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铜尾矿、粉煤灰制备干粉砂浆的研究
曹素改1 ,赵风清2 ,于殿雨2 ,朱宏博2 ,李 建2
(1. 河北中科环保有限公司,石家庄050031; 2. 河北科技大学,石家庄050018 )
矿山尾矿的处置一直是一个世界性的难题。随着人类对矿产资源的不断开采,尾矿排放量与日俱增。尾矿的堆积容易引发地质灾害,造成大气、土壤和地下水污染,甚至引起生态破坏。以低成本安全处置尾矿或使其资源化是人们追求的目标。我国现有国有矿山8000多座,年尾矿排放量达3亿t以上,每年尾矿的堆放占去耕地3万亩,堆放费达10亿元。另外,维护、动力消耗和资源浪费也非常大,处理不当还有造成泥石流、溃堤的危险。大量尾矿的堆积还造成扬尘和水污染,危及生态。另外,建筑业的迅猛发展,消耗了大量的砂浆,其主要原料- 河砂则越来越少,资源短缺问题逐渐显露,而且大量开采河砂严重影响了河道的安全性。因此,砂浆的生产方式以及原料选择的改革成为必然,新型环保型干粉砂浆的开发势在必行[ 1 ] 。本研究采用生态型胶凝材料取代传统的普通硅酸盐水泥,用尾矿部分取代河砂,同时开发复合保水增稠剂,成功制备了新型环保型干粉砂浆。开发的产品大量利用固体废弃物资源,同时减少了二氧化碳的排放和河砂资源的消耗,保护了生态环境,因此,产品符合国家的产业政策和可持续发展的国策,属于环保节能型产品。
1 原材料与试验方法
1. 1 原材料
本试验用原材料矿渣、粉煤灰、尾矿等均为承德铜兴矿业生产中排放的废弃物,原材料主要化学组成见表1。
试验中所用骨料依照GB /T 14684 – 2001《建筑用砂》标准筛分计算细度,尾矿模数是0. 61、粗尾矿(尾矿> 150μm部分)模数是1. 32、河砂模数是1. 7、中粗砂模数是(河砂> 300μm部分) 2. 3。
1. 2 试验方法
砂浆保水性测试:执行DBJ /T01 – 73 – 2003《干拌砂浆应用技术规程》附录B 砂浆保水性试验方法。砂浆强度、稠度、分层度、干收缩、抗冻融等性能测试:执行JGJ 70 – 90《建筑砂浆基本性能试验方法》。胶凝材料测试:执行GB /T17671 – 1999《水泥胶砂强度检验方法》、GB /T1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》。
2 试验及数据分析
2. 1 胶凝材料[ 2～3 ]
将干态矿渣、粉煤灰等固体废弃物分别粉磨至比表面积400 ㎡ /㎏左右,掺加适量碱性激发剂和调整剂,物料按比例计量混匀制成生态型水泥,该水泥原材料配比为矿渣:粉煤灰:激发剂:调整剂= 73. 4: 18. 35:8: 0. 25,生态型胶凝材料和42. 5#普通硅酸盐水泥主要性能指标见表2。
试验数据表明:生态型胶凝材料比42. 5 #普通硅酸盐水泥的抗压强度略高,抗折强度却有很大提高,凝结时间和安定性指标符合标准要求,完全可以代替普硅水泥生产干粉砂浆。
2. 2 保水增稠助剂
综合尾矿砂浆需水量大和干收缩严重等特点,河北中科环保有限公司自主开发了以改性膨润土为主辅之以萘系减水剂和高分子材料的专用保水增稠剂SK,其保水增稠的效果明显,还能调节体系用水量,降低产品的干收缩率,有效提高产品的综合性能。表3的数据证明SK的不同加量对砂浆保水率和强度的影响(固定砂浆配比为生态型胶凝材料:尾矿:粗河砂= 1:3: 1, SK加量为水泥的百分比) 。
结果说明:砂浆保水率随SK加量的增加而增长;当SK加量在1%时,砂浆强度达到峰值,分层度也达到了理想的指标水平, SK继续增加,强度有下降趋势。
2. 3 骨料的颗粒级配
骨料的合理颗粒级配有利于水泥浆水化产物的形成,从而保证砂浆的综合性能[ 4 ] 。表4为保持水泥和骨料的比例为1: 4,添加1%的SK,骨料的不同细度级配对砂浆性能的影响规律。
结果表明,随着尾矿砂浆骨料中粗砂比例的增加,砂浆强度呈增加趋势;粗尾矿代替河砂制备的砂浆产品与河砂制备的砂浆产品性能指标接近。因此,尾矿合理筛分或部分代替河砂用于砂浆具有实际的应用意义。
2. 4 干粉砂浆的配方设计及性能检测
在探索试验数据和综合考虑经济性的基础上,确定尾矿砂浆产品的骨料以尾矿和中粗砂3: 1组成,设计的系列产品配方及性能检测结果见表5。
表5数据表明:利用生态型胶凝材料、专用保水增稠助剂SK、尾矿等配制的不同种类、不同强度等级的干粉砂浆产品,经检测其稠度、分层度、保水率、凝结时间以及28d抗压强度都达到理想的指标水平。
2. 5 干收缩试验
干收缩试验是测定砂浆试块在( 20 ±3) ℃,湿度60%以上的养护条件下,不受外力作用时不同龄期的试块长度与其成型7d后的试块初始长度比较的变化率。
试验结果见表6,可看出,尾矿经筛分后代替河砂或尾矿部分代替河砂制备的生态型砂浆干收缩绝对值各龄期均比传统的硅酸盐水泥砂浆低,甚至后期略显膨胀,是因为掺加的保水增稠助剂SK中膨润土吸水后体积膨胀,部分补偿了砂浆的干燥收缩[ 5～6 ] 。3 组试块的干收缩率在各龄期均小于标准中0. 05%的要求,满足工程施工的需求。
2. 6 冻融试验
依据JGJ 70 – 90对DM7. 5尾矿砂浆试块进行冻融循环次数25次抗冻性能试验结果见表7,对比样为普通硅酸盐水泥河砂制备的同等级砂浆。
表7表示,在相同冻融条件下,生态型尾矿砂浆的强度和重量损失值都比硅酸盐水泥砂浆小,而且在标准要求的范围内,说明生态型水泥尾矿砂浆具有更加优异的抗冻性能,试验中的砂浆产品经25次冻融循环试验的抗冻性能合格。
3 结论
利用粉煤灰矿渣制备新型生态型胶凝材料代替普通硅酸盐水泥、利用矿山尾矿部分代替河砂,添加专用保水增稠助剂开发的系列干粉砂浆产品,各项性能指标符合标准《干拌砂浆应用技术规程》(DBJ /T01 – 73- 2003)的要求,固体废弃物利用率高达70% ～90% ,节约了资源,具有很好的经济效益、社会效益和环保效益。
