爐渣膠凝材料配比優選及充填體性能

馬麟 ，高天宇

（1.四川省冶金設計研究院，四川 成都 610041；2.西部礦業股份有限公司，青海西寧 810000）

礦產資源的開發利用在國民經濟中起重要作用，但近年來隨著礦產資源的大量開采，采空區數量急劇增加，由此引發的地表沉降和圍巖失穩等安全問題突出[1]。選礦技術快速發展使尾礦粒徑越來越細，以及排放量陡增，給尾礦庫的長期安全穩定性帶來巨大的挑戰，引發的生態破壞和環境污染等問題也日趨嚴重[2]。隨著國家綠色礦山建設政策的貫徹落實，對生態建設、環境保護和安全生產要求日益提高，充填采礦法在金屬非金屬礦山被廣泛應用[3]。充填采礦法不僅能有效解決采空區圍巖變形、地表沉陷，減少尾礦堆存帶來的安全和環境污染問題而且有助于提高采礦的效率和礦石的回收率，降低礦石的損失與貧化[4]。目前，充填成本在采礦總成本中占有比例約為50%，而膠凝材料費用在充填成本中占有比例超過70%，嚴重影響了礦山企業的經濟效益[5]。爐渣作為一種工業廢渣，具有一定的膠結特性，在充填法中大量應用爐渣既能保護生態環境又能提升資源回收利用率降低充填成本[6]。近年來，國內學者對爐渣膠凝材料開展了諸多研究[7-9]，根據前人的理論分析，得出堿性爐渣可以作為膠凝材料，但是對于爐渣作為膠凝材料的配比方案對尾砂充填體強度、泌水率和凝結時間的影響研究較少?；诖?，本文采用全面實驗法開發了適合某鉛鋅礦山充填采礦的爐渣膠凝材料，降低該礦的充填成本，解決礦山水泥充填體后期強度不足引起的充填質量問題，為其他礦山提供借鑒。

1 實驗材料

1.1 全尾砂

某鉛鋅礦全尾砂的比重為2.736 t/m3，采用馬爾文MS3000 型激光衍射粒徑分析儀分析全尾砂的粒徑，其粒徑級配累計曲線見圖1。由表1 可知，全尾砂不均勻系數Cu=20.17 大于5，曲率系數Cc=1.22，介于1～3 之間，表明全尾砂分布不均勻，級配良好，有利于提高充填體早期強度[10]。

表1 全尾砂顆粒級配常數Table 1 Distribution constant of the whole tailings particle size

圖1 全尾砂粒徑級配累計曲線Fig.1 Grain size grading accumulative curve of the whole tailings sand

1.2 爐渣

爐渣由西寧特鋼生產并粉磨后得出，比表面積為640.3 m2/kg。由表2 可知，爐渣平均粒徑為13.7 μm，利用BRUKER S1 TITAN MODEL 600光譜分析儀對爐渣進行化學成分分析，測定結果見表3。

表2 爐渣粒徑分布Table 2 Distribution of slag particle size

表3 爐渣化學成分/%Table 3 Chemical composition of slag

爐渣的成分中含有約40%的CaO 以及10%的Al2O3等，而這兩種成分在前面的研究發現，對膠凝活性影響較大，爐渣的活性大小是影響膠凝材料配比的重要參數。由表3 爐渣化學成分質量分數大小，參考GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》，計算可得爐渣活性系數Ma=1.19、堿度系數M=1.08>1、質量系數K=1.63>1.2，說明爐渣為活性較高的堿性礦渣。

爐渣的活性較高，但是不容易被激發出來，不易于與尾砂形成強度較高的充填體，但是在堿性環境下，爐渣活性很容易被激發出來，爐渣中的Al-O 結構打開，在石膏的作用下，表面到一定階段形成低鈣硅比的C-S-H 層。因此本實驗爐渣堿度系數為1.08，爐渣自身的堿性環境可以促進爐渣的水化反應，反應方程式如下：

