孙晓刚;赵英良;邢军;邱景平;李浩
【摘 要】以河南某材料公司的高炉矿渣和粉煤灰为原料,NaOH溶液为碱激发剂,对山东某金属矿山的尾砂进行胶结充填体强度试验.结果表明,在高炉矿渣与粉煤灰的质量比为4,NaOH浓度为8 mol/L,液固质量比为0.5情况下,充填材料试件3 d、28 d的抗压强度分别为2.12和6.84 MPa,满足充填要求.SEM分析表明,高炉矿渣和粉煤灰在碱激发后生成大量的凝胶相,是充填材料试件产生强度的主要原因;XRD和FTIR分析表明,碱激发材料中出现了水化硅酸钙的晶相峰,Si(Al)—O—Si在碱激发作用下发生解聚后又重新聚合形成[SiO4],以及碱激发后的材料体系吸收空气中的CO2生成碳酸盐矿物,是净浆试件强度的主要来源.%Using blast furnace slag and fly ash from a material company in Henan as raw materials,NaOH solution as al-kali activator,the strength test of cement filling body for the metal mine tailings in Shandong is conducted. The results showed that when blast furnace slag/fly ash mass ratio was 4,NaOH concentration was 8 mol/L and liquid/solid mass ratio was 0. 5, the 3 d and 28 d compressive strength of cement filling material was 2. 12 and 6. 84 MPa respectively,which
meets the require-ments of backfilling. SEM analysis shows that a large number of gel phase is generated after alkali activation,which is the main reason for improving strength of the filling materials. XRD and FTIR analysis showed that the crystal phase peaks of hydrated calcium silicate appeared in the Alkali activated material. [ SiO4 ] is reconstituted after the depolymerization of Si( Al)—O—Si under the activation of alkali solution and furthermore,carbonate minerals were formed in Alkali activated material through the adsorption of CO2 from atmosphere. All these were the sources of strength of the test specimens.
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【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】4页(P189-192)
【关键词】高炉矿渣;粉煤灰;碱激发;胶凝材料;充填;抗压强度
【作 者】孙晓刚;赵英良;邢军;邱景平;李浩
【作者单位】东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳110819
【正文语种】中 文
【中图分类】TD985
传统的采矿作业会严重破坏区域地形地貌、地表地下水系，危害区域生态平衡［1］。随着“绿开采”理念的不断深入，矿业的“低开采、高利用、少废弃”的可持续发展目标逐步建立起来，其中，充填开采技术成为绿开采技术的核心，这其中又以充填材料的稳定性、多样性和适应性最为关键［2］。目前，大多数矿山的胶结充填使用以水泥为主的胶凝材料，水泥的使用使该采矿技术的成本难以有效降低。
20世纪30年代末，美国Purdon在研究波特兰水泥的硬化机理时发现，少量的NaOH在水泥硬化过程中可以起催化剂的作用，使水泥中的硅铝化合物比较容易溶解，并形成硅酸钠和偏铝酸钠，硅酸钠和偏铝酸钠与Ca(OH)2反应形成硅酸钙和铝酸钙矿物，使水泥硬化的同
时重新生成NaOH，再催化下一轮反应，因此，他提出了“碱激发”理论［3］。碱激发材料是以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料，通过碱金属离子激发作用下的缩聚反应实现化学键合的一类新型无机非金属材料，天然材料(如粘土或长石)以及工业废弃物(如矿渣、粉煤灰或矿山尾矿)都可以用来制备碱激发材料［4－9］。
高炉矿渣和粉煤灰是2种常见的工业废弃物，本研究将探讨碱激发高炉矿渣－粉煤灰制备矿山充填用胶凝材料的工艺技术条件。
试验用碱为分析纯NaOH片状试剂，高炉矿渣和粉煤灰均取自河南某材料公司，尾砂取自山东某金属矿山，主要化学成分分析结果见表1，粒度分析结果见表2。
2.1 试件的制备
(1)充填材料试件的制备。将高炉矿渣和粉煤灰按一定质量比混合，再按灰砂比1∶6添加尾砂，在JJ－5型胶砂搅拌机中低速混合搅拌2 min，按一定液固质量比加入一定浓度(mol/L)的NaOH溶液，高速搅拌5 min后注入φ50 mm×100 mm的圆柱形模具中，将试模在胶砂振实台上振动2 min后，用聚氯乙烯塑料薄膜密封，在恒温(20℃)恒湿(湿度90%)养护箱中养护至预定龄期。
