李茂輝 高 謙 王有團 楊云鵬

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室;2.國家圖書館)

水泥是充填法礦山的常用膠結(jié)材料［1-2］。由于水泥作為膠結(jié)材料通常難以適用細顆粒充填材料，因此，大部分礦山采用分級尾砂［3］或棒磨砂作為充填材料。基于水淬渣開發(fā)的新型膠凝材料不僅能夠適應(yīng)含泥量較高的充填材料，而且還能夠提高充填體強度，降低灰砂比，從而提高采礦經(jīng)濟效益［4-7］。大量生產(chǎn)實踐表明，充填體強度主要取決于膠凝材料［8］、充填骨料、灰砂比、料將濃度［9-10］以及養(yǎng)護條件。由于材料制備、養(yǎng)護條件與測試技術(shù)與工業(yè)化生產(chǎn)流程存在較大差異，因此需要開展新型膠凝材料的中間試驗。通過中試可以進一步對前期試驗進行驗證和適當(dāng)對配比調(diào)整，獲得更準確的新型膠凝材料的配比，檢驗和評價新型膠凝材料的可行性、可靠性以及性價比。

1 新型膠凝材料中試儀器設(shè)備選型及要求

中試重點要添加的設(shè)備主要包括微粉磨機、混料機、破碎設(shè)備和上料裝置等，其中關(guān)鍵設(shè)備主要為微粉磨機和混料機。微粉磨機主要是為了保證制備實驗所需相關(guān)粒度的細粉原料;混料機主要保證原料配制的均勻和可靠。根據(jù)新型膠結(jié)材料制備的技術(shù)要求，選定CGXM－B型超高細磨粉機，其磨粉粒度達到600～1 350目，生產(chǎn)能力超過500 kg/h;同時配套購買了PE－150×250型顎式破碎機和相應(yīng)的提升裝置。混料機則選擇帶有自動上料裝置的V－500型混料機，其生產(chǎn)能力達到500 kg/h。

2 新型膠凝材料中試產(chǎn)品強度試驗

2.1 原材料和試驗方案

本次中試采用的原材料有鋼源石灰，陡電石膏，唐龍礦渣粉，熱電廠粉煤灰，司家營鐵礦全尾砂，基本的粒徑參數(shù)如表1所示。

表1 充填料材料的粒度測試結(jié)果

根據(jù)司家營鐵礦南區(qū)充填法采礦的應(yīng)用條件，充填骨料采用司家營鐵礦的全尾砂，膠凝材料采用新型膠凝材料，室內(nèi)試驗采用標準養(yǎng)護條件下的溫度與濕度。對于室內(nèi)試驗，可改變的就是膠砂比和料漿濃度2個主要因素。為了能夠全面地對新型膠凝材料進行對比試驗，安排3種不同方案的試驗:①司家營鐵礦全尾砂和無水泥新型膠凝材料(1#)方案;②司家營鐵礦全尾砂和有水泥新型膠凝材料(2#)方案;③司家營鐵礦全尾砂和32.5水泥膠凝材料(3#)方案。其中新型膠凝材料1#和2#的差別在于配方中有無水泥，1#為無水泥配方，2#為有水泥配方，3#是純水泥方案，用于對比水泥和新型膠凝材料。

2.2 膠凝材料中試產(chǎn)品試驗結(jié)果

根據(jù)試驗方案，利用中試生產(chǎn)的新型膠凝材料分別做了不同膠砂比、不同濃度的膠砂試驗，試塊強度結(jié)果如表2所示。

表2 中試新型膠凝材料試塊強度試驗結(jié)果

3 膠凝材料中試結(jié)果綜合分析

3.1 充填體強度與砂漿濃度的關(guān)系

圖1分別給出了3種膠凝材料在不同膠砂比條件下的28 d充填體強度與砂漿濃度之間的關(guān)系曲線。

圖1 膠凝材料充填體強度與砂漿濃度的關(guān)系

由圖1可以看到，用3種膠凝材料所做的試塊28 d養(yǎng)護齡期強度基本上都隨著砂漿濃度的增加而逐漸增大，很明顯的是1#和2#材料的試塊強度遠遠高于用3#材料試塊強度，且隨著砂漿濃度的增大，1#和2#材料試塊強度增長幅度遠遠高于3#材料試塊強度。

