融合石膏组分和微纳米结构“双基因”调控的铁尾矿粉无熟料固结体力学性能

为了探究超细铁尾矿粉颗粒表面非晶态SiO_(2)和Al_(2)O_(3)在石灰-石膏体系中的水化固化机理及调控因素,本工作考察了石膏掺量和铁尾矿粉中微纳米级颗粒含量之间的匹配对固结体强度的影响,利用XRD、TG-DSC、SEM和化学滴定法测试分析了固结体试样中水化产物的种类、形貌及含量的变化,研究了这些变化对固结体强度的影响及作用机理。结果表明,超细铁尾矿粉中小于1.096μm的微纳米颗粒含量显著影响着铁尾矿粉在碱溶液中Si和Al元素的溶出行为,固结体强度随着这些微纳米颗粒含量的增加而提高。固结体中的主要水化产物是铝掺杂的水化硅酸钙(C-(A)-S-H)和钙矾石(AFt)。石膏掺量与铁尾矿粉中微纳米颗粒含量的最佳匹配值对固结体的强度具有显著影响,并且微纳米颗粒含量越高,对应的石膏最佳掺量越大。石膏组分保证了AFt的生成和稳定,同时也加速了铁尾矿粉颗粒表面非晶态成分的水化。本工作探明了固结材料中最佳石膏掺量与微纳米铁尾矿粉颗粒含量的关联关系及其机理,证实了微纳米级颗粒是无熟料固结体结构中的基本活性单元,石膏的掺入对微纳米颗粒的水化起到调控作用,水化后的微纳米颗粒演变为固结体的基本结构单元,这种组分和结构的“双基因”调控机制影响着固结体的力学性能。

矿用尾砂固结粉在铁矿山全尾砂现场充填试验研究

为了分析和评价新型充填胶凝材料尾砂固结粉(简称矿尾粉)替代水泥用于铁矿全尾砂胶结充填法采矿的可行性与性价比,开展了矿尾粉的现场试验,测试了不同配比和浓度条件下的矿尾粉全尾砂充填体的单轴抗压强度,并与水泥和胶固粉胶凝材料进行了对比分析。结果表明:矿尾粉胶凝材料强度高、成本低、性价比高,替代水泥用于铁矿充填法采矿,不仅能大大降低充填采矿成本,而且还能实现铁矿全尾砂充填,为贫铁矿床的充填法采矿奠定基础。

铁矿全尾砂新型充填胶凝材料的开发及应用研究

全尾砂充填法采矿是未来铁矿石开采的发展趋势,降低采矿成本是铁矿充填法采矿的必由之路。以水淬渣粉作为主要原料,采用碱和盐复合激发剂激发,获得了一种全尾砂新型充填胶凝材料—矿山尾砂固结粉(简称矿尾粉,代号为KWF)。与水泥材料相比,矿尾粉成本低、强度高,对含泥量高的全尾砂充填料优势更显著。采用矿尾粉替代水泥用于铁矿充填法采矿,不仅能够降低充填采矿成本,而且还能够实现固体废弃物资源化利用,从而保护环境和无废开采。矿尾粉新型充填胶凝材料已在唐龙新型建材有限公司工业化生产,在东凯矿业公司铁矿山应用,获得了显著的经济效益和社会效益;为在建设中的司家营地区大型贫铁矿充填法采矿奠定了基础。

全尾砂新型充填胶凝材料在南洺河铁矿的应用

针对冀东铁矿全尾砂充填料,已经开发出适用于铁矿山全尾砂胶结充填法采矿的矿山尾砂固结粉(简称尾矿粉)。通过矿山工程应用表明,该种全尾砂新型胶凝材料不仅胶结充填体强度高,而且成本低,具有良好的性价比。为此开展了矿尾粉新型胶凝材料在南洺河铁矿推广应用的试验研究。现场全尾砂取样的物化特性分析结果显示,南洺河铁矿全尾砂充填料不仅颗粒细(dav=0.361mm),含泥量高,而且级配差(不均匀系数53.4),属于级配严重不良的全尾砂充填料。为此,作者进行了胶砂比为1∶8和料浆浓度为73%的胶砂充填体强度试验。28d胶砂充填试块强度可以达3.024 MPa,是相同条件下32.5R早强水泥的2.77倍,满足了南洺河嗣后充填采矿对充填体强度的要求。

