基于矿冶废渣制备充填专用胶凝材料研究

本文首先测定了矿冶废渣及原材料的基本化学性质,并根据测试结果研发了复合型强碱性激发剂,用于激发矿冶废渣活性,从而制备出适用于矿山充填专用胶凝材料;通过XRD测试了充填专用胶凝材料硬化体中的水化反应产物,结果表明支撑充填体强度的主要物质为钙矾石(AFt)和氢氧化钙(CH)、铝胶(AH_8-10)、水化硅酸钙(C-S-H)、水化硅铝酸钙(C-A-S-H)等。一个钙矾石(AFt)分子形成会结合和吸附32个H₂O分子,表明矿山充填专用胶凝材料更适合含水量较大的尾砂充填料浆。同时采用SEM分析了不同龄期充填硬化体内部结构,揭露了充填硬化体强度增长规律,并分析了各阶段硬化体产生强度的机理;通过强度试验测试了不同条件下两种胶凝材料充填体强度,结果表明充填专用胶凝材料(KS)制备的充填体强度指标高于水泥(SN)制备的充填体强度,强度值相差1倍。     

苯丙乳液改性水泥基充填胶凝材料性能研究

为解决某金矿采用细粒级尾砂充填造成的料浆泌水率高、和易性差、充填体质量低等问题,研究采用苯丙乳液作为改性剂,对比分析了不同掺量的苯丙乳液对水泥基充填胶凝材料性能的影响.研究发现,随着苯丙乳液掺量的增加,充填料浆流动度、坍落度、稠度及各龄期抗压强度均呈先上升后降低的趋势,泌水率呈先降低后上升的趋势.苯丙乳液掺量为２％是其性能变化拐点,此条件下,充填料浆流动度、坍落度、稠度分别提高了２０％、１７．１４％、５．１％,泌水率降低了２８．０４％,充填体１d、３d、７d、２８d抗压强度分别增加２５％、１８．６８％、２４．２３％、２４．６８％,充填料浆和易性和力学性能均满足矿山采场充填需求.借助SEM 扫描电子显微镜观察不同掺量苯丙乳液改性下充填体微观结构形貌,研究发现,充填体主导水化产物为针棒状钙矾石和团絮状水化 C—S—H 凝胶,当水化体系中未掺加苯丙乳液时,微观结构形貌呈交联蜂窝状,相邻产物间的大孔洞数量较多;随着苯丙乳液掺量的增加,乳液 中 的 活 性 集 团 与 液 相 中 游 离 的 Ca２＋ 、Si４＋ 和Al３＋ 结合形成新化学键,增加了结构聚合度,微观形貌由稀疏的蜂窝状结构转变为堆积密实度较高的层状,钙矾石与C—S—H 凝胶交错搭接将骨料颗粒联结成整体,使充填体具有较高的力学性能。     

磷石膏复合水泥基充填料的制备及其强度性能研究

基于“绿色矿山”的理念,选用磷石膏、水泥与尾砂等矿物固废制备充填料,开展流动性、泌水率和强度性能的测试,结合 X射线衍射和扫描电镜技术测试矿物成分与微结构特征,最后对充填料水化机理进行了初步探究.结果发现:水泥基充填料在膏体质量分数为７２％~７５％且减水剂浓度为０．２mol/L时,坍落度和泌水率指标可以满足浆料泵送的要求;磷石膏改性作用使得水泥基充填料的早期强度显著上升;磷石膏掺量为１５％时材料的无侧限抗压强度最高;层状水化硅酸钙与针状钙矾石为磷石膏复合充填料中的主要水化产物;磷石膏的改性使得水化反应早期的水化硅酸钙和钙矾石含量提高,形成致密结构,从而加速了材料早期强度的形成.     

