摘要：通過水泥凈漿強度試驗和水泥-尾砂漿體流動性及其固化體的強度試驗，確定了適宜于尾砂固化的堿礦渣水泥的較好的配合比，和尾砂固化中堿礦渣水泥的適宜摻量。采用低模數水玻璃，按14%與礦渣粉配合得到的堿礦渣水泥，可以獲得較好的凈漿硬化體抗壓強度，最高可達3 天69.6MPa，7 天84.0MPa，28天91.8MPa。在水泥-尾砂漿體固含量相同的情況下，堿礦渣水泥-尾砂漿體的流動性明顯優于硅酸鹽水泥尾砂漿體的流動性，堿礦渣水泥-尾砂固化體強度高于硅酸鹽水泥-尾砂固化體強度，尤其是后期強度更加明顯。而在控制尾砂漿體流動度相同的情況下，前者固含量可以高于后者2%。SEM 對水泥-尾砂固化體內部微觀結構的觀察表明，堿礦渣水泥-尾砂固化體內部結構顯示出明顯的膠結特征，原本松散分離的尾砂顆粒在堿礦渣水泥的膠結作用下相互固膠結成牢固的整體，堿礦渣水泥用量增加時這種膠結作用增強。固化體內部孔結構的MIP 測定結果也表明，堿礦渣水泥用量增加時固化體總孔隙率減小，孔隙中大孔比例減少，小孔比例增加。綜合水泥-尾砂漿體流動性和固化體強度兩方面的試驗結果，可以認為堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適合于用作尾砂膠結材。
關鍵詞：堿；礦渣；尾砂；回填；流動性
1 引言
在礦山回填作業中，比較廣泛地采用普通硅酸鹽水泥作為尾砂膠結材料，但是，這種做法受到漿體流動性和回填固化體強度的限制比較大。這是因為普通硅酸鹽水泥的需水量比較大，回填漿體的固含量要很低才能滿足自流回填要求，而漿體固含量的降低會影響回填固化體的強度。所以，相繼又出現了多種回填膠結材料[1]，但都因回填成本過高，或基建投資較大等因素沒有被廣泛采用。堿礦渣水泥[2]具有需水量低，早期強度高，耐化學侵蝕性好，長期耐久性好等特點，所以本研究采用堿激發的原理來制備堿礦渣水泥，并就堿礦渣水泥和普通硅酸鹽水泥對鉛鋅尾砂的固化效果進行了實驗室試驗比較。試圖為堿礦渣水泥在礦山尾砂回填中的應用提供試驗基礎。
2 實驗
2.1 原料
尾砂：由南京棲霞山鋅陽礦業有限公司提供，系鉛鋅礦尾砂。原料尾砂為粉狀物質，比重3.09g/cm3，0.08mm 方孔篩篩余44.81%。化學成分分析結果和XRD 測定結果分別示于表1 和圖1 所示。可見，鉛鋅尾砂的化學成分主要為SiO2 和CaO，占大約60%，同時含有少量的Al2O3，MgO，Fe2O3 和MnO，還有少量低價S。礦物組成主要包括含鎂方解石（Calcitemagnesian, Mg0.064Ca.936)(CO3)）、石英（Quartz, SiO2），和少量的硫鐵礦（Pyrite, FeS2）、菱錳礦（Rhodochrosite, MnCO3)、鎂菱錳礦（Kutnohorite magnesian, Ca (Mn, Mg)(CO3)2）等。從礦物組成的特點可知，鉛鋅尾砂應當屬于水硬惰性物質。
表1 鉛鋅尾砂的化學成分/%
圖1 鉛鋅尾砂的XRD 測定圖譜及分析結果
礦渣粉：安徽朱家橋水泥有限公司提供。化學成分見表2，XRD 測定圖譜見圖2。礦渣粉的主要化學成分為CaO，SiO2 和Al2O3 及少量的MgO。計算可知，堿度系數為0.95，質量系數為1.86。說明該礦渣粉屬于酸性礦渣，圖2 所示的XRD 譜線特征表明該礦渣粉以玻璃體為主，沒有結晶相，質量系數大于1.2，可以認為該礦渣粉應當具有較好的活性。礦渣粉比表面積445m2/kg，45μm 方孔篩篩余1.2%。
表2 礦渣粉的化學成分/%
圖2 礦渣粉的XRD 測定圖譜和分析結果
水玻璃：采用市售工業級液體水玻璃。水玻璃原始組分為Na2O 含量12.89%，SiO2 含量31.17%，模數M=2.5，雜質含量小于0.02%。
2.2 實驗方法
（1）水泥凈漿強度實驗
水泥凈漿強度測定試體為20mm×20mm×20mm 的立方體，水灰比為0.3，采用凈漿攪拌機機械攪拌，裝模后人工跳桌振動30 次。20±2℃、RH＞90%濕空氣環境常規養護24h，脫模后20±1℃水中養護至預定養護齡期。每個齡期的試樣制備6 個試塊，強度測定時得到6個破壞載荷數據，剔除最大值和最小值，取剩余四個數據的平均值作為該試樣的破壞載荷，再按下式計算被測試樣的抗壓強度：
R=P/S
R-抗壓強度（N/mm2，MPa）
P-抗壓試驗破壞載荷平均值（N）
S-抗壓試驗時試體受壓面積（400mm2）
（2）漿體流動性和固化體強度測定
①水泥-尾砂漿體制備