1.3 水泥熟料

水泥熟料為爐渣的水化反應提供堿性環境，以此激發爐渣的活性。將水泥熟料粉磨至適宜的粒徑，形成一定的顆粒級配，增大水泥熟料的水化面積，加速水化速度，滿足水泥漿體凝結、硬化要求。礦山自用水泥的粒徑為19.5 μm，比表面積為521.5 m2/kg，根據相關水泥行業標準，且與礦山自用水泥進行對比，確定水泥熟料磨料平均粒徑為21～23 μm，比表面積為500 m2/kg 左右。

2 爐渣膠凝材料配比實驗研究

2.1 實驗方案

由充填料漿坍落度實驗和爐渣膠凝材料配比探索實驗確定合理的料漿濃度和配比，具體實驗方案如下：

（1）充填料漿坍落度實驗。選定水泥及全尾砂作為充填料，探索得到合適的充填料漿濃度，方便進一步研究爐渣膠凝材料的配比。坍落度根據GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能實驗方法標準》測定，設計膠砂比為1∶4、1∶8、1∶12和1∶16，料漿濃度為68%、70%、72%、74%和76%。

（2）爐渣膠凝材料配比探索實驗。以某鉛鋅礦全尾砂作為充填骨料，根據礦山充填系統實際情況及充填料漿坍落度實驗結果，設計料漿濃度為70%，膠砂比為1∶8，采用單因素實驗法研究爐渣和滿足粒徑要求的水泥熟料配比與充填體強度的關系。實驗采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 的標準三聯試模，制備不同配比爐渣膠凝材料充填試塊，在標準養護環境(溫度20 ℃，濕度95%) 下養護，24 h 后脫模送入恒溫恒濕養護箱，養護齡期為3、7 和14 d 后，采用TYE-20 單軸壓力機進行單軸抗壓強度實驗。同時設置礦山自用水泥作為對比實驗，得出滿足礦山生產需求的爐渣膠凝材料配比區間。

2.2 實驗結果及分析

（1）由表4 不同膠砂比、不同料漿濃度下尾砂料漿坍落度可知，在相同膠砂比條件下，坍落度隨著料漿濃度的提高而降低。濃度76%以上時，坍落度為23～24 cm，流動性較差；濃度68%～72%時，料漿坍落度大于27 cm，滿足自流的流動性條件，且不離析。因為料漿質量濃度逐漸增加，固相量增加，全尾砂顆粒較細，比表面積增大，包裹全尾砂的水泥漿相對減小，導致流動性變差[12]。充填料漿濃度在70%左右，流動性能較好，具有很好的保水性及和易性，在管道和采場空區中不易產生離析，能夠順利地實現管道輸送。

表4 不同膠砂比不同料漿濃度下尾砂料漿坍落度Table 4 Slump of tailings slurry under different cement-sand ratio and slurry concentration

（2）由表5 可知，齡期3 d 時，爐渣與水泥熟料的比值越小，爐渣膠凝材料充填體強度越高。這是由于水泥中的C3S 和C3A 含量較高，水化速率較快，所以水泥含量越高，早期強度越大；齡期7 d 和14 d 時，隨著水泥熟料占比減少，爐渣膠凝材料充填體強度先增大后減少，當爐渣與水泥熟料比值為2 時，爐渣膠凝材料充填體強度達到較大值，當爐渣與水泥熟料添加比例為爐渣：水泥熟料=2～4 時，爐渣的活性能夠完全被激發出來，爐渣膠凝材料強度效果較好。這是由于相較于水泥，爐渣作為一種低活性摻合料，其活性在摻量較低時能完全發揮出來。此時水泥水化能產生足夠的Ca(OH)2，能與爐渣中的活性SiO2和Al2O3產生反應，生成無定形的C-S-H 和C-A-H 凝膠。所以一定范圍內隨著水泥熟料占比的減少，爐渣摻量的增加，充填體強度逐漸增大。但爐渣摻量過高，水泥熟料占比過低時，水泥無法提供足夠的Ca(OH)2，反而造成水化反應程度的降低，無定形的C-S-H 和C-A-H 凝膠生成量減少，使得充填體強度有所降低。

