硫酸钠激发胶凝材料制备尾矿充填体的设计与性能研究
发布时间：2021-08-10 17:53
在矿产分选作业中,将目标组分含量较低而无法用于生产的部分称为尾矿,这些尾矿由于各种经济与技术原因被长期搁置,不仅占用土地资源,也对周边环境产生污染。目前处理尾矿的主要方式是将水泥与尾矿制备成采空区充填体,这种充填体的成本高,且部分性能不能满足工程需求。因此,矿山急需一种兼具经济环保与高性能的新型胶凝材料充填体。本文使用硫酸钠激发胶凝材料,制备出了一种能够处理铅锌尾矿的经济环保型充填体。研究了激发剂掺量、矿粉掺量、水灰比对硫酸钠激发胶凝材料的宏观性能与微观结构的影响。对硫酸钠激发的分级尾矿充填体进行了工作性能、力学性能、微观结构上的测试与分析,使用合理的配方制备出了满足工程要求的尾矿充填体。在此基础之上,进一步研究了细尾矿的掺入对尾矿充填体的影响,通过调整配方与外加剂,制备出了一种能使用细尾矿完全替代分级尾矿的新型充填体,该充填体能够满足工程需求,且在成本上较分级充填体更低。最后,本文对铅锌尾矿的有害离子溶出行为,以及硫酸钠激发胶凝材料制备的充填体的离子固化能力进行了研究,并分析了不同的固化剂在铅锌尾矿充填体中的适用性,通过胶凝材料与固化剂的共同作用,使尾矿充填体的有害离子溶出降低到限制...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
硫酸钠激发纯矿粉的水化产物XRD[24]
武汉理工大学硕士学位论文4BaiY[26]研究了硫酸钠激发胶凝材料在高温下的化学稳定性与机械稳定性。其研究表明硫酸钠是一种有效的矿渣激发剂，其浓度对材料的工作性影响较大。与普硅水泥相比，硫酸钠激发矿渣在600°C下仍有较高的残余强度，具备耐火材料的潜质，其强度变化如图1-2所示。此外，该研究还发现经过800°C高温后，硅酸盐水泥中的C-S-H凝胶会分解形成-C2S与C3S相，而在硫酸钠激发矿渣体系中则会形成镁黄长石、镁硅钙石以及钙黄长石相。图1-2硫酸钠激发矿粉在高温下强度的变化[26]上述研究中硫酸钠激发胶凝材料虽具备较好的机械性能，但其必须经过40°C的升温养护，除赤道附近的地区外，大部分地区常年平均气温在15-25°C之间，对于建筑的养护条件更接近于25°C标准养护，而关于硫酸钠激发胶凝材料在标准养护条件下的研究目前还较少。ProvisJL[25]研究了标准养护18个月龄期内硫酸钠激发胶凝材料的结构演变，并探讨了其在核废料固化中的潜在应用。该研究表明在25°条件下，硫酸钠激发胶凝材料的溶解-沉淀时期长达5天左右，但材料能够凝结、硬化，并形成一定的强度。此外，通过XRD和NMR的测试手段，该研究还发现在18个月的养护龄期内，矿粉反应程度在不断增加，其反应产物C-A-S-H与钙矾石的含量也随养护时间增加而增加。对于大多数建筑材料而言，凝结时间与早期强度都是较为重要的指标，对于使用氢氧化钠、硅酸钠等强碱激发胶凝材料，由于其较高的pH值,使得前驱体矿粉、粉煤灰的水化速率快，能够满足建筑材料的早期需求，而对于硫酸钠激发胶凝材料，如果只使用矿粉作为前驱体，其凝结时间与早期强度往往达不到建筑材料的标准。如果在硫酸钠激发矿粉体系中添加硅酸盐水泥，能够显著改善材料的早期性能。DengY[27]研究了碱金属硫