无熟料超细金属尾矿基固结材料的早期水化与液相特性

为探明超细金属尾矿粉在石灰-石膏体系中的早期水化固结特性,以生石灰、石膏和铁尾砂为原料,采用超细粉磨制备了无熟料铁尾砂粉固结材料,提取水化浆体3 min~24 h的液相并测试了其离子浓度及电导率,结合水化放热速率曲线及扫描电镜(SEM)、X-ray衍射分析(XRD)、热重-差热分析(TG-DSC)等测试结果,研究了固结浆体早期水化行为与液相特性变化的关系.结果表明:固液混合后液相各离子浓度快速上升,在10~30 min达到峰值后快速下降,180 min之后以较缓的速度继续下降;液相电导率与Ca^(2+)、OH-和SO_(4)^(2-)离子总浓度变化有较高的一致性;固结材料水化过程中有两次放热行为,起止时间分别为0~15 min和20~180 min;水化产物物相分析显示浆体中90 min可见AFt特征峰及C-S-H吸热峰.实验证明:在石灰-石膏-水体系中,铁尾砂粉表面的非晶态SiO_(2)和Al_(2)O_(3)能够快速溶解并发生水化反应,生成AFt及C-S-H,水化产物对未水化铁尾砂颗粒胶结固化,使固结体产生强度;延长粉磨时间可显著提高铁尾砂表面非晶态硅铝成分含量及石灰、石膏的溶解速率,加速浆体的水化并增加水化产物的生成量.

硅铝型铁尾矿粉的无熟料固结性能及水化机理

为探究磨细铁尾矿粉在无熟料体系中的固结性能,以硅铝型铁尾矿为主体材料,掺配钙、硫、硅校正材料,在磨细比表面积约为1 000 m2/kg时,使铁尾矿粉获得无熟料高强度固结效果.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描同步热分析仪(DSC-TG)测试技术及化学滴定方法,分析了固结体中水化产物的种类、含量及微观形貌,研究了无熟料固结材料的水化机理.结果表明:当钙、硫、硅校正材料总占比为40%,且三者之间质量比为20∶5∶15时,利用铁尾矿细磨过程中矿物表面晶格畸变形成的非晶质层成分与校正材料之间的水化反应及产物协同效应,能够获得28 d强度为52.08 MPa的固结体;水化过程中,钙矾石(AFt)的快速生成为硬化浆体提供了早期强度,水化硅酸钙(C-S-H)是稳定固结体后期强度的保证,1/7~1/5的晶胶比确保了固结体强度的持续发展.

思山岭铁矿超细全尾砂固结粉充填胶凝材料研究

为了降低思山岭铁矿充填采矿成本,针对矿山超细全尾砂,利用本溪地区矿渣、脱硫石膏等固体废弃物,开展了嗣后充填采矿法所要求的低成本固结粉充填胶凝材料研究。首先设计3因素3水平盐基和碱基激发剂胶凝材料正交试验,获得了充填体3 d强度的固结粉激发剂优化配方为水泥熟料9%、脱硫石膏4%、工业芒硝1%。采用极差分析得到了充填体7 d和14 d强度影响因素权重从大到小排序为:水泥熟料,工业芒硝,脱硫石膏。然后建立BP神经网络模型进行激发剂不同配比的胶结体强度预测,模型预测得到的充填体强度最大相对误差为4.83%,满足训练精度要求。并采用二次多项式拟合,由此获得了适用于超细全尾砂固结粉充填胶凝材料优化配方。固结粉7 d充填体强度优化配方为水泥熟料5.88%、脱硫石膏9.31%、芒硝0%,充填体强度达到2.40 MPa;14 d充填体强度优化配方为水泥熟料5.99%、脱硫石膏9.63%、芒硝0.40%,强度达到3.12 MPa。验证试验结果表明,固结粉胶凝材料充填体14 d强度是胶固粉的1.48倍,而固结粉胶凝材料成本较之降低23%。