為了使實驗中尾砂的狀態盡量接近現場實際狀態，實驗前按照設定的漿體固含量將所需要的干尾砂和水混合配成尾砂漿體，預先放置于塑料小桶中，放置12h。使用時再將尾砂漿體和所需水泥倒入攪拌鍋內，慢速攪拌5min 后停機，制成水泥-尾砂漿體，備用。
②水泥-尾砂漿體流動性測定
參照《GB/T2419-2005 水泥膠砂流動度測定方法》中規定的試驗方法和試驗條件，對制備好的水泥-尾砂漿體進行流動性測定。
③水泥-尾砂漿體固化體制備及強度測定
把攪拌好的水泥-尾砂漿體用料勺裝入規格為Φ50mm×100mm 的圓柱體PVC 模具內，分兩次將水泥-尾砂漿體裝入模子中。當裝料量達到1/2 模子高度時，暫停裝填，將模子放置于水泥膠砂振動臺上，振動10 次，以除去隨料漿帶入模具內的氣泡。繼續裝料至高出模具，再振動10 次。用刮刀把料漿沿模子頂部抹平，用保鮮膜密封模具上口，再用橡皮筋把保鮮膜邊緣扎緊。寫好編號和養護齡期，放入濕空氣環境養護。待試塊達到一定強度時（一般以脫模后基本不變形為標準），把試塊從模具中取出，用保鮮膜包裹嚴實，寫上編號，放回養護室。養護室溫度20±1℃，空氣相對濕度＞90%條件下繼續養護。
當試塊養護到預定齡期后，取出，用YSH-2 型石灰土無側限壓力儀測定固化體的抗壓強度。測定時，每個齡期需要三個試樣，以三個試樣強度的算術平均值作為該固化體試樣的抗壓強度試驗結果。
3 實驗結果及分析
3.1 堿礦渣水泥的強度
實驗中采用了三種不同模數的水玻璃作為激發劑制備堿礦渣水泥。水玻璃的三個模數分別為M1，M2 和M3，其中M1＞M2＞M3。
從圖3 可以看出，水玻璃在相同模數的情況下，強度隨著水玻璃摻量的增加均是先增加后減小，表明水玻璃摻量存在一個最佳值。這個最佳值隨著水玻璃模數的增大而變大，即模數為M3 時最佳摻量為10%，模數為M2 時最佳摻量為14%，模數為M1 時最佳摻量也在14%左右。這是因為水玻璃模數小時，其溶液的含堿量高，對礦渣的作用明顯。還可以看到，在試驗的水玻璃模數范圍之內，堿礦渣水泥不但具有較高的早期強度，而且后期強度也有一定的發展。從圖3 還可以看出，水玻璃模數為M2 時，水泥強度發展比較穩定，且最優配比的最高強度也比模數為M3 和M1 的堿礦渣水泥強度高，3 天、7 天和28 天的抗壓強度分別為69.6MPa、84.0MPa 和91.8MPa。
圖3 堿礦渣水泥抗壓強度與水玻璃模數和摻量的關系
3.2 堿礦渣水泥對鉛鋅尾砂的固化效果
3.2.1 堿礦渣水泥-尾砂漿體與普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體流動性比較
圖4 表示的是分別采用上述三種水泥得到的水泥-尾砂漿體流動性測定結果。采用的三種水泥分別為PO32.5 普通硅酸鹽水泥（簡記為PO32.5）、1#（水玻璃模數M2，摻量12%）堿礦渣水泥和2#（水玻璃模數M3，摻量10%）堿礦渣水泥，分別對應圖4 中所示的點劃線、實線和虛線三組數據。試驗中分別考察了三種不同的水泥-尾砂漿體的固含量，即72%、73%和74%。
圖4 堿礦渣水泥水泥-尾砂漿體與普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體流動性的比較
從圖4 可以看出，在水泥-尾砂漿體固含量相同的情況下，堿礦渣水泥-尾砂漿體的流動性明顯優于普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體的流動性。從圖4 還可以看出，在采用堿礦渣水泥的場合下，當尾砂漿體固含量為74%時，其流動性仍然優于漿體固含量為72%的普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體。這說明，在現場操作中以堿礦渣水泥作為膠結材時，可以比普通硅酸鹽水泥作為膠結材的漿體固含量至少高出兩個百分點，即可以增加2%的尾砂，或者說可以在相同的漿體固含量下，堿礦渣水泥作為膠結材時的流動性更好。由此可以認為，堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適合于用作尾砂回填膠結材料。
3.2.2 堿礦渣水泥-尾砂與普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體強度比較
