CN111187045B - 一种利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆 - Google Patents

一种利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，包括复合凝胶材料、细骨料，复合凝胶材料、细骨料的质量比为1：6‑12；复合凝胶材料由铁尾矿粉、矿渣微粉、生石灰、脱硫灰及外加剂组成；特细铁尾矿粉、矿渣微粉、生石灰、脱硫灰的质量比为5‑25：40‑75：5‑20：5‑15：0‑5；所述细骨料由特细铁尾矿砂、钢渣砂组成；所述特细铁尾矿砂、钢渣砂的质量比为8‑20：5‑12。本发明各原料配合合理，使制得的充填砂浆单轴抗压强度高，流动性好，施工便捷，工程造价低。

Description

一种利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆。
背景技术
钢渣作为炼钢中产生的副产物不断堆积，占用土地且污染环境。钢渣矿物组成以硅酸三钙、硅酸二钙和RO相组成，属于硅酸盐系，故钢渣具有某些熟料的较高活性，且自身含有游离的氧化钙和氧化镁等成分。当钢渣粒径较小时，存在水化后体积不稳定性的问题，故国内钢渣综合利用率较低。因此，如何大宗量利用钢渣是我们迫切解决的问题。
已有研究表明，钢渣粒径越小，其体积不稳定越大。故在钢渣砂的粒径级配中不能采用特细钢渣砂作为细骨料，导致钢渣砂粒径级配中缺少特细粒径范围的细骨料。同时，矿山选矿后也存在粒径小于特细铁尾矿砂的铁尾矿粉废弃物，铁尾矿粉具有一定的胶凝活性，可以和矿渣微粉、生石灰及脱硫灰制备碱性复合胶凝材料，并通过外加剂进行胶凝活性激发。为了解决以上问题，本发明采用矿山选矿后大量堆存的特细铁尾矿砂废弃物和钢渣砂进行物理粒径级配，以达到最佳的级配效果。与铁尾矿粉、矿渣微粉、生石灰和脱硫灰等制备的碱性复合胶凝材料配制矿山井下充填砂浆。本发明充分利用冶金和矿山开采的固体废弃物，具有显著的经济效益和社会效益。
发明内容
为充分利用冶金废弃钢渣和矿山开采的固体废弃物，本发明提供一种利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，制备的矿山井下充填砂浆具有抗压强度高，流动性好，工程成本低等优点。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，包括复合凝胶材料、细骨料，所述复合凝胶材料、细骨料的质量比为1：6-12。
所述复合凝胶材料由铁尾矿粉、矿渣微粉、生石灰、脱硫灰及外加剂组成；所述铁尾矿粉、矿渣微粉、生石灰、脱硫灰及外加剂的质量比为5-25：40-75：5-20：5-15：0-5。
所述细骨料由特细铁尾矿砂、钢渣砂组成；所述特细铁尾矿砂、钢渣砂的质量比为8-20：5-12。
优选地，所述铁尾矿粉和特细铁尾矿砂所用铁尾矿材料相同，所述铁尾矿的SiO2含量大于66％、MgO含量小于8％。
优选地，所述铁尾矿粉堆积密度为1308.9kg/m3，所述铁尾矿粉粒径范围在80μm以下，细度模数为0.90；所述特细铁尾矿砂堆积密度1132kg/m3，所述特细铁尾矿砂粒径0-0.15mm，细度模数为1.30，属于III区砂。
优选地，所述矿渣微粉的SiO2含量大于27％、CaO含量大于35％。
优选地，所述矿渣微粉堆积密度为1322.3kg/m3，所述矿渣微粉粒径90μm以下，细度模数为0.98。
优选地，所述钢渣砂的CaO含量大于41％、Fe2O3含量大于19％、SiO2含量小于12％。
优选地，所述钢渣砂堆积密度2506.3kg/m3，所述钢渣砂粒径为0-2.36mm，属于II区砂。
本发明矿山井下用充填砂浆的制备方法为：将复合凝胶材料、细骨料中加入适量水混合均匀，即得所述充填砂浆。
优选地，所述复合凝胶材料、水、细骨料的质量比为1：2.0-2.4：6、1：2.1-2.7：8、1：2.2-2.8：10或1：2.3-2.9：12。
本发明以钢渣砂和选矿废弃物作为主要原料制备矿山井下充填用砂浆，包括的铁尾矿、钢渣砂和矿渣微粉均为工业废渣，与水泥、水泥熟料相比显著节约了成本。其中，复合胶凝材料中每个成分具体作用如下：
