一種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及礦山尾砂膠結(jié)充填、礦山環(huán)境治理及采空塌陷區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域， 具體涉及一種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑及其制備方法，適用于各種金屬礦山的充填采 礦工程以及采空塌陷區(qū)生態(tài)修復(fù)工程。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，伴隨產(chǎn)生大量的低品位工業(yè)固體廢棄物（有價(jià)成份含量 低、難以再次回收利用的工業(yè)固體廢棄物），大量的低品位工業(yè)固體廢棄物如果不加利用， 直接丟棄將會(huì)造成環(huán)境污染，因此，將低品位工業(yè)固體廢棄物二次資源化利用成為當(dāng)務(wù)之 急。低品位工業(yè)固體廢棄物可分成三大類，一類為經(jīng)歷高溫?zé)釟v史、具有潛在可激發(fā)膠凝活 性的工業(yè)固體廢棄物，一般含有豐富的低聚度硅氧四面體和鋁氧四面體結(jié)構(gòu)，在激發(fā)劑作 用下，能發(fā)生結(jié)構(gòu)重組，形成高聚合度的水硬性材料，如高爐礦渣、鉻鐵渣、電爐磷渣、粉煤 灰等；第二類為自身具有激發(fā)劑特性的工業(yè)廢棄物，如電石渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏等；第三類為 未經(jīng)歷高溫?zé)釟v史、高惰性的工業(yè)固體廢棄物，如選礦尾礦、煤矸石等。根據(jù)三類低品位工 業(yè)固體廢棄物的特點(diǎn)，有效地進(jìn)行聯(lián)合協(xié)同處置，是實(shí)現(xiàn)環(huán)境治理和資源化利用的大趨勢(shì)。
[0003] 隨著礦山充填采礦技術(shù)的推廣與應(yīng)用，充填用膠凝材料也在不斷更新?lián)Q代，為低 品位工業(yè)固體廢棄物資源化利用提供有效途徑。水泥作為建筑行業(yè)最為普通的膠凝材 料，被迀移使用作為礦山充填膠結(jié)材料，存在摻量大、膠結(jié)效果差的弊端。近些年，出現(xiàn)的 大量新型膠結(jié)材料，但基本上都是在普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，即使 用具有高溫?zé)釟v史的爐渣、粉煤灰取代部分水泥熟料，但由于原材料限制、取代熟料量低、 膠結(jié)效果不理想等方面制約其推廣應(yīng)用。公開(kāi)號(hào)CN102381847使用摻量為35-40%高爐 水淬渣制備礦山用膠凝材料，熟料摻量仍高達(dá)35-40%，且同等摻量下，充填體強(qiáng)度僅高 出使用水泥時(shí)的20%，沒(méi)有明顯的體現(xiàn)降低成本或大幅提升充填體品質(zhì)的效果。公開(kāi)號(hào) CN101781111A使用摻量為72-77%的礦渣微粉制備一種專用于銅鎳礦全尾砂充填膠凝材 料，但該膠凝材料只針對(duì)銅鎳尾礦，且所需原材料要求苛刻，得不到廣泛推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié) 劑，該膠結(jié)劑的原材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，因而成本低廉，且其固結(jié)尾砂效果優(yōu)異，可固結(jié) 多種不同類型的尾砂。
[0005] 本發(fā)明還提供了一種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn) 單，操作十分簡(jiǎn)便，能耗低，制備所需的成本十分低廉。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑，由以下重量百分比的原料制備而成：
[0008] 硅鋁基工業(yè)廢渣 65%-75%
[0009] 激發(fā)劑 22%-33%
[0010] 活化劑 1%-3%，
[0011] 所述的硅鋁基工業(yè)廢渣是指經(jīng)歷高溫?zé)釟v史、含有豐富的低聚度硅氧四面體和鋁 氧四面體結(jié)構(gòu)、具有潛在可激發(fā)膠凝活性的工業(yè)固體廢棄物，其中SiOjP Al 203的質(zhì)量百分 含量超過(guò)40%。
[0012] 所述的硅鋁基工業(yè)廢渣為粒化高爐礦渣、?；姞t磷渣、粒化鉻鐵渣、?；鲡}液 態(tài)渣、粉煤灰中的任意一種、兩種、三種、四種或五種。
[0013] 所述的激發(fā)劑由水泥熟料、電石渣和脫硫石膏組成，其中水泥熟料占原料總重量 的5% -12%，電石渣占原料總重量的5% -10%，脫硫石膏占原料總重量的7% -15%。
[0014] 所述的活化劑為木質(zhì)素磺酸鹽類和模數(shù)為1. 6~2. 3的水玻璃的組合物。
[0015] 所述的木質(zhì)素磺酸鹽類為木質(zhì)素磺酸鈣或木質(zhì)磺酸鈉。
[0016] 一種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑的制備方法，包括如下步驟：
[0017] 1)按照權(quán)利要求1所述的配比稱取各原料組分，先將硅鋁基工業(yè)廢渣烘干，然后 將干燥的硅鋁基工業(yè)廢渣磨至比表面積多530m 2/kg，得到硅鋁基工業(yè)廢渣粉末，接著將激 發(fā)劑烘干，再將干燥的激發(fā)劑磨至比表面積多620m2/kg，得到激發(fā)劑粉末；
