充填膠結(jié)材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

充填膠結(jié)材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1高水速凝材料國(guó)內(nèi)外用完井的水泥粘合劑主要包括以普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥為代表的硅酸鹽水泥、以機(jī)渣、粉煤灰等活性廢物為代表的工業(yè)廢物的膠結(jié)材料。主要是高水基材料。硅酸鹽水泥具有來(lái)源廣泛、質(zhì)量穩(wěn)定、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn),但硅酸鹽水泥對(duì)固結(jié)細(xì)顆粒骨料效果不甚理想。而在井下充填中最常用的骨料就是選礦廠排棄的尾砂,通常尾砂具有顆粒小、含泥量高的特點(diǎn),同時(shí)由于受到充填工藝的制約(通常以重力自流輸送為主),配制出的井下充填尾砂漿水灰比大,由于以上兩點(diǎn),致使硅酸鹽水泥在井下充填應(yīng)用中普遍效果不佳。高水速凝復(fù)合材料也是一種固體水硬性膠凝材料。該材料具有較強(qiáng)的固水能力,材料水化后形成水化產(chǎn)物的體積含水率可達(dá)85%～90%,其水化產(chǎn)物在如此高的含水率的情況下仍具有較高的抗拉及抗壓強(qiáng)度,因此高水速凝材料也被稱為“點(diǎn)水成石”的神奇材料。其實(shí)高水速凝復(fù)合材料與普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥一樣,也可以稱為水泥家族的一員。若根據(jù)水化產(chǎn)物來(lái)劃分,它更接近于硫鋁酸鹽水泥,兩者水化產(chǎn)物都是以高硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)和低硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)為其主要水化產(chǎn)物。高水材料可以說(shuō)是井下充填的一種較為理想的膠結(jié)材料,但高水材料也存在一些明顯缺陷。其主要缺點(diǎn)是材料成本高,其次是材料對(duì)硫鋁酸鹽水泥熟料質(zhì)量要求嚴(yán)格。由于硫鋁酸鹽水泥熟料生產(chǎn)廠家少,一些小廠生產(chǎn)的硫鋁酸鹽水泥熟料質(zhì)量不高,導(dǎo)致高水材料性能大幅度下降,質(zhì)量不穩(wěn)定,制約了高水材料的廣泛應(yīng)用。爐渣、粉煤灰等活性廢料在井下充填應(yīng)用的也較為廣泛。爐渣、粉煤灰都可以看作為活性火山灰質(zhì)材料,其主要礦物組成為鋁硅玻璃體、石英和莫來(lái)石等結(jié)晶礦物,鋁硅玻璃體是其潛在活性的主要組成部分,一般情況下鋁硅玻璃體含量越高,其活性也越高。但鋁硅玻璃體多為球形,表面致密,不易水化,表現(xiàn)為活性較低、早期強(qiáng)度低,因此礦山大量用爐渣、粉煤灰作為膠結(jié)材料的通常用于充填強(qiáng)度要求較低的二步回采后的礦柱。但近年來(lái)隨著對(duì)爐渣、粉煤灰等活性廢料研究的深入,找到了一些激發(fā)其活性的物理與化學(xué)方法,其應(yīng)用范圍也在逐漸擴(kuò)大。新研制開發(fā)出的基于高爐水淬渣的礦山井下充填膠結(jié)材料以大量應(yīng)用工業(yè)廢棄物——高爐水淬渣為主要生產(chǎn)原料之一,材料具有成本低、強(qiáng)度高、效果優(yōu)、無(wú)毒、無(wú)害、環(huán)保等特點(diǎn),是一種高活性的粉狀水硬性材料。選用湖北某鋼廠排出的高爐水淬渣經(jīng)活化處理后,以復(fù)合激化劑激化,可大大提高其水化活性,在膠結(jié)材料中的摻入量也可以達(dá)到40%～60%。水化后形成的充填體強(qiáng)度比普通硅酸鹽水泥在同樣灰砂比情況下充填體強(qiáng)度高出50%以上,膠凝材料生產(chǎn)成本低于普通硅酸鹽水泥,具有良好的應(yīng)用前景。新材料可適用于尾砂自流膠結(jié)充填、塊石膠結(jié)充填、膏體泵壓輸送膠結(jié)充填。材料與尾砂配比為1:4～1:15,重量濃度65%～72%時(shí)具有良好的管路自流輸送性能,使用該材料在湖北大紅山等礦山現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好效果。2爐渣水淬渣的水化過(guò)程高爐水淬渣膠凝材料的水化研究主要是分析3CaO·SiO2-2CaO·SiO2-3CaO·3Al2O3·CaSO4-CaSO4-CaO-H2O六元系統(tǒng)中所發(fā)生的化學(xué)變化。材料主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠、水化硫鋁酸鈣、鋁膠、鐵膠等。