铁尾矿：具有一定的活性，具有“潜在水硬性”，其化学成分与水泥相似。铁尾矿粉中SiO2和Fe2O3含量较高，可以作为硅质原料和铁质校正原料烧制水泥熟料。
矿渣微粉：活性较高，粘结性能较高，其化学成分与水泥相似。被运用于水泥和商品混凝土中添加，主要表现为三种利用形式：外加剂形式、掺合料形式、主掺形式。主要作用是可以提高水泥、混凝土的早强和改善混凝土的某些特性(如易和性、提高早强、减少水化热等)。
钢渣砂：钢铁煅烧后的废弃物，其形态呈砂砾状，具有一定的硬度和活性，含有游离的CaO和MgO等成分水化后会产生体积膨胀，本发明采用粒径筛选后较粗的钢渣砂具有体积稳定性。
生石灰：生石灰与水反应生成氢氧化钠，提供了矿渣水解所需的碱性环境和钙离子。水解产生硅酸根离子与钙离子反应生成硅酸钙胶凝，从而产生强度。
脱硫灰：脱硫灰中的SO3为硅酸盐的进一步转化提供了硫酸根离子，有助于硫硅酸钙水化物凝胶的形成。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用的铁尾矿粉和矿渣微粉其自身具有较高的活性和潜在水硬性，因此可实现较强的凝结性和硬度。
(2)本发明进一步地利用生石灰提供矿渣水解所需的碱性环境，其可以破坏矿渣表面的酸性薄膜层和不规则的化学锁链结构，使之凝结性加强，而再加入适量的脱硫灰提供了硫酸根离子，促进硫硅酸钙水化物凝胶的形成，克服铁尾矿粉本身胶凝活性不足的问题。
(3)本发明配合适量由特细铁尾矿砂、钢渣砂级配组成的细骨料制备砂浆，特细铁尾矿砂、钢渣砂均具有较好的活性和硬度，即与上述复合凝胶材料具有很好的结合性，又能起到优异的充填效果。
(4)本发明使用特细铁尾矿砂对钢渣砂进行物理级配，有效提高了矿山井下充填砂浆稳定性和强度。
(5)将本发明中的复合凝胶材料、细骨料与水混合后制得矿山井下充填用砂浆，其流动性好，可采用管道输送。
(6)本发明采用的原材料均为廉价的工业原料、工业废弃物及矿山现场资源，不需高温焙烧和研磨等工序制备，便于现场拌和，显著降低工程造价和施工难度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明下述实施例中，铁尾矿粉堆积密度为1308.9kg/m3，粒径范围在80μm以下，细度模数为0.90。特细铁尾矿砂堆积密度为1132kg/m3，粒径为0-0.15mm，细度模数为1.30，属于III区砂。矿渣微粉堆积密度为1322.3kg/m3，粒径90μm以下，细度模数为0.98。钢渣砂堆积密度2506.3kg/m3，粒径为0-2.36mm，包含I区砂、II区砂和III区砂。采用X射线荧光光谱分析(XRF)测得铁尾矿、矿渣微粉和钢渣砂的化学成分如表1至表3所示：
表1铁尾矿主要化学成分(％)
Figure BDA0002364131270000051
表2矿渣微粉主要化学成分(％)
Figure BDA0002364131270000052
表3钢渣砂主要化学成分(％)
Figure BDA0002364131270000053
实施例1：
一种矿山井下充填用砂浆，包括复合胶凝材料、细骨料和水。
按重量计，取铁尾矿粉17份，矿渣微粉62份，生石灰11份，脱硫灰10份混合作为复合胶凝材料。
取360份特细铁尾矿砂以及240份钢渣砂混合作为细骨料。
将复合胶凝材料、水和细骨料按1：2.1：6的质量比混合，得到矿山井下充填用的充填砂浆。
将上述砂浆制成40mm×40mm×160mm的试块，将试块置于标准养护箱中48h后拆模，拆模后放入20℃的恒温水中养护，分别检测试块3d、7d和28d的单轴抗压强度。
实施例2：
一种矿山井下充填用砂浆，包括复合胶凝材料、细骨料和水。
按重量计，取铁尾矿粉17份，矿渣微粉62份，生石灰11份，脱硫灰10份混合作为复合胶凝材料。
取480份特细铁尾矿砂以及320份钢渣砂混合作为细骨料。
将复合胶凝材料、水和细骨料按1：2.3：8的质量比混合，得到矿山井下充填用的充填砂浆。
将上述砂浆制成40mm×40mm×160mm的试块，将试块置于标准养护箱中48h后拆模，拆模后放入20℃的恒温水中养护，分别检测试块3d、7d和28d的单轴抗压强度。
实施例3：
一种矿山井下充填用砂浆，包括复合胶凝材料、细骨料和水。
