CN104909677B - 一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法 - Google Patents

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法,该胶结剂由一定比例的硅铝基工业废渣、激发剂和活化剂为原料制备而成。其制备方法是:1)按上述的配比称取各原料组分,先将硅铝基工业废渣烘干,然后将干燥的硅铝基工业废渣磨至比表面积≥530m2/kg,得到硅铝基工业废渣粉末,接着将激发剂烘干,再将干燥的激发剂磨至比表面积≥620m2/kg,得到激发剂粉末;2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末和活化剂混合后磨至200目。该胶结剂的原材料来源广泛、价格低廉,因而成本低廉,且其固结尾砂效果优异,可固结多种不同类型的尾砂。该方法工艺简单,操作十分简便,能耗低,制备所需的成本十分低廉。

Description

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及矿山尾砂胶结充填、矿山环境治理及采空塌陷区生态修复技术领域, 具体涉及一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法,适用于各种金属矿山的充填采 矿工程以及采空塌陷区生态修复工程。
背景技术
[0002] 随着工业化进程的推进,伴随产生大量的低品位工业固体废弃物(有价成份含量 低、难以再次回收利用的工业固体废弃物),大量的低品位工业固体废弃物如果不加利用, 直接丢弃将会造成环境污染,因此,将低品位工业固体废弃物二次资源化利用成为当务之 急。低品位工业固体废弃物可分成三大类,一类为经历高温热历史、具有潜在可激发胶凝活 性的工业固体废弃物,一般含有丰富的低聚度硅氧四面体和铝氧四面体结构,在激发剂作 用下,能发生结构重组,形成高聚合度的水硬性材料,如高炉矿渣、铬铁渣、电炉磷渣、粉煤 灰等;第二类为自身具有激发剂特性的工业废弃物,如电石渣、工业副产石膏等;第三类为 未经历高温热历史、高惰性的工业固体废弃物,如选矿尾矿、煤矸石等。根据三类低品位工 业固体废弃物的特点,有效地进行联合协同处置,是实现环境治理和资源化利用的大趋势。
[0003] 随着矿山充填采矿技术的推广与应用,充填用胶凝材料也在不断更新换代,为低 品位工业固体废弃物资源化利用提供有效途径。水泥作为建筑行业最为普通的胶凝材料, 被迀移使用作为矿山充填胶结材料,存在掺量大、胶结效果差的弊端。近些年,出现的大量 新型胶结材料,但基本上都是在普通硅酸盐水泥或矿渣水泥的基础上进行改进,即使用具 有高温热历史的炉渣、粉煤灰取代部分水泥熟料,但由于原材料限制、取代熟料量低、胶结 效果不理想等方面制约其推广应用。公开号CN102381847使用掺量为35-40 %高炉水淬渣制 备矿山用胶凝材料,熟料掺量仍高达35-40%,且同等掺量下,充填体强度仅高出使用水泥 时的20%,没有明显的体现降低成本或大幅提升充填体品质的效果。公开号CN101781111A 使用掺量为72-77 %的矿渣微粉制备一种专用于铜镍矿全尾砂充填胶凝材料,但该胶凝材 料只针对铜镍尾矿,且所需原材料要求苛刻,得不到广泛推广应用。
发明内容
[0004] 为解决上述现有技术存在的问题,本发明提供了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结 剂,该胶结剂的原材料来源广泛、价格低廉,因而成本低廉,且其固结尾砂效果优异,可固结 多种不同类型的尾砂。
[0005] 本发明还提供了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法,该方法工艺简 单,操作十分简便,能耗低,制备所需的成本十分低廉。
[0006] 实现本发明上述目的所采用的技术方案为:
[0007] —种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,由以下重量百分比的原料制备而成:
[0008] 硅铝基工业废渣 65 %-75 %
[0009] 激发剂 22 %-33 %
[0010]活化剂 I %-3%,
[0011] 所述的硅铝基工业废渣是指经历高温热历史、含有丰富的低聚度硅氧四面体和铝 氧四面体结构、具有潜在可激发胶凝活性的工业固体废弃物,其中SiO2和Al2O3的质量百分 含量超过40 %。
[0012] 所述的硅铝基工业废渣为粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣、粒化增钙液 态渣、粉煤灰中的任意一种、两种、三种、四种或五种。
[0013] 所述的激发剂由水泥熟料、电石渣和脱硫石膏组成,其中水泥熟料占原料总重量 的5 % -12 %,电石渣占原料总重量的5 % -10 %,脱硫石膏占原料总重量的7 % -15 %。
[0014] 所述的活化剂为木质素磺酸盐类和模数为1.6〜2.3的水玻璃的组合物。
[0015] 所述的木质素磺酸盐类为木质素磺酸钙或木质磺酸钠。
[0016] —种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法,包括如下步骤:
[0017] 1)按照权利要求1所述的配比称取各原料组分,先将硅铝基工业废渣烘干,然后将 干燥的硅铝基工业废渣磨至比表面积彡530m2/kg,得到硅铝基工业废渣粉末,接着将激发 剂烘干,再将干燥的激发剂磨至比表面积多620m2/kg,得到激发剂粉末;
[0018] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末和减水剂混合后磨至200目。
[0019] 该胶结剂的作用机理如下:
[0020] 水泥熟料的化学成分60%以上为CaO,而Si〇2、Al2〇3的含量仅为20%左右,而本发 明所选用的硅铝基工业废渣中SiO2和Al2O3的质量百分含量超过40%,能有效地提供具有潜 在活性的硅氧四面体和铝氧四面体。木质素磺酸盐为阴离子表面活性剂,其疏水端吸附在 硅铝基工业废渣、尾砂的表面,亲水端吸附大量水分子,形成水膜层,使固体颗粒均匀分散 于溶液中。水玻璃具有双重作用,遇水溶解后,生成NaOH和硅酸根单体溶胶分散于溶液中, 其中NaOH水解形成的(MT和激发剂中电石渣、水泥熟料水解形成的0!Γ,在电荷作用和扩散作 用下,进入水膜层,与硅铝基工业废渣充分接触,促使玻璃体解离,起到一定的激发作用;且 硅酸根单体与玻璃体解离形成的Ca2+、[A103]3lP[Si04]4+在晶核表面堆垛、聚合,形成高聚 合度的水化硅酸钙和水化铝硅酸钙。随着反应的进行,Ca2+、[A103]3lP[Si04]4+的离子浓度 逐渐降低,将加速玻璃体的进一步解离,起到一定的活化作用。这一过程使得硅铝基工业废 渣、尾砂颗粒与凝胶之间的界面过度区加厚、延伸,且在SO42^存在的情况下,形成钙矾石晶 体,填充颗粒间的空隙,使得固结体结构逐渐密实,产生较高强度。
[0021] 本发明与现有技术相比,其有益效果和优点在于:
[0022] 1、该胶结剂的原材料来源广泛,价格低廉,其中85 %以上都是工业固体废弃物。
[0023] 2、该胶结剂的作用对象为矿山选矿后的尾砂,在处理工业固体废弃物的同时,实 现以废治废。
[0024] 3、该胶结剂可固结金属矿分级尾砂和全尾砂,固结体的强度指标符合充填采矿法 的要求,且能将重金属固化/稳定化,保证排水安全环保,效果稳定。
[0025] 4、该胶结剂的制备方法非常简单易操作,能耗低,所用的设备非常常见,因而成本 低,且没有废水、废气和固体废弃物产生,对环境污染很小,十分环保。
具体实施方式
[0026] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0027] 实施例I
[0028] —种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,由以下重量百分比的原料制备而成: 粒化高炉矿渣 54% 粒化电炉磷渣 14% 水泥熟料 12%
[0029] 电石渣 7% 脱硫石膏 10% 木质素磺酸钠 0.2% 水玻璃 2.8%。
[0030] 粒化高炉矿渣与粒化电炉磷渣的混合废渣中SiO2和Al2O3的质量百分含量超过 40 %。此处的粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣的组合可以用高炉矿渣、粒化铬铁渣、粒化增钙 液态渣和粉煤灰中的任意两种的组合代替。
[0031] 上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下:
[0032] 1)按照上述配比称取各原料组分,先将粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣烘干,然后 将干燥的粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣混合后磨至比表面积为542m2/kg,得到硅铝基工业 废渣粉末,接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干,再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫 石膏混合磨至比表面积为654m2/kg,得到激发剂粉末;
[0033] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钠和水玻璃混合后进行粉磨, 过200网目标准筛,筛余为1.75 %。
[0034] 实验一、将实施例1制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验
[0035] 1、实验方法
[0036] 1)实验组:按照灰砂比1:7称取实施例1制备的硅铝基尾砂胶结剂和铜矿分级尾 砂,将两者混合得到干物料,再按照水料比3:7称取水,将干物料与水进行混合造浆,得到混 合料浆,将混合料浆注入70.7 X 70.7 X 70.7mm的标准试模里,浇筑过程使用捣棒捣10次;
[0037] 2)对照组:用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结 剂,其他试验步骤和实验组完全相同;
[0038] 3)实验组和对照组静停养护24h后拆模,分别放入标准养护箱进行养护,待到龄期 节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。
[0039] 2、实验结果
[0040] 单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示:
[0041]
Figure CN104909677BD00071
[0042] 实施例2
[0043] —种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,由以下重量百分比的原料制备而成: 粒化高炉矿渣 40% 粒化电炉磷渣 25%
[0044] 粒化铬铁渣 10% 水泥熟料 5% 电石渣 10% 脱硫石膏 8%
[0045] 木质素磺酸钙 0.1% 水玻璃 1.9%。
[0046] 粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁渣的混合废渣中SiO2和Al2O3的质量百分 含量超过40 %。
[0047] 上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下:
[0048] 1)按照上述配比称取各原料组分,先将粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁 渣烘干,然后将干燥的粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁渣混合后磨至比表面积为 563m2/kg,得到硅铝基工业废渣粉末,接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干,再将干燥 的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为645m2/kg,得到激发剂粉末;