(2)净浆试件的制备。将高炉矿渣和粉煤灰按质量比4混合后，按液固质量比0.5加入浓度为8 mol/L的NaOH溶液，在SJ－160型水泥净浆搅拌机中快速搅拌5 min后注入φ50 mm×100 mm的圆柱形模具中，将试模在胶砂振实台上振动2 min后，用聚氯乙烯塑料薄膜密封，在恒温(20℃)恒湿(湿度90 %)养护箱中养护28 d。快鸟卫星
2.2 试件的检测
(1)充填材料试件的检测。用NYL－200D型压力试验机测定养护3 d、28 d充填材料试件的抗压强度(5次的平均值);将养护28 d的试件测定抗压强度后的碎块置于丙酮中浸泡24 h，105℃烘干至恒重，切割成1.0 cm×1.0 cm×1.0 cm的小块，用Phillip XL 30型扫描电子显微镜观察其微观结构(SEM检测)。
(2)净浆试件的检测。将净浆试件置于丙酮中浸泡24 h以终止反应，然后在105℃下烘干(至质量恒定)，破碎、研磨至70～0 μm，然后进行XRD和FTIR分析。
碱激发高炉矿渣－粉煤灰制备矿山充填用胶凝材料的工艺技术条件采用3因素4水平正交试验确定，3因素分别为高炉矿渣与粉煤灰的质量比 A、NaOH浓度B、液固质量比C，各因
素水平取值见表3，按正交表L16(43)进行试验，结果见表4，表4中数据的极差分析结果见表5。
由表4可看出，15号试验3 d、28 d的充填材料试件的抗压强度均最高，因素组合为A4B3C2。计算机集成制造系统
由表5可看出，各因素的优化组合为A4B3C3，这与表4的结果不一致。因此，按此因素组合，即高炉矿渣与粉煤灰的质量比为4、NaOH浓度为8 mol/L、液固质量比为0.5进行了验证试验，充填材料试件3 d、28 d的抗压强度分别为2.12和6.84 MPa，满足充填要求。
结合表4、表5可以看出，提高高炉矿渣与粉煤灰的质量比，充填材料试件的抗压强度上升，这是因为高炉矿渣主要成分为无定形玻璃相，比粉煤灰更容易被碱激发。由于碱激发反应需要较高的pH环境，因此，提高NaOH的浓度有利于加速原材料中活性成分的溶解［11］，促进反应的进行;然而过高的NaOH会导致碱激发反应产生C—S—H和N—A—S—H等凝胶，凝胶的过早沉淀会阻碍反应的进行。一定程度上提高充填材料拌制过程的液固比，充填材料试件的抗压强度上升，一方面是因为碱激发反应需要水作为载体，以便将被碱溶出的离子重新结合［12］，同时，料浆浓度的降低可降低料浆的黏度，使料浆中的气
泡容易排出，材料的孔隙率降低，抗压强度升高。
4.1 充填材料试件的微观结构
图1为高炉矿渣与粉煤灰的质量比为4、NaOH浓度为8 mol/L、液固质量比为0.5条件下养护28 d充填材料试件的SEM图片。
由图1可看出，高炉矿渣和粉煤灰在碱激发后生成了大量的凝胶相，这是其产生强度的主要原因;试件内部的明显裂隙，主要是因材料内部失水、毛细管收缩造成的。
4.2 净浆试件的水化机理
净浆试件的XRD和FTIR分析结果分别见图2、图3。
由图2可以看出，高炉矿渣含少量石英和方解石，主要为无定形相，这是其具有较高水化活性的原因。相比之下，粉煤灰中含有大量的石英、长石以及莫来石。碱激发后的净浆试件中石英、长石、方解石等的晶相峰减弱，出现了水化硅酸钙等凝胶的衍射峰，这是由于高炉矿渣和粉煤灰在NaOH的激发下，内部含Ca、Si、Al的有潜在活性的成分溶出后，发生水化反应生成了致密网络结构的水化硅酸钙等凝胶［13］，这是试件强度的主要来源。
由图3可以看出，800 cm－1处反应了［AlO6］9－八面体和［AlO4］5－四面体的配位状态;1 100 cm－1处的谱带是粉煤灰中T—O—Si(T代表Si，Al)的伸缩振动区［3］，碱激发后T—O—Si的伸缩振动向低波数偏移，并且变得更加尖锐，说明T—O—Si在碱激发作用下发生解聚后又重新聚合形成［SiO4］;1 460 cm－1处为的特征吸收峰，这一吸收峰主要存在于高炉矿渣和碱激发后的材料中，这是由于高炉矿渣中含有方解石等碳酸盐矿物，而碱激发后的材料由于体系呈强碱性，容易吸收空气中的 CO2，进而生成; 1 650、3 460以及3 480 cm－1处为OH－的振动峰，并且峰值在碱激发后变得尖锐，这是由于NaOH的加入为材料体系引入了大量的OH－所致［14］。
(1)以河南某材料公司的高炉矿渣和粉煤灰为原料，NaOH溶液为碱激发剂，对山东某金属矿山的尾砂进行胶结充填体强度试验，在高炉矿渣与粉煤灰的质量比为4，NaOH浓度为8 mol/L，液固质量比为0.5情况下，充填材料试件3 d、28 d的抗压强度分别为2.12和6.84 MPa，满足充填要求。
(2)高炉矿渣和粉煤灰在碱激发后生成大量的凝胶相，是充填材料试件产生强度的主要原因;碱激发材料中出现了水化硅酸钙的晶相峰，T—O—Si在碱激发作用下发生解聚后又重新聚
合形成［SiO4］，以及碱激发后的材料体系吸收空气中的CO2生成碳酸盐矿物，是净浆试件强度的主要来源。
【相关文献】
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一位父亲给梦鸽的信［2］石建新.浆体膨胀充填材料性能研究与应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2013.Shi Jianxin.Performance Study and Application of Paste Expansion Filling Materials［M］.Xuzhou:China Mining University Press，2013.
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