水化過(guò)程中系統(tǒng)首先發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):3CaO·SiO2+nH2O→xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)22CaO·SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2CaO+H2O→Ca(OH)2高爐水淬渣的水化過(guò)程首先是爐渣中SiO2、Al2O3與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)。爐渣與水拌和后在表面形成一層水膜,石灰膠粒與水淬渣接觸后,石灰膠粒中的Ca2+和OH-進(jìn)入水淬渣表面的水膜中在水淬渣表面就形成一層含有OH-和Ca2+的水膜溶液―堿性膜溶液,堿性膜溶液形成后,爐渣表面開始受到腐蝕,發(fā)生火山灰反應(yīng),即:(活性)SiO2+m1Ca(OH)2+nH2O→m1CaO·SiO2·nH2O(活性)Al2O3+m2Ca(OH)2+nH2O→m2CaO·Al2O3·nH2O混合料養(yǎng)生水分的不斷供給,高爐水淬渣表面堿性薄膜不斷形成,同時(shí)通過(guò)爐渣面水化產(chǎn)物間的縫隙向里滲透,進(jìn)一步對(duì)爐渣腐蝕,火山灰反應(yīng)繼續(xù),直到水淬渣全部水化。由于膠凝材料中含有大量的石膏,石膏起到了硫酸鹽激發(fā)劑作用,其主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下:3CaO·Al2O3·6H2O+3CaSO4+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O高爐水淬渣中的鐵相與石膏發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:4CaO·Al2O3·Fe2O3+3CaSO4+36H2O→3CaO·[xAl2O3,(1-x)Fe2O3]·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2+2xFe(OH)3(gel)+(2-2x)Al(OH)3(gel)高爐水淬渣中的活性Al2O3與Ca(OH)2反應(yīng)生成的水化鋁酸鈣與石膏繼續(xù)反應(yīng),并生成水化硫鋁酸鈣即鈣礬石。由于鈣礬石的形成,消耗了水淬渣水化后的主要水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣,因此加速了水淬渣水化過(guò)程。同時(shí)新生成水化硫鋁酸鈣還會(huì)增加結(jié)構(gòu)本身的密實(shí)度,該產(chǎn)物含水量很高,使得游離水量大大減少,對(duì)材料后期強(qiáng)度提高有一定貢獻(xiàn)。3水提取物凝膠材料的制備和性能3.1化學(xué)法催化氧化法高爐水淬渣主要礦物成分為硅酸鈣、鋁酸鈣、莫來(lái)石、游離氧化鈣、鐵酸鹽等,試驗(yàn)表明高爐水淬渣經(jīng)高溫鍛燒后具有一定的水硬活性。湖北某鋼廠排出的爐渣的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。高爐水淬渣本身可與Ca(OH)2和CaSO4發(fā)生一些水化反應(yīng)。但通常爐渣水化反應(yīng)速度慢,水化產(chǎn)物不理想,因此對(duì)高爐水淬渣活性的有效激發(fā)是研究的關(guān)鍵內(nèi)容。高爐水淬渣常用的活性激化手段包括物理方法與化學(xué)方法,物理方法主要是通過(guò)破碎、粉磨等手段提高高爐水淬渣的比表面積,從而增加其水化活性。化學(xué)方法是通過(guò)加入外加劑使反應(yīng)向人們預(yù)期的方向進(jìn)行。通過(guò)向高爐水淬渣內(nèi)加入一定量的石灰和石膏,可以明顯地提高其水化活性。試驗(yàn)將高爐水淬渣、無(wú)水石膏、石灰經(jīng)破碎粉磨,達(dá)到200目的細(xì)度要求后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),高爐水淬渣與石膏、石灰混合后雖然可以發(fā)生一定的水化反應(yīng),但水化過(guò)程相對(duì)緩慢,早期強(qiáng)度低,高爐水淬渣的水化反應(yīng)主要發(fā)生在28d以后。試樣早期強(qiáng)度很低,7d時(shí)基本不具備水化強(qiáng)度,28d左右才具一定強(qiáng)度(強(qiáng)度為90d的20%左右),30～90d內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,90d強(qiáng)度基本可以達(dá)到終期強(qiáng)度的60%左右。盡管經(jīng)過(guò)破碎、粉磨并加入石灰、石膏后對(duì)激發(fā)高爐水淬渣的活性起到了一定的作用,但其水化周期長(zhǎng)、早期強(qiáng)度低仍是其水化的主要特點(diǎn)。通過(guò)大量試驗(yàn)開發(fā)出了一種對(duì)激發(fā)高爐水淬渣活性具有良好效果的復(fù)合激化劑,加入激化劑后可以有效地提高高爐水淬渣的早期強(qiáng)度,使其在7d抗壓強(qiáng)度就可以達(dá)到后期強(qiáng)度的30%左右,28d內(nèi)達(dá)到其后期強(qiáng)度的70%左右,大大縮短了高爐水淬渣的水化周期。