低品质矿渣协同粉煤灰制备充填胶结料及参数优化研究

针对尾砂充填成本高、固结效果差的问题，本文采用低品质矿渣、粉煤灰等活性材料制备充填胶结料，并对料浆参数进行优化，以期在满足充填要求的前提下，降低充填成本。首先对实验材料进行物化特性分析，采用正交实验和极差分析确定胶结料配比，并分析其水化机理；其次以料浆配比实验分析了胶砂比、质量浓度对充填体强度、料浆流动性和稳定性的影响；最后采用多属性决策模型对料浆参数进行优化，获得了满足矿山要求的料浆优化参数。研究结果表明：低品质矿渣复合胶结料配比为熟料8%、脱硫石膏14%、粉煤灰10%、矿渣68%,熟料水化促进矿渣和粉煤灰水解，并发生水化生成大量凝胶，在脱硫石膏作用下生成少量钙矾石，随着水化产物增多，强度逐渐增加；充填体强度均随着料浆质量浓度和胶砂比的提高不同程度增大，塌落度和泌水率均随着浓度和胶砂比的提高逐渐减小；充填料浆优化参数为胶砂比1∶4,质量浓度70%。通过实验验证，充填料将满足矿山要求。     

玲珑金矿胶结剂固结尾砂的微观实验

为探究玲珑金矿胶结剂在不同条件下对尾砂固结过程的影响,参照普通硅酸盐水泥,设 计了一系列不同灰砂比、料浆质量浓度和养护龄期的充填体试块,进行力学实验测定其单轴抗压 强度,并借助XRD、SEM对尾砂充填体物相组成和微观形貌进行分析。 结果表明:胶结剂水化反 应会产生钙矾石和C—S—H凝胶,促使尾砂充填体固结硬化;养护龄期、灰砂比会影响水化产物 中的钙矾石和C—S—H凝胶的含量及其形态的发展,养护龄期和灰砂比的增大,水化产物含量 增加,彼此搭接形成致密的网状结构,宏观上表现为强度的提高;料浆质量浓度则会影响试块的 孔隙结构,从而影响强度。     

高分子乳液对水泥基充填材料性能的影响

为解决水泥基充填材料存在的流动性差、强度低的问题，提出以高分子乳液改性其性能。对比研究了苯丙乳液、纯丙乳液、VAE乳液3种乳液对充填料浆流动性能和力学性能的影响，采用SEM扫描电镜观测微观结构形貌。结果表明：2%掺量的苯丙乳液和6%掺量的纯丙乳液对浆体流动度具有促进作用；VAE乳液则增加了浆体黏度，但对充填体抗压强度和抗折强度的改性效果优于苯丙乳液和纯丙乳液，当VAE乳液掺量为10%时，充填体3 d、7 d抗压强度和抗折强度达最大值为12.82 MPa、16.55 MPa和4.37 MPa、5.63 MPa;当VAE乳液掺量为6%时，28 d抗压强度和抗折强度达最大值为16.25 MPa和5.63 MPa。苯丙乳液对充填体的抗拉强度改性效果最好，当苯丙乳液掺量为10%时，充填体3 d、7 d和28 d抗拉强度达最大值为1.77 MPa、2.55 MPa、2.91 MPa。随着水化龄期的延长，聚合物乳液改性充填体微观结构形貌由细针状钙矾石和絮状C-S-H凝胶发育为短棒状和团聚状，水化产物与乳胶颗粒构筑成紧密结合的有机-无机三维互穿网状结构，填充至骨料基体孔隙之间，使充填体具备良好的宏观力...     

胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰固化机理研究

为确定低成本、安全、高效处置危废城市垃圾焚烧飞灰(MSWI)的方法,以钢渣微粉、矿渣粉、脱硫石膏、垃圾焚烧飞灰和尾砂为充填材料,进行了砂浆流动性能和胶结充填料强度试验,根据胶结充填料强度确定了胶凝材料的最优配比,并通过X射线衍射(XRD),红外(FTIR)和扫描电镜(SEM)分析了净浆试块的微观结构和水化产物。试验结果表明,当垃圾焚烧飞灰掺量为15%、钢渣微粉掺量为4%、脱硫石膏掺量为14%、矿渣粉掺量为67%时,料浆的流动度为260 mm,满足自流型胶结充填的流动性需求,充填料试块28 d的抗压强度为24.54 MPa,满足矿山充填强度要求;充填料试块养护28 d重金属离子浸出浓度全部低于饮水标准;冶金渣-垃圾焚烧飞灰胶凝材料水化产物主要有钙矾石、C—S—H凝胶和Friedel盐。     