[0049] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后进行粉磨, 过200网目标准筛,筛余为1.23 %。
[0050] 实验二、将实施例2制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验
[0051] 1、实验方法
[0052] 1)实验组:按照灰砂比1:7称取实施例2制备的硅铝基尾砂胶结剂和铁矿分级尾 砂,将两者混合得到称取干物料,再按照水料比3:7称取水,将干物料与水进行混合造浆,得 到混合料浆,将混合料浆注入70.7 X 70.7 X 70.7mm的标准试模里,浇筑过程使用捣棒捣10 次;
[0053] 2)对照组:用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结 剂,其他试验步骤和实验组完全相同;
[0054] 3)实验组和对照组静停养护24h后拆模,分别放入标准养护箱进行养护,待到龄期 节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。
[0055] 2、实验结果
[0056] 单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示:
[0057]
Figure CN104909677BD00081
[0058] 实施例3
[0059] —种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,由以下重量百分比的原料制备而成: 粒化高炉矿渣 4(3% 粒化增钙液态渣 18% 粉煤灰 13% 水泥熟料 10%
[0060] 电石渣 10% 脱硫石膏 7% 木质素磺酸钙 0.5% 水玻璃 1.5%。
[0061] 粒化高炉矿渣、粒化增钙液态渣与粉煤灰的混合废渣中SiO2和Al2O3的质量百分含 量超过40 %。
[0062] 上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下:
[0063] 1)按照上述配比称取各原料组分,先将粒化高炉矿渣、粒化增钙液态渣与粉煤灰 烘干,然后将干燥的粒化高炉矿渣、粒化增钙液态渣与粉煤灰混合后磨至比表面积为 553m2/kg,得到硅铝基工业废渣粉末,接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干,再将干燥 的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为635m2/kg,得到激发剂粉末;
[0064] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后进行粉磨, 过200网目标准筛,筛余为1.56 %。
[0065] 实验三、将实施例3制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验
[0066] 1、实验方法
[0067] 1)实验组:按照灰砂比1:7称取实施例3制备的硅铝基尾砂胶结剂和铅锌矿分级尾 砂,将两者混合得到称取干物料,再按照水料比3:7称取水,将干物料与水进行混合造浆,得 到混合料浆,将混合料浆注入70.7 X 70.7 X 70.7mm的标准试模里,浇筑过程使用捣棒捣10 次;
[0068] 2)对照组:用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结 剂,其他试验步骤和实验组完全相同;
[0069] 3)实验组和对照组静停养护24h后拆模,分别放入标准养护箱进行养护,待到龄期 节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。
[0070] 2、实验结果
[0071] 单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示:
[0072]
Figure CN104909677BD00091
[0073] 实施例4
[0074] —种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,由以下重量百分比的原料制备而成: 粒化电炉磷渣 30% 粒化铬铁渣 20% 粉煤灰 15% 水泥熟料 7%
[0075] 电石渣 12% 脱硫石膏 14% 木质素磺酸钠 0.05% 水玻璃 L95%。
[0076] 粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰的混合废渣中SiO2和Al2O3的质量百分含量超 过 40 %。
[0077] 上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下:
[0078] 1)按照上述配比称取各原料组分,先将粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰烘干, 然后将干燥的粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰混合后磨至比表面积为546m2/kg,得到 硅铝基工业废渣粉末,接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干,再将干燥的水泥熟料、电 石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为654m2/kg,得到激发剂粉末;
[0079] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钠和水玻璃混合后进行粉磨, 过200网目标准筛,筛余为1.75 %。
[0080] 实验四、将实施例4制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验
[0081] 1、实验方法
[0082] 1)实验组:按照灰砂比1: 7称取实施例4制备的硅铝基尾砂胶结剂和镍矿全尾砂, 将两者混合得到称取干物料,再按照水料比3 :7称取水,将干物料与水进行混合造浆,得到 混合料浆,将混合料浆注入70.7 X 70.7 X 70.7mm的标准试模里,浇筑过程使用捣棒捣10次;
