新型尾砂固结材料制备及其应用的研究

摘要

尾砂是井下开采矿石经浮选后排出的固体废弃物，如果将尾矿浓缩处理后全部回填到井下采空区，不仅可以节省地表尾砂库的建设投资，而且可避免环境污染，同时可以有效地控制矿山开采造成的环境压力，保证采矿的正常进行，提高矿物回采率，因此在技术经济、环境保护等方面具有重要意义。
　　 在本课题主要就激发剂对矿渣的激发效果和碱矿渣水泥对尾砂的固化效果进行了实验室研究，并通过与PO32.5水泥对尾砂的固化效果相比较，来评价碱矿渣水泥对尾砂的固化性能。
　　 就硅酸盐水泥对尾砂固化效果的研究表明，影响水泥-尾砂-水体系浆体流动性的主要因素是浆体浓度，与水泥掺量的关系不大。浆体的流动性随着浆体浓度的减小而提高，水泥-尾砂固化体强度随浆体浓度的提高、水泥掺量的增加和养护龄期的延长而提高，采用高等级水泥固化效果优于低等级水泥。
　　 通过碱矿渣水泥制备的研究得到，以水玻璃为激发剂制备的碱矿渣水泥具有较高的强度，水玻璃M=1.2，掺量为12％的碱矿渣水泥的3天、7天和28天的强度分别是66.4MPa、73.1MPa.和83.0MPa。水玻璃的最优掺量随着水玻璃模数的不同而变化。适量铝酸钠与水玻璃的复合添加，不但可以提高碱矿渣水泥的强度，还可以在一定程度上延长水泥的凝结时间。试验结果显示，水玻璃M=1.2，掺量为14％，铝酸钠掺量为0.5％的碱矿渣水泥3天、7天和28天的强度分别是70.2MPa、70.4MPa和99.8MPa，初凝时间为38min，终凝时间为51min，而水玻璃M=1.2，掺量为12％的碱矿渣水泥初凝时间为28min，终凝时间为42min。
　　 对碱矿渣水泥对尾砂的固化效果的研究发现，碱矿渣水泥作为尾砂胶结材时比PO32.5水泥.尾砂浆体流动性好，在同样流动性条件下，碱矿渣水泥-尾砂-水体系浆体浓度要比PO32.5水泥-尾砂-水体系的浆体浓度高2-3个百分点；以碱矿渣水泥作为胶结材时，固化体强度的发展速度比PO32.5水泥-尾砂固化体强度发展快；在水泥掺量，浆体浓度一样的情况下，两者的早期强度相当，但是前者具有较高的后期强度。在水泥掺量、浆体流动性一样的情况下，碱矿渣水泥-尾砂固化体强度比PO32.5水泥-尾砂固化体强度高。碱矿渣水泥-尾砂固化体早期强度除了受本身强度影响外还和水泥的凝结时间有关，在碱矿渣水泥本身强度相同的情况下，凝结时间快的固化体早期强度较高。
　　 根据碱矿渣水泥水化硬化浆体的综合热分析，水玻璃激发矿渣所生成的水化产物主要是水化硅酸钙，而以生石灰和碳酸钠为激发剂的水化产物除水化硅酸钙外，还掺有部分CaCO3。根据碱矿渣水泥水化硬化浆体的27Al-NMR分析，激发剂种类和激发剂掺量以及养护龄期对铝氧存在的形态不造成影响。以水玻璃为激发剂，29Si-NMR谱峰表现为Q0-Q2的裂解宽化谱峰，M=1.0和M=1.2时，随着养护龄期的增长，晶形趋向完整，M=1.5时，则晶形趋向多样化。以生石灰和碳酸钠为激发剂时，29Si-NMR谱峰表现为结构主峰化学位移为-70ppm的宽化谱峰，为Q0-Q2的硅氧四面体聚合存在形态。随着养护龄期的增长，峰形趋向尖锐，说明硅氧网络骨架趋向完整。