表5 爐渣膠凝材料配比實驗結果Table 5 Ratio test results of slag cementitious materials

3 爐渣膠凝材料充填體特性研究

3.1 實驗方案

在爐渣膠凝材料配比實驗基礎上，開展爐渣膠凝材料充填體特性研究，開展爐渣膠凝材料充填體強度配比實驗、充填料漿泌水率實驗和充填料漿凝結特性實驗，具體方案如下：

（1）爐渣膠凝材料充填體強度配比實驗：根據爐渣膠凝材料配比實驗結果，采用全面實驗法設計4 種爐渣膠凝材料配比，設計膠砂比為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12，料漿濃度為68%、70%和72%，并以礦山自用水泥和爐渣膠凝材料對比分析，研究充填體3 d，7 d，28 d 的單軸抗壓強度。

（2）充填料漿泌水率實驗：充填料漿泌水率實驗以爐渣膠凝材料2（爐渣占75%，水泥熟料占25%）作為實驗對象，膠砂比選擇1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 和1∶16，料漿濃度為68%、70%和72%，研究不同濃度、不同膠砂對充填料漿泌水率的影響。泌水率根據GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能實驗方法標準》測定。

（3）充填料漿凝結特性實驗：選擇爐渣膠凝材料2（爐渣占75%，水泥熟料占25%）為膠凝材料，膠砂比選擇1∶6、1∶8、1∶10 和1∶12，料漿濃度為72%、70%和68%。凝結時間根據 GB/T 1346-2019《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》測定。

3.2 實驗結果及分析

1、通過爐渣膠凝材料充填體強度配比實驗，得到不同膠砂比、不同濃度的4 種膠凝材料各齡期充填體強度實驗結果見表6～10，變化規律見圖2～4。

表6 爐渣膠凝材料1 充填體強度配比實驗Table 6 Strength ratio test of slag cementitious material 1 filling body

表7 爐渣膠凝材料2 充填體強度配比實驗Table 7 Strength ratio test of slag cementitious material 2 filling body

表8 爐渣膠凝材料3 充填體強度配比實驗Table 8 Strength ratio test of slag cementitious material 3 filling body

表9 爐渣膠凝材料4 充填體強度配比實驗Table 9 Strength ratio test of slag cementitious material 4 filling body

圖3 不同膠凝材料不同膠砂比不同料漿濃度充填體7 d 強度Fig.3 7 d strength of backfill with different cementitious materials,different cementitious ratios and slurry concentrations

（1）齡期3 d 時，膠砂比和濃度相同條件下水泥充填體3 d 強度均比爐渣膠凝材料充填體3 d 強度高。說明水泥中的C3S 和C3A 水化速率較快，充填體前期的水化效果更加明顯，生成大量的水化產物C-S-H 和C-A-H，水泥充填體的強度增加更快，而爐渣的活性還處于低激發狀態，水化效果不夠明顯，水化產物較少，宏觀表現出抗壓強度較低，但水泥充填與爐渣膠凝充填的本質是類似的都是通過水化反應提高充填體強度。

（2）齡期7 d 時，膠砂比和濃度相同條件下水泥充填體的7 d 強度與爐渣膠凝材料充填體7 d 強度相近，充填體的強度差維持在0.16 MPa 以內。這是因為隨著齡期的增加，爐渣的活性不斷被激發，水化反應速度增加，其充填體生成大量的水化產物快速提升強度。

（3）齡期28 d 時，膠砂比和濃度相同條件下爐渣膠凝材料充填體28 d 強度明顯高于水泥充填體28 d 強度，爐渣膠凝材料充填體強度是水泥充填體強度的1.5～2.6 倍。說明齡期28 d 時，爐渣膠凝材料活性被完全激發，水化速度加快，其充填體水化反應產生大量膠凝產物，強度顯著增加。這是因為爐渣在與水泥熟料充分混合后，水泥水化產物自身有一定的強度，加之水泥為爐渣提供堿性環境，促進了爐渣的進一步水化，水化產物大量增加，強度隨之增大。而水泥充填體的水化反應產物不及爐渣膠凝材料充填體，因而爐渣膠凝材料的充填體強度提升更顯著。通過實驗發現水泥充填體強度不能完全滿足礦山采礦方法要求的充填體強度0.5～3.5 MPa，而爐渣膠凝材料充填體強度能完全滿足。