武汉理工大学硕士学位论文6图1-3四种减水剂的对尾矿充填体的流动性影响[36]尾矿充填体的抗压强度主要受以下几个因素影响[37]：（1）胶凝材料的抗压强度（2）料将浓度（水灰比与灰砂比）（3）尾矿的化学成分和粒径分布（4）养护环境和养护时间。KesimalA[38]研究了用沉积法分级尾矿对充填体强度的影响，实验对细尾矿（＜20μm）含量分别为52%与54%的尾矿A和B进行了沉积分级处理，使细尾矿含量分别降到30%、25%、20%与15%，并对不同细尾矿含量的尾矿充填体进行了无侧限抗压强度（USC）测试，实验结果如图1-4所示。该实验结果表明，降低细尾矿的含量有助于提高充填体的强度，在细尾矿含量为25%时，充填体具有最高的抗压强度。此外，实验还发现B型尾矿制备的充填体在同样细颗粒含量下的强度始终低于A型，这是由于其较高的保水性所致。周科平[39]使用灰色关联分析研究了尾矿粒径分布对充填体强度的影响，实验结果表明粒径低于20μm的细尾矿对充填体的抗压强度贡献最小，粒径在20-100μm的中尾矿对充填体的抗压强度贡献一般，而粒径在100-248μm的粗尾矿对抗压强度的贡献最大。图1-4不同细砂含量下两种尾矿充填体的USC结果[38]由于矿山采空区被回填后，需承受来自周围土壤的长期压力，因此尾矿充填体的耐久性能同样需要被考虑。高含硫量的尾矿（8-20wt%）对充填体的耐久性能有显著影响，这种影响主要是硫酸盐对硅酸盐水泥的侵蚀造成的[17]。由于充填
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学激发水泥-粉煤灰充填膏体胶凝性实验研究[J]. 崔博强,刘音,李浩,郭皓,路瑶. 矿业研究与开发. 2018(03)
[2]合成条件对钙矾石形貌的影响[J]. 张文生,张金山,叶家元,王宏霞,张建波,刘锦成. 硅酸盐学报. 2017(05)
[3]我国金属矿尾矿微晶石材料的研发与产业化[J]. 张金青. 金属矿山. 2016(09)
[4]矿渣碱激发胶凝材料早期性能的响应曲面研究[J]. 高原,许金余,张国喜,范建设. 建筑材料学报. 2016(02)
[5]全尾砂膏体料浆流动性影响因素的试验研究[J]. 郑娟荣,吕杉杉,赵振波. 金属矿山. 2013(09)
[6]中国金属尾矿资源综合利用现状研究[J]. 刘恋,郝情情,郝梓国,张金青,费红彩. 地质与勘探. 2013(03)
[7]全尾砂膏体料浆的流变特性研究[J]. 翟永刚,吴爱祥,王洪江,陈琴瑞,李航空,严佳龙. 金属矿山. 2010(12)
[8]我国胶结充填工艺发展的技术创新[J]. 于润沧. 中国矿山工程. 2010(05)
[9]国内外铁尾矿的综合利用现状[J]. 肖力光,伊晋宏,崔正旭. 吉林建筑工程学院学报. 2010(04)
[10]碱矿粉无机聚合物混凝土的制备及性能研究[J]. 付亚伟,蔡良才,曹定国,吴永根. 建筑材料学报. 2010(04)
本文编号：3334517
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
硫酸钠激发纯矿粉的水化产物XRD[24]
武汉理工大学硕士学位论文4BaiY[26]研究了硫酸钠激发胶凝材料在高温下的化学稳定性与机械稳定性。其研究表明硫酸钠是一种有效的矿渣激发剂，其浓度对材料的工作性影响较大。与普硅水泥相比，硫酸钠激发矿渣在600°C下仍有较高的残余强度，具备耐火材料的潜质，其强度变化如图1-2所示。此外，该研究还发现经过800°C高温后，硅酸盐水泥中的C-S-H凝胶会分解形成-C2S与C3S相，而在硫酸钠激发矿渣体系中则会形成镁黄长石、镁硅钙石以及钙黄长石相。图1-2硫酸钠激发矿粉在高温下强度的变化[26]上述研究中硫酸钠激发胶凝材料虽具备较好的机械性能，但其必须经过40°C的升温养护，除赤道附近的地区外，大部分地区常年平均气温在15-25°C之间，对于建筑的养护条件更接近于25°C标准养护，而关于硫酸钠激发胶凝材料在标准养护条件下的研究目前还较少。ProvisJL[25]研究了标准养护18个月龄期内硫酸钠激发胶凝材料的结构演变，并探讨了其在核废料固化中的潜在应用。该研究表明在25°条件下，硫酸钠激发胶凝材料的溶解-沉淀时期长达5天左右，但材料能够凝结、硬化，并形成一定的强度。