CN110104998A - 一种微细粒高硅尾矿注浆材料 - Google Patents

一种微细粒高硅尾矿注浆材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下原料混合制成：高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙、粒化高炉矿渣和水；其中，注浆材料中石灰掺量为1％‑10％，注浆材料中石膏掺量为1％‑10％，注浆材料中氯化钙掺量为1％‑5％，水的重量与高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙和粒化高炉矿渣总重量的比值为0.5‑1.5。本发明以微细粒高硅矿山尾矿为主要原料，采用石灰、石膏、氯化钙作为激发剂，粒化高炉矿渣作为性能调整剂，采用机械力化学和化学激发方法，制备出一种低成本绿色注浆材料，该注浆材料具有抗压强度高，泌水率小，浆液稳定性好等优点。

Description

一种微细粒高硅尾矿注浆材料
技术领域
本发明涉及注浆材料领域，具体地说是涉及一种微细粒高硅尾矿注浆材料。
背景技术
矿山尾矿是选矿厂在特定经济技术条件下，将矿石碎磨、选取有用组分后所排放的固体废弃物，具有粒度细、数量大、污染和危害环境的特点。我国是个矿业大国，但大多数矿山资源的品位较低，在选矿流程中排出大量的尾矿，随着矿产资源利用程度的提高，矿石的可开采品位相应降低，尾矿产生量也在增加。尾矿库堆存尾矿依然是目前处置尾矿的主要方式，不仅要侵占大量的土地，污染矿区与周边地区的环境，形成安全隐患，而且每年还需要投入大量资金维护尾矿库的正常运行。近几年，随着国家环保政策趋严，受限于行政审批难、新建尾矿库选址难度大、建库成本高等现实原因，尾矿处理成为制约企业发展的难题。因此，开展尾矿综合利用和减排的工作，使之变废为宝，化害为利，可有效缓解资源和环境的双重压力。
注浆技术是将具有充填胶结性能的材料配成浆液，利用注浆设备将其注入到地层的裂隙、孔隙或孔洞中，待浆液凝结、硬化后达到填充、加固或堵水的目的。注浆材料是影响注浆效果的重要因素，目前注浆材料分为无机注浆材料和有机注浆材料两大类，其中无机注浆材料可分为水泥注浆材料、粘土注浆材料、水玻璃注浆材料、绿色注浆材料等。水泥基注浆材料是目前应用最为广泛的注浆材料，其具有流动度、凝结时间可调，适应性强，施工工艺简单方便等优点，但缺点也较为显著，主要表现为浆液的稳定性较差、易沉淀析水等不足，并且由于水泥颗粒直径较大，注入能力对微细裂隙往往受到限制。水泥基材料注浆工艺中水泥的消耗量大，成本高，且水泥在生产过程中本身存在高能耗、高污染等问题，不适合当代可持续发展的要求。因此，开发新型低成本绿色注浆材料对于节能减排具有重要意义。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种微细粒高硅尾矿注浆材料。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下原料混合制成：高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙、粒化高炉矿渣和水；其中，注浆材料中石灰掺量为1％-10％，注浆材料中石膏掺量为1％-10％，注浆材料中氯化钙掺量为1％-5％，水的重量与高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙和粒化高炉矿渣总重量的比值(水灰比)为0.6-1.5。上述高硅尾矿可采用高硅金尾矿、高硅铁尾矿等。上述粒化高炉矿渣磨成细粉(S105级)。
