脱硫石膏混合后粉磨,通过压制成型工艺制得地聚合物试样。实验结果表明:当水玻璃掺量为14%,脱硫石膏掺量为8%时,所制得的地聚合物胶凝材料3d、7d和28d龄期抗压强度均最高,分别达到24.67MPa、27.69MPa、32.81MPa。SEM、XRD和FT-IR分析表明:以铅锌冶炼废渣和尾矿制得的地聚合物,其微观结构致密性好,无定形的凝胶与未反应的原料颗粒界面黏结牢固,并有针状钙矾石穿插其中,从而有助于强度的提高。     

3D打印地聚合物层间黏结强度及力学各向异性研究

3D打印地聚合物是一种兼具资源化利用及智能建造的新型建筑材料,其试件各方向上的力学性能和层间的黏结强度是影响建筑可建造性和耐久性的重要因素。以粉煤灰、石英砂为主要原材料,无水硅酸钠为碱激发剂,矿粉为辅助性胶凝材料,硅酸镁铝为专用外加剂,制备了3D打印粉煤灰基地聚合物砂浆;在最适宜掺量和配比下,3D打印出粉煤灰基地聚合物3D打印试件,研究了其层间黏结强度与抗拉强度,并且通过力学性能及超声波速表征其力学各向异性性能。     

矿用环保型防灭火材料—电石渣泡沫的实验研究

实验研制电石渣泡沫是一种多功能三相凝胶泡沫,利用泡沫的高含水性、窒息性以及封堵特性实现了对采空区煤火灾害的防治;利用泡沫的强碱性可以吸收CO2等酸性有毒有害气体。本实验在强碱性环境下测试了3种发泡剂α-烯烃磺酸钠(AOS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)及其复配对泡沫发泡性的影响,得出了复配的最优配比;同时研究了不同稳泡剂聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)对泡沫稳泡性的影响;此外,综合分析了不同水灰比对泡沫性能的影响。最后通过煤自燃特性综合测试系统和X-射线衍射实验验证了电石渣泡沫对煤样有一定的阻化效果,对CO2有明显的吸收效果。