3.2原料和爐渣活性化劑試驗(yàn)選用的主要材料如下:湖北某鋼廠排出的高爐水淬渣、硬石膏、生石灰、普通硅酸鹽水泥熟料和爐渣活性激化劑。經(jīng)大量配比試驗(yàn)確定優(yōu)化配比見(jiàn)表2。3.3材料結(jié)合性能膠凝材料與尾砂膠結(jié)強(qiáng)度見(jiàn)表3。3.4濃度和速度高爐水淬渣膠凝材料充填料漿沉降規(guī)律與普通硅酸鹽水泥相似,其最終沉降濃度與速度也基本相近。可以認(rèn)為礦山井下充填專用高性能水淬渣膠凝材料與普通硅酸鹽水泥在同等條件下對(duì)充填料漿的懸浮性影響基本一致,沉降為20%。礦山井下充填專用高爐水淬渣膠凝材料充填料漿沉降試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。3.5坍落度測(cè)定結(jié)果對(duì)高爐水淬渣膠凝材料與分級(jí)尾砂配制成的膠結(jié)材料進(jìn)行了坍落度測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表5。根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),坍落度25時(shí)可視為料漿管道安全自流輸送上限濃度,試驗(yàn)表明高爐水淬渣膠凝材料配制膠結(jié)充填料漿具有良好的水力輸送性能。3.6材料漿的完全結(jié)合期高爐水淬渣膠凝材料充填料漿初凝時(shí)間為300～420min,終凝時(shí)間不遲于24h。4橡膠凝膠材料的生產(chǎn)工藝高爐水淬渣生產(chǎn)工藝包括高爐水淬渣烘干、原料破碎、計(jì)量配料、材料粉磨、材料貯存等。4.1干燥生產(chǎn)原料中高爐水淬渣通常含水率較高,不可直接與其它材料混合干磨,高爐水淬渣首先要經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)將爐渣烘干。4.2材料的破碎生產(chǎn)原料包括熟料、高爐水淬渣、生石灰、石膏。原料中除外加劑以外都需要進(jìn)行破碎。材料的破碎均采用二級(jí)破碎。粗碎采用鄂式破碎機(jī),細(xì)碎選用圓錐破碎機(jī)或細(xì)碎鄂式破碎機(jī)。原料入料粒度要控制在400mm以下,一級(jí)破碎機(jī)出口粒度控制在小于100mm,二級(jí)破碎出口粒度控制在小于2～10mm。4.3原料配方計(jì)量經(jīng)破碎好的生產(chǎn)原料分別裝入各原料倉(cāng)內(nèi),配料過(guò)程中按設(shè)計(jì)配比將各種原料由料倉(cāng)內(nèi)放出,原料配料計(jì)量可采用電子計(jì)算機(jī)控制斗稱進(jìn)行計(jì)量和配料,經(jīng)過(guò)計(jì)量后的各種原料經(jīng)皮帶輸送機(jī)送到粉磨系統(tǒng)。4.4粉磨系統(tǒng)的粉磨工藝礦山井下充填專用高性能水淬渣膠凝材料,粉磨采用混磨方式,將破碎好的各種原料經(jīng)計(jì)量與配料系統(tǒng)后,送入磨機(jī)進(jìn)行粉磨,粉磨可采用開路粉磨系統(tǒng)和閉路粉磨系統(tǒng)。高爐水淬渣膠凝材料細(xì)度要求0.08mm方格篩篩余<5%。4.5提高水分含量、防濕防濕的能力高爐水淬渣膠凝材料經(jīng)混合粉磨后活性較高,在空氣中很容易吸收水分而結(jié)硬變質(zhì)?？刹捎蒙⒀b和袋裝存貯,袋裝須采用有防潮措施的包裝袋,貯存庫(kù)要通風(fēng)良好、防潮、防濕。成品貯存期為:散裝料1個(gè)月,袋裝料2個(gè)月。5高爐水淬渣膠凝材料基本技術(shù)試驗(yàn)與性能分析使用新型材料在湖北三鑫公司、大紅山等礦山進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn),取得了很好的效果。高爐水淬渣膠凝材料的充填工藝可采用地表充填料漿制備站制漿,充填管路自流輸送至采場(chǎng)。地表充填制備系統(tǒng)由砂倉(cāng)、水泥倉(cāng)、攪拌桶及儀表控制系統(tǒng)組成。充填系統(tǒng)見(jiàn)圖1。在基本掌握高爐水淬渣膠凝材料基本技術(shù)特點(diǎn)與性能的基礎(chǔ)上有計(jì)劃地開展了工業(yè)試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)料漿濃度、灰砂比控制較穩(wěn)定,嚴(yán)格控制了清洗管路用水的排放和井下脫水管理。充填體強(qiáng)度較均勻、整體性良好,未見(jiàn)有充填體開裂、明顯沉降回縮現(xiàn)象。生產(chǎn)試驗(yàn)表明,采用高爐水淬渣膠凝材料配制的充填體具有較好的承載能力,抗爆破性能好,后期強(qiáng)度較28d還有一定提高,但充填濃度過(guò)低或脫水管理不良時(shí)可能產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象。充填體質(zhì)量完全滿足中深孔和上向水平分層充填采礦工藝對(duì)強(qiáng)度的要求,開采損失和貧化率低、安全性好,充填成本較普通水泥下降