铅锌尾矿新型胶凝材料的制备与性能

由于资源需求的快速增长，采矿正由地表向地下深层发展。充填采矿法由于其在提高资源回采率，防止地质灾害和减少尾矿处理费用等方面的优势，已经成为地下开采的主要方式。现在使用的胶结充填方式，其成本主要来源于购买胶凝剂，占整个采矿成本的1/3左右。所以，性能好、价格低的胶凝材料成为提高矿山经济效益的重要因素。

胶凝材料主要有水泥、高水固结材料、水泥+矿渣、新型胶凝材料等几种类型，而水泥是目前大多数矿山使用的胶凝剂。南京某铅锌矿使用水泥为胶凝材料，实际充填存在以下技术难题，其全尾矿中含泥量高、力学性能差，难以固化且抗压性能差；尾矿颗粒细，水的表面张力大，颗粒间含水量高，也不易于固化、早强较差。实际充填只能通过提高胶凝剂与尾矿的充填比例来解决这些技术难题，导致了充填成本变高。所以，为解决上述关键技术问题，进行了低成本、符合生产要求的新型胶凝材料的制备研究。

高炉熔炼生铁时产生的浮在铁水表面的熔融物，经过水淬急冷处理，成为灰色颗粒状态，质地疏松多孔，即为水淬渣。选用马鞍山石溪野生产的水渣作为原料，主要活性成分为SiO₂(28.90%)、MgO(7.65%)、CaO(41.71%)、Al₂O₃(14.80%)。

水淬渣的活性激发过程分为物理活化和化学激发。物理活化是通过研磨使其达到足够的细度，研究表明水淬渣粒度越细活性越高，其粒径在30μm左右即能展现很高的活性，当其粒径小于10μm的质量分数越大，对早期强度越有利。化学激发则是通过添加碱性激活剂，与其混合磨细，激发其潜在的水化胶凝性能。

试验原材料有水淬渣、激发剂、烘干的尾矿及水。

2.1.1水淬渣

选用已经磨细的水淬渣(以下简称微粉)，通过马尔文2000激光粒度仪分析其粒度可知，微粉粒径基本在100μm以下，30μm以下的质量分数达到69.51%，满足试验要求。

2.1.2激发剂

通过试验室前期试验优化出符合工程需要的化学激发剂，其主要成分为碱性化学原料及少部分早强剂和助磨剂等。

2.1.3细粒全尾砂

试验用的尾砂为南京银茂铅锌矿尾砂，尾砂的主要化学成分为Al₂O₃、SiO₂、F₂O₃;粒径-20μm细泥质量分数达到36.48.而-37μm尾砂质量分数高达56.27%，可见该尾砂粒度超细。

将水淬渣、激发剂混合磨细至比表面积为5000c㎡/g以上的混合体，即为新型胶凝材料，然后按要求进行试验，试验同时设计了矿用425水泥作为对比胶凝材料的试验，胶结剂(含新型胶凝材料和水泥)加水和尾砂混合均匀后按照国标GB177—85水泥胶砂试验方法进行搅拌，注入70.7mm×70.7mm×70.7mm标准三联试模中，并放入养护箱中养护，养护箱中设定温度为(20±1)℃、湿度为92%以上，24h脱模后继续养护，最后测定不同龄期试件的单轴抗压强度。

养护龄期对充填体试块抗压强度的影响和分析。对不同养护龄期的试块进行抗压强度测试，能够直接反映出固化剂对尾矿的固化情况，对指导生产有着重要的意义。不同养护龄期充填体试块抗压强度测试结果见表5。

由表5可知，在新型胶凝材料用量只要水泥一半的情况下，新型胶凝材料充填体虽然3d的抗压强度(满足矿山要求)略低于水泥充填体，但是7d和28d的抗压强度均大于水泥，特别是28d的抗压强度，优势明显。

(2)浓度对充填体试块抗压强度的影响和分析。向尾矿中加入不同量的水，配成不同浓度的矿浆，再按比例加入胶凝剂，考察不同尾矿浓度对充填体强度的影响，试验测试结果见表6。

由表6可知，在新型胶凝材料用量只有水泥一半的情况下，养护龄期为28d时，新型胶凝材料充填体在不同尾矿浓度时其抗压强度均大于水泥充填体;可见，新型胶凝剂比水泥有着更良好的胶凝固化能力。

新型胶凝材料属于碱激发矿渣胶凝材料，即利用活性化学激发剂激发水淬渣的潜在胶凝性能。石灰与水反应形成Ca(OH)₂.水淬渣中的SiO₂、Al₂O₃将与Ca(OH)₂反应形成水化产物CaO·SiO₂·aq和CaO·Al₂O₃·aq。固化剂的水化物包围尾矿颗粒，在这些水化物中有的自行继续硬化形成骨架，有的与尾矿颗粒作用生成络合物，最终相互连接形成稳定的空间网状结构，从而增强尾矿颗粒间的黏结强度和稳定性。

新型胶凝剂相比水泥用量少，且胶凝性能优于水泥，能够解决颗粒细而导致的尾矿难以胶结及胶结强度不高的问题。既能有效降低采矿充填成本，又可保证矿山在安全开采的前提下增大尾矿的处理量，减少尾矿排放，减少地表尾矿库的堆存量，降低尾矿库的潜在危险，提高了资源利用效率，社会效益显著。该固化剂利用工业废料为主要原料，原料充足，可长期有效保证固化剂低成本优势。