高硫尾矿充填体强度演化规律及其机理分析

针对国外部分金属矿山由于脱硫工艺及运输成本高等原因倾向于直接使用采选后的高硫尾矿(含硫量 >30%)用作充填材料的现象,采用全面法试验设计,研究灰砂比和料浆浓度对高硫尾矿充填体的长期强度影响规律, 并通过 XRD 和 SEM 等方法对高硫尾矿充填体中水化产物和微观结构进行微观机理分析,判断高硫尾矿是否适合直 接用作充填材料。 结果表明:灰砂比和料浆浓度对充填体强度影响非常明显,提高灰砂比或料浆浓度能够明显增大 充填体强度。 当料浆浓度为 72%和 74%时,充填体长期强度损失率随着灰砂比的提高先增大后减小;当料浆浓度为 76%时,充填体长期强度损失率与灰砂比则成正比关系。 在 1 ∶24 灰砂比条件下,74%浓度料浆和 76%浓度料浆的充 填体长期强度损失率相近;在 1 ∶12 灰砂比条件下,充填体长期强度损失率随着料浆浓度的提高先增大后减小;在 1 ∶8 灰砂比条件下,充填体长期强度损失率与料浆浓度成反比。 XRD 及 SEM 研究结果显示充填体水化反应中除了含有 大量未反应的黄铁矿,还会生成石膏和少量钙矾石等膨胀性产物,不仅会造成 C—S—H 凝胶发生脱钙现象,还会引起 充填骨架出现裂隙,导致充填体长期强度的减小。 因此,矿山使用高硫尾矿进行充填必须考虑充填体在不同龄期的 劣化程度,以及是否满足该龄期下的强度要求。     

基于超细粒级尾砂的水泥基充填复合材料性能研究

为提高超细粒级尾砂消纳量，降低充填成本，以尾砂替代部分水泥，研究尾砂取代率、粉煤灰掺量和偏高岭土掺量对复合充填材料流动性能、抗压强度、抗氯离子渗透能力、抗硫酸盐侵蚀性能及抗冻融性能的影响。研究结果表明：料浆流动度和抗压强度与尾砂取代率呈负相关，粉煤灰能够改善料浆流动性能，对充填体早期强度具有削弱作用，对后期强度的发展具有改善效果，当粉煤灰掺量为12%时，28 d和90 d抗压强度分别达最大值，为8.03 MPa和8.92 MPa;偏高岭土能够吸附自由水，加速水化反应进程，对料浆具有明显的增稠作用，促进C-S-H凝胶成核，改善充填体内部孔细结构，阻断氯离子传输通道，提高充填体力学性能和抗氯离子渗透性能；在硫酸盐和温度协同侵蚀作用下，充填体试块质量和抗压强度均呈先升高后降低的趋势，钙矾石和石膏的生成，增加了试块质量和抗压强度，但过量的钙矾石导致结构挤压膨胀，充填体出现损伤劣化；随着冻融循环次数的增多，充填体质量损失率和强度损失率逐渐增大，低温降低了水化反应速率，冰晶的膨胀作用，导致水化产物对骨料颗粒的黏结包裹作用减弱。     

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。     

高官营铁矿高强度新型胶凝材料研究

针对高官营铁矿超细全尾砂,以唐山周边地区的水泥、石灰、脱硫石膏和矿渣为原料,开展了替代水泥的高强度低成本新型充填胶凝材料研究。采用正交试验设计进行了水泥、石灰和脱硫石膏胶凝材料胶结体强度试验。极差分析显示,新型胶凝材料胶结充填体7 d强度影响因素重要程度排序为水泥、石灰、脱硫石膏。充填体7 d强度优化配方为水泥3.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为2.79 MPa,约为32.5R水泥的5.3倍。胶结充填体28 d强度影响权重与7 d强度影响权重相反,28 d强度优化配方为水泥4.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为5.04 MPa,约为32.5R水泥的4.5倍。通过SEM电镜分析得出,新型胶结材料的主导水化产物为钙矾石和C-S-H凝胶,胶结充填体强度的提高是这两种水化产物不断形成与发育的结果。砂浆流变特性试验说明,砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填料浆达到了宾汉体流体状态,适合进行料浆管道输送。现场工业试验表明：胶砂比为1∶5、砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填体28 d强度为4.91 MPa,满足充填进路下部充填体28 d强度大于4 MPa的设计要求,与室内试验结果的误差为2.6%,说明室内试验得到的测试数据可靠度较高,并且在强度性能和接顶率方面较32.5R水泥效果更佳,为矿山进行安全高效充填作业提供了有力保障。     