[0083] 2)对照组:用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结 剂,其他试验步骤和实验组完全相同;
[0084] 3)实验组和对照组静停养护24h后拆模,分别放入标准养护箱进行养护,待到龄期 节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。
[0085] 2、实验结果
[0086] 单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示:
[0087]
Figure CN104909677BD00101
[0088] 实施例5
[0089] —种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,由以下重量百分比的原料制备而成: 粒化高炉矿楂 40% 粒化电炉磷渔 15% 粒化铬铁渣 15% 粉煤灰 5%
[0090] 水泥熟料 10% 电石渣 5% 脱硫石貧 7% 木质素磺酸钙 0.05% 水玻璃 2.95%,.
[0091] 粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰的混合废渣中SiO2和Al2O3的 质量百分含量超过40 %。
[0092] 上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下:
[0093] 1)按照上述配比称取各原料组分,先将粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣 与粉煤灰烘干,然后将干燥的粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰混合后磨 至比表面积为562m2/kg,得到硅铝基工业废渣粉末,接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘 干,再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为674m2/kg,得到激发剂粉 末;
[0094] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后进行粉磨, 过200网目标准筛,筛余为1.45 %。
[0095] 实验五、将实施例5制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验
[0096] 1、实验方法
[0097] 1)实验组:按照灰砂比1: 7称取实施例5制备的硅铝基尾砂胶结剂和铁矿全尾砂, 将两者混合得到称取干物料,再按照水料比3 :7称取水,将干物料与水进行混合造浆,得到 混合料浆,将混合料浆注入70.7 X 70.7 X 70.7mm的标准试模里,浇筑过程使用捣棒捣10次;
[0098] 2)对照组:用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结 剂,其他试验步骤和实验组完全相同;
[0099] 3)实验组和对照组静停养护24h后拆模,分别放入标准养护箱进行养护,待到龄期 节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。
[0100] 2、实验结果
[0101] 单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示:
[0102]
Figure CN104909677BD00111
[0103] 从实验一到实验五的抗压强度测试结果可以看出,该硅铝基尾砂胶结剂可固结金 属矿的分级尾砂和全尾砂,而且固结后的充填体试块在龄期28天的强度高;且在同等试验 条件下,同龄期的试块强度是以水泥为充填试验胶凝材料的固结体的2倍左右。总之,该硅 铝基尾砂胶结剂可固结多种不同类型的尾砂,而且固结效果优异。

Claims (5)

1. 一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,其特征在于由以下重量百分比的原料制备而 成:
Figure CN104909677BC00021
所述的硅铝基工业废渣为粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣、粒化增钙液态渣 和粉煤灰中任意几种的组合; 所述的活化剂为木质素磺酸盐类和模数为1.6-2.3的水玻璃的组合物。
2. 根据权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,其特征在于:
Figure CN104909677BC00022
3. 根据权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,其特征在于:
Figure CN104909677BC00023
4. 根据权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂,其特征在于:
Figure CN104909677BC00031
5.—种权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法,其特征在于包括 如下步骤: 1) 按照权利要求1所述的配比称取各原料组分,先将硅铝基工业废渣烘干,然后将干燥 的硅铝基工业废渣磨至比表面积
Figure CN104909677BC00032
,得到硅铝基工业废渣粉末,接着将水泥熟料 和电石渣分别烘干,混合均匀后磨至比表面积
Figure CN104909677BC00033
,得到混合粉末; 2) 将硅铝基工业废渣粉末、混合粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后磨至200目。
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