磷石膏基早強膠凝材料開發(fā)與廢棄物資源化利用

磷石膏基早強膠凝材料開發(fā)與廢棄物資源化利用金川鎳礦是我國最大、世界第三大型硫化銅鎳礦床。礦體圍巖破碎、地應(yīng)力高和埋藏深、厚度大,是國內(nèi)外并不多見的大型難采礦床。為了實現(xiàn)礦體安全和高效開采,以棒磨砂作為骨料和水泥左作為膠凝材料,采用下向分層進路膠結(jié)充填法采礦法,2010年的充填材料成本高達157.8元/m3,成本之高國內(nèi)外并不多見。近年來由于國際鎳價持續(xù)低迷,由此給金川礦山采礦經(jīng)濟效益帶來巨大壓力。為此開展降低充填材料成本的技術(shù)研究。首先進行金川礦山可利用的廢棄物資源物化特性分析,在此基礎(chǔ)上,開展基于唐鋼高活性礦渣的磷石膏基膠凝材料探索性試驗。然后針對酒鋼低活性礦渣開展不同料漿濃度和不同粉體細度的膠結(jié)充填體強度試驗。通過不同外加劑試驗,提高磷石膏基膠凝材料膠結(jié)充填體早期強度。為了實現(xiàn)固體廢棄物資源化利用,在單一骨料粒徑分析的基礎(chǔ)上,開展混合骨料粒徑級配分析與級配優(yōu)化。在進行混合骨料膠結(jié)充填體強度和充填料漿流變特性參數(shù)測試的基礎(chǔ)上,開展?jié)M足金川礦山充填法采礦的混合充填骨料配比優(yōu)化決策,由此獲得了充填料漿優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。最后,針對充填料漿優(yōu)化設(shè)計,針對金川礦山龍首礦充填系統(tǒng),進行高濃度料漿管道自流輸送特性的數(shù)值模擬,為磷石膏膠凝材料的混合粗骨料在金川礦山工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。通過研究,本研究獲得主要結(jié)論如下：(1)基于唐鋼高活性礦渣獲得了不同組分磷石膏基膠凝材料優(yōu)化配方：①石灰-芒硝兩組分激發(fā)劑最優(yōu)配方為：生石灰6%?7%、磷石膏30%和芒硝1%-3%。②石灰-NaOH兩組分配方為生石灰4%?6%、磷石膏30%和NaOH2%。③石灰-NaOH-芒硝三組分激發(fā)劑最優(yōu)配方為：石灰5%、磷石膏30%和NaOH3%、芒硝2%。三組分激發(fā)劑磷石膏基膠凝材料混合骨料膠結(jié)充填體的3d、7d和28d強度分別達到1.91MPa、8.99MPa和12.88MPa,滿足金川礦山膠結(jié)充填采礦要求,而充填膠凝材料成本比水泥降低24%。(2)揭示棒磨砂磷石膏基膠凝材料激發(fā)劑最優(yōu)配方：磷石膏最大摻量為40%和唐鋼礦渣微粉最小摻量為50%。隨著芒硝摻量的增加,膠結(jié)充填體早期強度隨之提高而后期強度隨之降低,芒硝摻量應(yīng)<2%。隨著石灰摻量增加，膠結(jié)充填體3d和28d強度降低速率與芒硝摻量相關(guān)。3d強度的降低速率隨芒硝摻量增加而減小,28d強度則反之。隨著生石灰摻量增加,膠結(jié)充填體7d強度隨之增加,其增加速率隨芒硝摻量的增加而減小。(3)獲得基于酒鋼低活性礦渣開發(fā)磷石膏基膠凝材料最優(yōu)配方：石灰5.5%~6.0%、磷石膏30%~33%、NaOH為1.5%?2.0%和芒硝為2.5%?3%。膠凝材料平均粒徑應(yīng)小于T6pm,需要添加早強劑或增效劑來提高膠凝材料的早期強度。當(dāng)膠砂比為1：4和80%的料漿濃度,廢石粗骨料膠結(jié)充填體強度滿足金川礦山膠結(jié)充填體設(shè)計強度,磷石膏基膠凝材料成本比水泥成本降低了40%。(4)揭示酒鋼礦渣磷石膏基膠凝材料力學(xué)特性規(guī)律：磷石膏基膠凝材料3d水化反應(yīng)慢,7d強度增長較快，早期強度隨著料漿濃度提高而提高。當(dāng)充填料漿的濃度每提高1%,磷石膏基膠凝材料充填體3d強度增加0.09MPa,7d強度增加0.6MPa。(5)磷石膏基膠凝材料膠結(jié)充填體早期強度,隨著膠凝材料的細度提高而增加。當(dāng)膠凝材料的平均粒徑大于16pm,膠結(jié)充填體早期強度隨細度提高呈線性增長：但當(dāng)粉體平均粒徑小于16pm,膠結(jié)充填體7d強度則呈指數(shù)增長。由此確定磷石膏基膠凝材料平均粒徑應(yīng)為T6pm,+45pm顆粒含量小于8%。(6)當(dāng)廢石與棒磨砂混合比例為3：7,膠砂比為1：4,料漿濃度為80%,混合充填料漿的流變曲線為一條不通過原點的上凸型曲線,呈現(xiàn)非線性遞增關(guān)系。流變曲線凸向剪切應(yīng)力軸,可以采用H-B流變模型加以表征。由此獲得料漿初始屈服應(yīng)力為51.66Pa,黏度系數(shù)為4.53Pa-s,雷諾數(shù)Re在37.74-246.5