高官营铁矿高强度新型胶凝材料研究

针对高官营铁矿超细全尾砂,以唐山周边地区的水泥、石灰、脱硫石膏和矿渣为原料,开展了替代水泥的高强度低成本新型充填胶凝材料研究。采用正交试验设计进行了水泥、石灰和脱硫石膏胶凝材料胶结体强度试验。极差分析显示,新型胶凝材料胶结充填体7 d强度影响因素重要程度排序为水泥、石灰、脱硫石膏。充填体7 d强度优化配方为水泥3.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为2.79 MPa,约为32.5R水泥的5.3倍。胶结充填体28 d强度影响权重与7 d强度影响权重相反,28 d强度优化配方为水泥4.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为5.04 MPa,约为32.5R水泥的4.5倍。通过SEM电镜分析得出,新型胶结材料的主导水化产物为钙矾石和C—S—H凝胶,胶结充填体强度的提高是这两种水化产物不断形成与发育的结果。砂浆流变特性试验说明,砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填料浆达到了宾汉体流体状态,适合进行料浆管道输送。现场工业试验表明：胶砂比为1∶5、砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填体28 d强度为4.91 MPa,满足充填进路下部充填体28 d强度大于4 MPa的设计要求,与室内试验结果的误差为2.6%,说明室内试验得到的测试数据可靠度较高,并且在强度性能和接顶率方面较32.5R水泥效果更佳,为矿山进行安全高效充填作业提供了有力保障。     

人工鱼礁用钢渣混凝土胶凝材料的水化特性

以鞍钢-0.088 mm热闷法钢渣和鞍钢高炉矿渣为胶凝材料的主要组分,以鞍钢0.088~19 mm热闷法钢渣为骨料,制备出了具有较高强度的人工鱼礁用钢渣混凝土。通过X射线衍射分析、场发射扫描电镜分析、差热分析和红外吸收光谱分析对胶凝材料的水化特性进行研究,结果表明：该胶凝材料在水化初期生成大量低碱度水化硅酸钙凝胶和少量钙矾石,水化硅酸钙凝胶是混凝土早期强度的主要来源;而随着水化进程的延续,水化硅酸钙凝胶的继续发展和不断增多、长大的钙矾石对体系空隙的充填则共同使混凝土的后期强度得到进一步的提高。     

矿渣基胶凝材料充填试验及胶结体微观结构演化研究北大核心

采用矿粉-水泥复合胶凝材料作为胶结剂,细尾砂作为骨料,开展了不同浓度、砂灰比下充填流动度、泌水率、沉缩率及抗压强度试验。利用扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、压汞(MIP)对特定养护龄期下充填体中水化产物种类、分布及孔结构变化进行了表征。结果表明:充填浓度的提高,料浆流动度、泌水率及沉缩率明显降低,而砂灰比对其影响相对较小。充填浓度66%~72%时,料浆流动度为16.1~27.1cm,满足充填泵送及自流输送流动度要求;充填浓度74%时,料浆流动度仅为12.25~13.40cm,且泌水率及沉缩率均较小,不适宜于输送。充填体抗压强度随充填浓度的提高而增加,随砂灰比的提高而下降。养护早期(3d),充填体强度普遍较低,但后期强度发展较快,尤其是28~60d仍有一定幅度的增长。矿粉在水泥碱环境作用下持续发生火山灰反应并生成大量水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)等产物细化了充填体内部孔径,增加了体系密实程度是导致充填体强度稳定增长的重要原因。     