為了進一步弄清堿礦渣水泥對鉛鋅尾砂的固化效果，就漿體固含量同在73%的情況下，分別就采用PO32.5 普通硅酸鹽水和堿礦渣水泥制備的水泥-尾砂固化體的強度發展情況進行了比較試驗。試驗結果如圖5 所示。
從圖5 可以看出，堿礦渣水泥和普通硅酸鹽水泥用作尾砂膠結材料時，尾砂固化體的強度發展情況隨摻量和養護齡期的變化規律基本相同，這一點與前文[3，4]報道的研究結果也完全一致。與普通硅酸鹽水泥固化的場合相比，采用堿礦渣水泥時，尾砂固化體的強度發展情況顯示出明顯的優越性。無論是固化體的早期強度還是后期強度，堿礦渣水泥-尾砂固化體強度均高于普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體強度，早期強度差別較小，后期強度區別十分明顯，前者強度可以達到后者的2-3 倍，說明堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥對鉛鋅尾砂的固化有更好的效果。換言之，如果要求尾砂固化體達到相同設計強度，那么采用堿礦渣水泥作為回填膠結材料就可以比普通硅酸鹽水泥節省相當部分水泥用量，從而進一步增加有效尾砂回填量，提高尾砂回填綜合效率。
圖5 堿礦渣水泥-尾砂固化體與普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體強度的比較
通過以上的分析，聯系尾砂回填工程實際，可知在采用堿礦渣水泥作為膠結材料回填尾砂的過程中，在保證改善流動性的前提下，回填體的強度是不會降低的。相反，在相同的漿體固含量下，不僅漿體流動性可以得到改善，強度還會有所提高。因此，采用堿礦渣水泥替代普通硅酸鹽水泥，既可以提高尾砂的利用率，又提高了固化體強度，提高了回填質量，表明堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適宜于用作尾砂回填膠結材料。
3.2.3 堿礦渣水泥-尾砂固化體微觀結構分析
從漿體的流動性和固化體強度這兩方面來看，堿礦渣水泥對尾砂的固化效果明顯優于普通硅酸鹽水泥。為了更好的了解堿礦渣水泥對尾砂固化效果好的內在原因，我們對固化體的內部結構進行了SEM 觀察。圖6-圖8 分別表示水玻璃模數為M3，固化體水泥摻量為10%，15%，30%養護齡期分別為7 天和28 天的堿礦渣水泥-尾砂固化體的SEM 照片。圖9 表示的是與7 天養護齡期試樣對應的孔隙率的變化。
從圖6，圖7，圖8 來看，在尾砂固化的過程中，尾砂是惰性材料，固化體的強度主要是水泥的水化產物的填充和搭接產生的，由圖上可以看出隨著水泥摻量的增加尾砂顆粒之間的填充物由纖維狀搭接變化為顆粒堆積，孔徑也隨著水泥摻量的增加而逐漸減小，這也是和圖9 所顯示的結果是一致的。
可以看出，對于養護齡期相同的固化體試樣，隨著堿礦渣水泥摻量的增加固化體結構逐漸致密化。當養護齡期為7 天時，水泥摻量為10%時固化體內的孔隙主要集中于0.1mm 左右，水泥摻量增加至15%時固化體內的孔隙主要集中于1μm 左右，而當水泥摻量增加至30%時固化體內的孔隙則主要集中于小于50nm 的區域。當養護齡期為28 天時，水泥摻量為10%時固化體內的孔隙就已經集中于小于1μm 的區域，水泥摻量增加至15%時固化體內的孔隙則已經集中于小于50nm 的區域，而當水泥摻量增加至30%時固化體內的孔隙則幾乎全部集中于小于10nm 的區域，已經基本與硬化水泥石內部孔隙相接近。
圖9 堿礦渣水泥-尾砂固化體內部孔結構的MIP 測定結果
4 結論
（1）水玻璃模數為M2，摻量為14%時，堿礦渣水泥凈漿強度最高，3 天、7 天和28 天抗壓強度可分別達到69.6MPa，84.0MPa 和91.8MPa。
（2）在水泥-尾砂漿體固含量相同的情況下，堿礦渣水泥-尾砂漿體的流動性明顯好于普通硅酸鹽水泥-尾砂漿體的流動性，固化體強度也明顯高于普通硅酸鹽水泥-尾砂固化體，尤其是后期強度提高更明顯。
（3）堿礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥更適合于用作尾砂回填膠結材料。
參考文獻
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文集[C], 2004.9, 51-55