按重量计，取铁尾矿粉17份，矿渣微粉62份，生石灰11份，脱硫灰10份混合作为复合胶凝材料。
取600份特细铁尾矿砂以及400份钢渣砂混合作为细骨料。
将复合胶凝材料、水和细骨料按1：2.4：10的质量比混合，得到矿山井下充填用的充填砂浆。
将上述砂浆制成40mm×40mm×160mm的试块，将试块置于标准养护箱中48h后拆模，拆模后放入20℃的恒温水中养护，分别检测试块3d、7d和28d的单轴抗压强度。
实施例4：
一种矿山井下充填用砂浆，包括复合胶凝材料、细骨料和水。
按重量计，取铁尾矿粉17份，矿渣微粉62份，生石灰11份，脱硫灰10份混合作为复合胶凝材料。
取720份特细铁尾矿砂以及480份钢渣砂混合作为细骨料。
将复合胶凝材料、水和细骨料按1：2.5：12的质量比混合，得到矿山井下充填用的充填砂浆。
将上述砂浆制成40mm×40mm×160mm的试块，将试块置于标准养护箱中48h后拆模，拆模后放入20℃的恒温水中养护，分别检测试块3d、7d和28d的单轴抗压强度。
实施例1-4中试块3d、7d和28d的的单轴抗压强度由表4所示。
表4矿山充填砂浆抗折与抗压强度
Figure BDA0002364131270000071
由表4可以看出，胶砂比为1：6-1：12时，充填砂浆28d单轴抗压强度比《预拌砂浆》(JG/T230-2007)规定的28d充填体强度提高1.17-2.82倍。这说明本发明所述的复合胶凝材料与特细铁尾矿砂和钢渣砂的结合状态良好，完全满足矿山井下充填砂浆要求。为了更好的为工程运用节约成本，本发明提出最小胶砂比1：12的充填砂浆，最大可能地减小复合胶凝材料的用量，保证强度质量和流动度的同时极大地降低了工程成本。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，其特征在于，包括复合凝胶材料、细骨料，所述复合凝胶材料、细骨料的质量比为1：6-12；
所述复合凝胶材料由铁尾矿粉、矿渣微粉、生石灰、脱硫灰及外加剂组成；所述铁尾矿粉、矿渣微粉、生石灰、脱硫灰及外加剂的质量比为5-25：40-75：5-20：5-15：0-5；
所述细骨料由特细铁尾矿砂、钢渣砂组成；所述特细铁尾矿砂、钢渣砂的质量比为8-20：5-12；
所述铁尾矿粉和特细铁尾矿砂所用铁尾矿材料相同，所述铁尾矿的SiO2含量大于66％、MgO含量小于8％；所述矿渣微粉的SiO2含量大于27％、CaO含量大于35％；所述钢渣砂的CaO含量大于40％、Fe2O3含量大于19％、SiO2含量小于10％。
2.根据权利要求1所述的利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，其特征在于，所述铁尾矿粉堆积密度为1308.9kg/m3，所述铁尾矿粉粒径范围在80μm以下，细度模数为0.90；所述特细铁尾矿砂堆积密度为1132kg/m3，所述特细铁尾矿砂粒径为0-0.15mm，细度模数为1.30，属于III区砂。
3.根据权利要求1所述的利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，其特征在于，所述矿渣微粉堆积密度为1322.3kg/m3，所述矿渣微粉粒径90μm以下，细度模数为0.98。
4.根据权利要求1所述的利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，其特征在于，所述钢渣砂堆积密度2506.3kg/m3，所述钢渣砂粒径为0-2.36mm，属于II区砂。
5.根据权利要求1-4任一项所述的利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，其特征在于，其制备方法为：将复合凝胶材料、细骨料中加入适量水混合均匀，即得所述充填砂浆。
6.根据权利要求5所述的利用钢渣砂和选矿废弃物制备的矿山井下充填砂浆，其特征在于，所述复合凝胶材料、水、细骨料的质量比为1：2.0-2.4：6、1：2.1-2.7：8、1：2.2-2.8：10或1：2.3-2.9：12。
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