此外，通过XRD和NMR的测试手段，该研究还发现在18个月的养护龄期内，矿粉反应程度在不断增加，其反应产物C-A-S-H与钙矾石的含量也随养护时间增加而增加。对于大多数建筑材料而言，凝结时间与早期强度都是较为重要的指标，对于使用氢氧化钠、硅酸钠等强碱激发胶凝材料，由于其较高的pH值,使得前驱体矿粉、粉煤灰的水化速率快，能够满足建筑材料的早期需求，而对于硫酸钠激发胶凝材料，如果只使用矿粉作为前驱体，其凝结时间与早期强度往往达不到建筑材料的标准。如果在硫酸钠激发矿粉体系中添加硅酸盐水泥，能够显著改善材料的早期性能。DengY[27]研究了碱金属硫
武汉理工大学硕士学位论文6图1-3四种减水剂的对尾矿充填体的流动性影响[36]尾矿充填体的抗压强度主要受以下几个因素影响[37]：（1）胶凝材料的抗压强度（2）料将浓度（水灰比与灰砂比）（3）尾矿的化学成分和粒径分布（4）养护环境和养护时间。KesimalA[38]研究了用沉积法分级尾矿对充填体强度的影响，实验对细尾矿（＜20μm）含量分别为52%与54%的尾矿A和B进行了沉积分级处理，使细尾矿含量分别降到30%、25%、20%与15%，并对不同细尾矿含量的尾矿充填体进行了无侧限抗压强度（USC）测试，实验结果如图1-4所示。该实验结果表明，降低细尾矿的含量有助于提高充填体的强度，在细尾矿含量为25%时，充填体具有最高的抗压强度。此外，实验还发现B型尾矿制备的充填体在同样细颗粒含量下的强度始终低于A型，这是由于其较高的保水性所致。周科平[39]使用灰色关联分析研究了尾矿粒径分布对充填体强度的影响，实验结果表明粒径低于20μm的细尾矿对充填体的抗压强度贡献最小，粒径在20-100μm的中尾矿对充填体的抗压强度贡献一般，而粒径在100-248μm的粗尾矿对抗压强度的贡献最大。图1-4不同细砂含量下两种尾矿充填体的USC结果[38]由于矿山采空区被回填后，需承受来自周围土壤的长期压力，因此尾矿充填体的耐久性能同样需要被考虑。高含硫量的尾矿（8-20wt%）对充填体的耐久性能有显著影响，这种影响主要是硫酸盐对硅酸盐水泥的侵蚀造成的[17]。由于充填
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学激发水泥-粉煤灰充填膏体胶凝性实验研究[J]. 崔博强,刘音,李浩,郭皓,路瑶. 矿业研究与开发. 2018(03)
[2]合成条件对钙矾石形貌的影响[J]. 张文生,张金山,叶家元,王宏霞,张建波,刘锦成. 硅酸盐学报. 2017(05)
[3]我国金属矿尾矿微晶石材料的研发与产业化[J]. 张金青. 金属矿山. 2016(09)
[4]矿渣碱激发胶凝材料早期性能的响应曲面研究[J]. 高原,许金余,张国喜,范建设. 建筑材料学报. 2016(02)
[5]全尾砂膏体料浆流动性影响因素的试验研究[J]. 郑娟荣,吕杉杉,赵振波. 金属矿山. 2013(09)
[6]中国金属尾矿资源综合利用现状研究[J]. 刘恋,郝情情,郝梓国,张金青,费红彩. 地质与勘探. 2013(03)
[7]全尾砂膏体料浆的流变特性研究[J]. 翟永刚,吴爱祥,王洪江,陈琴瑞,李航空,严佳龙. 金属矿山. 2010(12)
[8]我国胶结充填工艺发展的技术创新[J]. 于润沧. 中国矿山工程. 2010(05)
[9]国内外铁尾矿的综合利用现状[J]. 肖力光,伊晋宏,崔正旭. 吉林建筑工程学院学报. 2010(04)
[10]碱矿粉无机聚合物混凝土的制备及性能研究[J]. 付亚伟,蔡良才,曹定国,吴永根. 建筑材料学报. 2010(04)
本文编号：3334517
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