高硅矿山尾矿的化学成分以SiO2为主，另含少量Al2O3、CaO、K2O、Na2O、Fe2O3等，化学成分与火山灰物质类似，但结构主要以结晶质矿物石英、长石、云母等为主，通常被认为是火山灰惰性材料。火山灰质活性材料是指具有火山灰活性的天然的或人工的矿物质材料，这类材料的特点是其中的活性SiO2、Al2O3等组分与水泥的水化产物Ca(OH)2能够发生水化反应，生成具有水硬特性的水化产物。传统的火山灰质活性材料主要为呈玻璃体或隐晶质结构的天然火山灰和经过高温煅烧的工业副产品，例如：火山灰、粉煤灰、冶炼矿渣、硅灰等。然而，近年来的研究表明，通过超细粉磨等活化处理后，矿山尾矿等这类晶质矿物原料也能够表现出良好的火山灰活性，使其在注浆材料制备方面展现出具有巨大应用潜力。高硅铁尾矿经过适度粉磨后，铁尾砂的活性指数明显提高，当其比表面积为596m2/kg时，标准养护条件下的28d活性指数达到68％，满足国标GB/2847-2005对火山灰质混合材料活性指数的要求。
优选的，高硅尾矿与粒化高炉矿渣的用量配比为1∶0.5-1.5，更加优选1∶0.8。
优选的，所述高硅尾矿的细度为430m2/kg-720m2/kg。高硅尾矿采用行星式球磨机进行粉磨，粉磨时间分别为20min、40min、80min，对应比表面积分别为430m2/kg、650m2/kg、720m2/kg。机械粉磨能够激发高硅矿山尾矿的水化胶凝活性，随着尾矿粉磨时间的延长，尾矿的水化胶凝活性不断改善，抗压强度明显提高。
优选的，注浆材料中石灰掺量为5％，注浆材料中石膏掺量为5％，注浆材料中氯化钙掺量为2％-3％，水的重量与高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙和粒化高炉矿渣总重量的比值(水灰比)为0.6-0.8。
注浆材料中石灰能够有效激发活化高硅尾矿的水化胶凝活性，随着石灰掺量的增加，抗压强度先增大后减小，石灰的最佳掺量为5％。石膏能够显著提高石灰激发活化尾矿的抗压强度，随着石膏掺量的增加，抗压强度先增大后减小，石膏的最佳掺量为5％。氯化钙能够显著提高石灰激发活化尾矿的抗压强度，随着氯化钙掺量的增加，抗压强度先增大后减小，氯化钙的最佳掺量为2-3％。
随着水灰比的增大，注浆材料各龄期抗压强度均不断减小，并且尾矿掺量越多，抗压强度越低。水灰比在小于1.0时，随着水灰比的增大，抗压强度降低较为迅速，水灰比大于1.0时，随着水灰比的增大，抗压强度降低幅度减缓。随着水灰比的增大，注浆材料的初凝时间和终凝时间不断延长；随着尾矿掺量的增加，初凝时间和终凝时间也不断延长。另外，随着水灰比的增大，注浆材料的粘度不断减小；随着尾矿掺量的增加，注浆材料的粘度不断提高。
控制高硅尾矿和粒化高炉矿渣的总用量一定，逐渐增加高硅尾矿的用量，降低粒化高炉矿渣的用量，实验结果表明，随着活化金尾矿掺量的增加，抗压强度降低。当尾矿掺量为90％时(此时不加粒化高炉矿渣)，抗压强度值随养护龄期的延长而增加，28天抗压强度可达到3.28MPa，说明活化金尾矿具有潜在的火山灰活性。
本发明的有益技术效果是：
本发明以微细粒高硅矿山尾矿为主要原料，采用石灰、石膏、氯化钙作为激发剂，粒化高炉矿渣作为性能调整剂，采用机械力化学和化学激发方法，制备出一种低成本绿色注浆材料，该注浆材料具有抗压强度高，泌水率小，浆液稳定性好等优点。
本发明基本原理是基于在石灰形成的碱性环境中，具有水化活性的微细粒高硅尾矿发生水化反应，其中活性氧化硅和活性氧化铝等组分与氢氧化钙生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硅酸铝酸钙等水化产物，为材料抗压强度的主要来源。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下重量份原料混合制成：高硅尾矿90份、石灰7份、石膏3份、氯化钙1份和水60份。
高硅尾矿采用行星式球磨机进行粉磨，粉磨时间为40min，对应比表面积为650m2/kg。
将上述重量份原料混合后搅拌均匀即得微细粒高硅尾矿注浆材料。
实施例2
一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下重量份原料混合制成：高硅尾矿90份、石灰5份、石膏2份、氯化钙3份和水60份。
高硅尾矿采用行星式球磨机进行粉磨，粉磨时间为40min，对应比表面积为650m2/kg。
将上述重量份原料混合后搅拌均匀即得微细粒高硅尾矿注浆材料。
实施例3