Abstract: The appropriate proportion of the alkali activated slag cement suitable for the stabilization of Pb-Zntailings and its appropriate amount of addition were determined by means of examination of flowability of thecement – tailings fresh paste and strength development of the hardened cement – tailings paste. The results showedthat alkali activated slag cement with very good properties of strength development with 3d compressive strength69.6MPa, 7d compressive strength 84.0MPa and 28d compressive strength 91.8MPa could prepared by mixing14% water glass with low modulus into granulated blast furnace slag powder. Tailings paste with addition of alkaliactivated slag cement showed a better flowability and also showed better strength development, especially at lateages than that of original Portland cement, when the solid content of the cement – tailings paste was controlled atsame level. As a result, the solid content of the former could be controlled 2% higher than that of the later with theflowability of the tailings paste to be unchanged. SEM observation on the microstructure of the hardened cement tailings paste revealed that the hardened tailings paste stabilized with alkali activated slag cement showed densermicrostructure as compared with that of the original tailings paste, and the more the addition of alkali activatedslag cement the denser the microstructure of the hardened tailings paste. Furthermore, the pore distribution insidethe hardened cement – tailings paste indicated that the total porosity of the hardened paste decreased and itsproportion of large pores also decreased with the increase of the proportion of small pores when the addition ofalkali activated slag cement increased. It was believed that alkali activated slag cement would be more suitable tobe used as stabilizer for tailings than original Portland cement on the basis of the acquired test results.
Key words: alkali; slag; tailings; back fill; flowability