基于响应面法的煤矸石胶结充填体抗压强度试验研究

煤矸石胶结充填可有效控制煤矿开采造成的地表沉陷,减少环境破坏。为研究细矸率、水泥掺量和料浆质量浓度对充填体抗压强度的影响规律,优化充填材料配比,在单因素试验基础上采用响应面法设计3因素17组配比试验,构建响应面回归模型并计算优化配比,为工程上获得合理充填材料配比提供科学方法。研究表明:单因素对充填体抗压强度的影响大小依次为料浆质量浓度、水泥掺量、细矸率;细矸率和料浆质量浓度交互作用对充填体早期抗压强度影响较小,水泥掺量和料浆质量浓度交互作用对充填体中后期抗压强度影响最大;为满足充填强度要求（一般≥5.0 MPa）,经模型优化确定充填料浆最佳配比为m（煤矸石）︰m（粉煤灰）︰m（水泥）︰m（水）=50%︰22%︰8%︰20%,细矸率为52%时,充填体28 d抗压强度为5.07 MPa,验证试验误差范围在2%左右,模型精准可靠;水泥水化生成Ca(OH)₂激发粉煤灰和煤矸石活性物质生成钙矾石（AFt）和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶,随着龄期不断增长对胶凝体系起到了良好的连接作用,网状结构更加稳定,能有效提高充填体抗压强度。      

粉煤灰-脱硫石膏充填材料性能及微观结构研究

为了有效处理电厂两大工业废渣粉煤灰和脱硫石膏,实现火电厂固废资源化利用。将粉煤灰和脱硫石膏与生石灰、水泥以适当比例混合,通过开展泌水率、流动度、单轴抗压试验、X射线衍射、扫描电镜等实验,综合考虑流动性能和力学性能,得到适宜煤矿充填的粉煤灰-脱硫石膏充填材料配比方案。结果表明：粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、水泥以3:1:1:1配比时,该矿物掺和料料浆流动度可达300mm以上、泌水率为4.71%。充填体7d抗压强度大于3MPa,28d抗压强度高于4MPa;随着粉煤灰与脱硫石膏比例的增加,7d强度逐渐增大,28d强度呈现先增大后减小的规律。粉煤灰-脱硫石膏充填材料水化产物主要包括钙矾石、水化硅酸钙、水合碳酸铝钙、石膏。水化产物会填充充填体内部的孔隙结构,宏观表现为提高了充填体强度。     

钼尾矿复合胶凝材料的制备及其水化机理研究

为了促进固体废弃物的资源化利用,解决尾矿堆积带来的环境、安全问题,并提供相应的理论依据,以钼尾矿为主要原料制备复合胶凝材料,通过粒度分析、力学性能测试、X射线衍射（XRD）和扫描电镜 （SEM）等测试手段,研究了钼尾矿磨矿时间和掺量对胶凝材料性能的影响及复合胶凝材料的水化机理。结果表明：①当钼尾矿粉磨时间为80 min,比表面积为500 m2/kg,其28 d活性指数接近1.2;钼尾矿掺量为40% ,胶砂比为1∶3,水胶比为0.5时,所制备的复合胶凝材料胶砂块28 d抗压强度为52 MPa。②复合胶凝材料水化反应初期,主要生成水化硅酸钙和钙矾石,为胶砂块提供了早期强度,水化反应后期主要产物为C—S—H 凝胶、水化铝酸钙及钙矾石（AFt）,尾矿残余颗粒及水化产物的凝聚效应为胶砂块强度提供了保障。     

石膏-矿渣-石灰复合胶凝体系早期水化作用机理

以石膏、矿渣、生石灰为主要原料制备矿山充填复合胶凝材料,采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、同步热分析仪(DSC-TG)等微观分析手段探究复合胶凝材料水化产物的作用机理。研究表明:通过极差分析和方差分析获得复合胶凝材料最佳工艺参数为生石灰添加量20%、石膏添加量1.0%、胶砂质量比1∶6、料浆浓度72%。复合胶凝体系的水化产物以钙矾石(AFt)和C-S-H凝胶为主,在生石灰和石膏的协同激发作用下,矿渣中玻璃体网络结构逐渐解聚,伴随水化反应的进行,钙矾石和C-S-H凝胶的生成量不断增加,交错黏结填充于浆体孔隙中,将骨料紧密联结成整体,提高了浆体结构密实性,是充填体早期强度的主要来源。