一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下重量份原料混合制成：高硅尾矿50份、石灰5份、石膏4份、氯化钙2份、粒化高炉矿渣40份和水60份。
高硅尾矿采用行星式球磨机进行粉磨，粉磨时间为80min，对应比表面积分别为720m2/kg。
将上述重量份原料混合后搅拌均匀即得微细粒高硅尾矿注浆材料。
实施例4
一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下重量份原料混合制成：高硅尾矿50份、石灰5份、石膏4份、氯化钙1份、粒化高炉矿渣40份和水60份。
高硅尾矿采用行星式球磨机进行粉磨，粉磨时间为20min，对应比表面积为430m2/kg。
将上述重量份原料混合后搅拌均匀即得微细粒高硅尾矿注浆材料。
实施例5
一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下重量份原料混合制成：高硅尾矿70份、石灰2份、石膏7份、氯化钙1份、粒化高炉矿渣20份和水60份。
高硅尾矿采用行星式球磨机进行粉磨，粉磨时间为60min，对应比表面积为650m2/kg。
将上述重量份原料混合后搅拌均匀即得微细粒高硅尾矿注浆材料。
实施例6
一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其是由以下重量份原料混合制成：高硅尾矿50份、石灰2份、石膏3份、氯化钙5份、粒化高炉矿渣40份和水60份。
高硅尾矿采用行星式球磨机进行粉磨，粉磨时间为60min，对应比表面积为650m2/kg。
将上述重量份原料混合后搅拌均匀即得微细粒高硅尾矿注浆材料。
实验方法
参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，将搅拌均匀的注浆材料灌入4cm×4cm×16cm三联试模立即用ZT-96型水泥胶砂成型振实台振实成型，用塑料袋密封后水平放置在(20±1)℃、湿度95％的HBY-40型水泥标准恒温恒湿养护箱中养护。采用WAY-300型电液式压力试验机测定养护3d、28d样品的无侧限抗压强度(UCS)。每个样品测3个数值，取其平均值作为最终强度数值。测试过程中，以2400±200N/s的速率匀速地加荷，直至样品破坏。
实验结果见下表1。
表1
从表1的实验结果来看，本发明实施例1-6制得的微细粒高硅尾矿注浆材料的抗压强度完全能够满足某些特殊应用领域对注浆材料的要求，如地铁隧道盾构法同步注浆材料(28d抗压强度1.5MPa)、矿山充填注浆材料(28d抗压强度1.5MPa)等。其中实施例3、4制得的微细粒高硅尾矿注浆材料的抗压强度均优于32.5复合硅酸盐水泥注浆材料，泌水率低于32.5复合硅酸盐水泥注浆材料。而且实施例3较其余实施例制得的抗压强度也有明显提高。

Claims (3)

1.一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其特征在于是由以下原料混合制成：高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙、粒化高炉矿渣和水；其中，注浆材料中石灰掺量为1％-10％，注浆材料中石膏掺量为1％-10％，注浆材料中氯化钙掺量为1％-5％，水的重量与高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙和粒化高炉矿渣总重量的比值为0.5-1.5。
2.根据权利要求1所述的一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其特征在于：所述高硅尾矿的细度为430m2/kg-720m2/kg。
3.根据权利要求1所述的一种微细粒高硅尾矿注浆材料，其特征在于：注浆材料中石灰掺量为5-6％，注浆材料中石膏掺量为3-4％，注浆材料中氯化钙掺量为1％-2％，水的重量与高硅尾矿、石灰、石膏、氯化钙和粒化高炉矿渣总重量的比值为0.6-0.8。
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