矿渣粉与超细铁尾矿粉在无熟料固结体中的协同水化机制

超细铁尾矿粉表面非晶态铝硅酸盐矿物成分具有水化活性,能够形成较高强度的无熟料固结体,但存在早期水化速率快、后期强度低的缺点。本工作考察了掺入矿渣粉对超细铁尾矿基无熟料固结体微观结构及强度的影响,分析了硬化浆体中水化产物的形貌、种类及含量的差异,并研究了二者在无熟料固结过程中的协同水化硬化机制。结果表明:磨细铁尾矿粉和矿渣粉质量比在1∶1时无熟料固结体28 d可以获得78 MPa以上的强度,XRD、TG-DSC分析结果及SEM微观形貌显示铁尾矿粉和矿渣粉的水化产物一致,均为铝掺杂水化硅酸钙(C-(A)-S-H)和钙矾石(AFt),固结体中AFt的生成量早期与矿渣粉的比例呈正相关关系,后期受体系中SO_(3)含量的控制,固结体的线性膨胀率与AFt含量呈正相关关系,矿渣粉和铁尾矿粉复配可以明显改善试样硬化体的孔结构,二者比例在1∶1时孔径分布最优。本研究证实了矿渣粉与超细铁尾矿粉在无熟料固结过程中有明显的水化协同效应,超细铁尾矿粉表面非晶态成分的早期水化产物对硬化浆体早期起到固结和填充效应,矿渣粉的持续水化补充了后期新的水化产物,二者在水化过程中的协同机制增加了体系中水化产物的生成量,改善了浆体的孔结构,提高了密实度,使固结体获得较高的力学性能和体积稳定性。

中关铁矿超细全尾砂固结粉充填胶凝材料试验研究

为了降低充填采矿成本,针对中关铁矿超细全尾砂充填料,利用中关地区固废资源,开展了固结粉充填胶凝材料试验研究。首先开展了盐基和碱基固结粉激发剂配比试验,由此确定碱和盐激发剂的合理配比范围;然后,针对盐基和碱基激发剂合理范围,开展固结粉胶凝材料胶结体强度正交试验。根据正交试验的极差分析、回归分析以及对胶凝材料特性要求,最终确定了固结粉优化配比为碱激发剂10%,盐激发剂15%。由此确定固结粉胶凝材料激发剂与矿渣微粉配比为1∶3;最后,根据固结粉优化配比制备胶凝材料,分别采用1∶4和1∶8的胶砂比,进行全尾砂固结粉胶结体强度验证试验。结果表明,胶砂比1∶4全尾砂胶结体28 d强度大于2.5 MPa,满足中关铁矿一步采场对充填体强度要求;1∶8胶砂比全尾砂胶结体强度大于1.5 MPa,可以用于嗣后充填二步回采矿柱的采场充填胶凝材料。

钢渣基固结粉胶凝材料开发与应用研究

针对中关铁矿高泥尾砂,利用钢渣、矿渣和脱硫石膏等固废资源,开展替代水泥的钢渣基固结粉胶凝材料研究。首先进行全尾砂及活性胶凝材料物化及粒径分析,然后开展钢渣基固结粉胶结充填体强度试验。根据正交试验极差分析及回归分析,确定钢渣基固结粉优化配方为钢渣35%、脱硫石膏18%和矿渣微粉47%;其尾砂胶结充填体强度约是水泥强度的1.5倍,材料成本仅为42.5普通硅酸盐水泥成本的40%左右。工业试验结果表明,尾砂胶结充填体7 d、28 d抗压强度超过工业充填设计指标,钢渣基尾砂充填固结粉满足矿山充填采矿要求。