（4）相同膠砂比時，料漿濃度從68%增加到72%，爐渣膠凝材料充填體強度逐漸增加。這是由于充填體的強度既取決于膠凝材料水化產物的強度，又取決于充填體內部的孔隙率。料漿濃度逐漸增加，充填體含水率相對越低，充填體因內部自由水蒸發而產生的孔隙越少，因此，強度逐漸增加。相同料漿濃度時，隨著膠砂比從1∶12 增加到1∶6，爐渣膠凝材料充填體強度逐漸增加。這是由于膠砂比越大，膠凝材料越多，生成的C-S-H 和C-A-H 等水化產物越多，因此，強度逐漸增大。齡期為3 d 時，同膠砂比、同濃度條件下，4 種爐渣膠凝材料充填體強度相似，無明顯差別。齡期為7 d 和28 d 時，相同膠砂比，爐渣膠凝材料1 和2 充填體強度總體較優，且能夠滿足礦山對充填體強度0.5～3.5 MPa 要求。因此，礦山配比爐渣膠凝材料時，爐渣添加量區間為75%～80%，水泥熟料添加量區間為20%～25%，達到礦山對充填體質量要求。

2.由圖5 膠砂比與泌水率的關系可知，相同膠砂比時，隨著充填料漿濃度的減小，充填料漿泌水率逐漸增大；相同料漿濃度時，隨著膠砂比的減小，充填料漿泌水率逐漸增大，因為全尾砂摻量的增加，使料漿顆粒之間的孔隙逐漸增加，且全尾砂顆粒的保水能力差，料漿的泌水率也相應增加。因此，在保證充填料漿順利輸送的前提下，提高充填料漿濃度，減小泌水率，防止充填體離析和液化。充填料漿質量濃度為70%～72%時，不同膠砂比的充填料漿泌水率均小于5%，滿足相關泌水率標準，表明全尾砂充填料漿的質量濃度合理，泌水率小，有利于礦山井下充填體整體質量和采空區充填接頂。

3.由表11 充填料漿凝結時間可知，膠砂比相同時，隨著料漿濃度的增加，凝結速度加快；以膠砂比1∶6 為例，濃度從68%增加到72%，初凝時間加快了10.0%，終凝時間加快了4.5%。濃度相同時，隨著膠砂比的增加，料漿凝結速度也逐漸加快；以濃度70%為例，膠砂比從1∶12 增加到1∶6，初凝時間加快了38.5%，終凝時間加快了27.1%。通過比較初終凝時間差可知，同膠砂比，不同濃度充填料漿的初終凝時間差較大值為2 h；同濃度，不同膠砂比充填料漿的初終凝時間差較大值為3.75 h；圖6 給出了不同濃度充填料漿隨膠砂比降低的凝結時間變化規律，可以看出隨著膠砂比降低，凝結時間近似呈線性增加，且相同膠砂比條件下，不同濃度充填料漿凝結時間差距不大。由此可得膠砂比對充填料漿凝結性能的影響比料漿濃度大，當實際工況需要縮短充填體凝結時間時，可以適當提高膠砂比。

表11 充填料漿凝結時間Table 11 Setting time of filing slurry

圖6 膠砂比與凝結時間的關系Fig.6 Relationship between cement-sand ratio and setting time

4 結論

（1）由全面實驗法探究了4 種爐渣膠凝材料充填體強度。齡期3 d 時，膠砂比和濃度相同條件下水泥充填體強度比4 種爐渣膠凝材料充填體強度高；齡期7 d 時，強度相近；齡期28 d 時，情況相反，且水泥充填體強度不能完全滿足礦山充填質量要求。同膠砂比時，爐渣膠凝材料1 和2 的充填體強度總體較優，且能夠滿足礦山對充填體強度0.5～3.5 MPa 的充填質量要求。

（2）由充填料漿泌水率實驗，相同膠砂比時，隨著充填料漿濃度減小，泌水率增大；相同料漿濃度時，隨著膠砂比減小，泌水率增大。濃度為70%～72%，膠砂比為1∶6～1∶12 的充填料漿泌水率均小于5%，有利于礦山井下充填體整體質量和空區充填接頂。

（3）通過比較初終凝時間差可知，膠砂比對料漿凝結性能的影響比料漿濃度大，礦山在實際生產中可以適當提高膠砂比縮短充填料漿的凝結時間。