3.2 充填體強度與膠砂比的關(guān)系

圖2分別給出了1#、2#和3#材料的充填體強度與膠砂比之間的關(guān)系曲線。

圖2 膠凝材料充填體強度與膠砂比之間的關(guān)系強度曲線1—3 d;2—7 d;3—28 d

從圖2中可以得到，隨著膠砂比的逐漸增大，3種膠凝材料的齡期養(yǎng)護強度也呈增加的趨勢，以膠砂比1∶8作為分水嶺，在膠砂比低于1∶8的時候，1#、2#膠凝材料的試塊強度增長趨勢遠遠大于3#材料試塊強度的增長趨勢，而在高于1∶8膠砂比的時候，3#材料試塊齡期養(yǎng)護強度的增長強度趨勢高于1#、2#膠凝材料試塊的齡期養(yǎng)護強度的增長趨勢。從3、7、28 d 強度看，1#、2#膠凝材料的強度明顯高于3#材料，說明新型膠凝材料優(yōu)于水泥膠凝材料，尤其在低膠砂比充填的時候，新型膠凝材料的優(yōu)勢更加明顯。

3.3 2種新型膠凝材料充填體強度對比分析

表3給出了2種新型膠凝材料4種砂漿濃度的充填體平均強度的比值。

表3 1#與2#材料試塊強度比值

(1)對于小于1∶10的膠砂比，1#與2#材料的28 d強度之比接近于1。而對于3和7 d的強度，2#材料高于1#。由此表明，在高膠砂比的情況下，2#材料優(yōu)于1#材料。

(2)對于大于1∶10的低膠砂比，1#材料的3、28 d的充填強度明顯優(yōu)于2#材料?？紤]到一般采用低灰砂比以及2種材料的配方，1#材料的性價比明顯好于2#材料。

3.4 新型膠凝材料與水泥材料的強度對比分析

表4給出了2種新型膠凝材料平均強度與水泥平均強度之比值。

表4 1#、2#材料與3#材料充填體強度比值

(1)2種新型膠凝材料的不同膠砂比的砂漿充填體強度與水泥砂漿充填體強度之比均大于1。由此表明，2種新型膠凝材料均優(yōu)于水泥膠凝材料。

(2)對于1#材料，最大比值達到5.63，2#材料最大比值達到5.0。最大強度比均對應(yīng)于膠砂比為1∶15?？梢?，新型膠凝材料的膠砂比越小，新型膠凝材料的強度效應(yīng)越顯著。但對于1∶20的膠砂比，其比值又趨于減小，但是新型膠凝材料的強度依然遠遠大于水泥膠凝材料的強度。

(3)從圖4中可以看出，1#材料與水泥材料的強度之比值隨膠砂比的變化曲線呈現(xiàn)“凸”字狀。由此表明，對于69%的砂漿濃度，膠砂比過高或過低，強度之比值均減小。由此存在一個最優(yōu)的膠砂比(在此情況下為1∶15)，此時，1#膠凝材料與3#材料28 d強度之比達到5.63。

(4)從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，1#充填膠凝材料與3#水泥材料相比，最優(yōu)膠砂比隨養(yǎng)護時間增加而減小。即3 d的最優(yōu)膠砂比為1∶8、7 d的最優(yōu)膠砂比降低到1∶10，而28 d的最優(yōu)膠砂比減小到1∶15。顯然，與水泥膠凝材料相比，新型膠凝材料充填體強度增加速度更快，更展現(xiàn)新型膠凝材料的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

(1)膠砂比一定的時候，3種膠凝材料的強度都隨著濃度的提高而增加。濃度越大，新型膠凝材料與水泥膠凝材料試塊強度差距逐漸加大。

(2)當(dāng)濃度一定的時候，3種膠凝材料的強度隨著膠砂比的逐漸加大而提高，當(dāng)膠砂比提高到1∶8時，新型膠凝材料強度的增長趨勢減緩，而水泥膠凝材料強度的增長趨勢加劇，說明新型膠凝材料更適合低膠砂比的充填方式。

(3)基于司家營鐵礦全尾砂開發(fā)的新型膠凝材料優(yōu)于水泥膠凝材料，有強度高、成本低的特點，滿足司家營鐵礦充填的要求。對比開發(fā)的2種新型膠凝材料，兩者之間的差距不大，從成本角度來考慮，無水泥方案比有水泥方案成本更低，實用性更強。綜合考慮，推薦司家營鐵礦充填材料選用1#膠凝材料。

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