[0018] 2)將硅鋁基工業(yè)廢渣粉末、激發(fā)劑粉末和減水劑混合后磨至200目。
[0019] 該膠結(jié)劑的作用機(jī)理如下：
[0020] 水泥熟料的化學(xué)成分60 %以上為CaO,而Si02、Al203的含量?jī)H為20 %左右，而本發(fā) 明所選用的硅鋁基工業(yè)廢渣中SiOJP Al 203的質(zhì)量百分含量超過(guò)40%，能有效地提供具有 潛在活性的硅氧四面體和鋁氧四面體。木質(zhì)素磺酸鹽為陰離子表面活性劑，其疏水端吸附 在硅鋁基工業(yè)廢渣、尾砂的表面，親水端吸附大量水分子，形成水膜層，使固體顆粒均勻分 散于溶液中。水玻璃具有雙重作用，遇水溶解后，生成NaOH和硅酸根單體溶膠分散于溶液 中，其中NaOH水解形成的OF和激發(fā)劑中電石渣、水泥熟料水解形成的0!Γ，在電荷作用和 擴(kuò)散作用下，進(jìn)入水膜層，與硅鋁基工業(yè)廢渣充分接觸，促使玻璃體解離，起到一定的激發(fā) 作用；且硅酸根單體與玻璃體解離形成的Ca 2+、[AlOJ3IP [SiO4]4+在晶核表面堆垛、聚合， 形成高聚合度的水化硅酸鈣和水化鋁硅酸鈣。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Ca 2+、[AlOJ3IP [SiO4]4+的 離子濃度逐漸降低，將加速玻璃體的進(jìn)一步解離，起到一定的活化作用。這一過(guò)程使得硅鋁 基工業(yè)廢渣、尾砂顆粒與凝膠之間的界面過(guò)度區(qū)加厚、延伸，且在S0,存在的情況下，形成 鈣礬石晶體，填充顆粒間的空隙，使得固結(jié)體結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，產(chǎn)生較高強(qiáng)度。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果和優(yōu)點(diǎn)在于：
[0022] 1、該膠結(jié)劑的原材料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，其中85%以上都是工業(yè)固體廢棄物。
[0023] 2、該膠結(jié)劑的作用對(duì)象為礦山選礦后的尾砂，在處理工業(yè)固體廢棄物的同時(shí)，實(shí) 現(xiàn)以廢治廢。
[0024] 3、該膠結(jié)劑可固結(jié)金屬礦分級(jí)尾砂和全尾砂，固結(jié)體的強(qiáng)度指標(biāo)符合充填采礦法 的要求，且能將重金屬固化/穩(wěn)定化，保證排水安全環(huán)保，效果穩(wěn)定。
[0025] 4、該膠結(jié)劑的制備方法非常簡(jiǎn)單易操作，能耗低，所用的設(shè)備非常常見(jiàn)，因而成本 低，且沒(méi)有廢水、廢氣和固體廢棄物產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境污染很小，十分環(huán)保。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 實(shí)施例1
[0028] -種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑，由以下重量百分比的原料制備而成：
[0029] 粒化高爐礦渣 54% ?；姞t磷漁 14% 水泥熟料 12% 電石渣 7% 脫硫石膏 10% 木質(zhì)素磺酸鈉 0.2% 水玻璃 2.8%。
[0030] ?；郀t礦渣與粒化電爐磷渣的混合廢渣中SiOjP Al 203的質(zhì)量百分含量超過(guò) 40%。此處的?；郀t礦渣和?；姞t磷渣的組合可以用高爐礦渣、粒化鉻鐵渣、?；鲡} 液態(tài)渣和粉煤灰中的任意兩種的組合代替。
[0031] 上述礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑的制備方法如下：
[0032] 1)按照上述配比稱取各原料組分，先將?；郀t礦渣和?；姞t磷渣烘干，然后 將干燥的粒化高爐礦渣和?；姞t磷渣混合后磨至比表面積為542m 2/kg，得到硅鋁基工業(yè) 廢渣粉末，接著將水泥熟料、電石渣和脫硫石膏烘干，再將干燥的水泥熟料、電石渣和脫硫 石膏混合磨至比表面積為654m 2/kg，得到激發(fā)劑粉末；
[0033] 2)將硅鋁基工業(yè)廢渣粉末、激發(fā)劑粉末、木質(zhì)素磺酸鈉和水玻璃混合后進(jìn)行粉磨， 過(guò)200網(wǎng)目標(biāo)準(zhǔn)篩，篩余為1. 75%。
[0034] 實(shí)驗(yàn)一、將實(shí)施例1制備的礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑進(jìn)行膠結(jié)尾砂實(shí)驗(yàn)
[0035] 1、實(shí)驗(yàn)方法
[0036] 1)實(shí)驗(yàn)組：按照灰砂比1:7稱取實(shí)施例1制備的硅鋁基尾砂膠結(jié)劑和銅礦分級(jí) 尾砂，將兩者混合得到干物料，再按照水料比3:7稱取水，將干物料與水進(jìn)行混合造漿，得 到混合料漿，將混合料漿注入70. 7 X 70. 7 X 70. 7mm的標(biāo)準(zhǔn)試模里，澆筑過(guò)程使用搗棒搗10 次；
[0037] 2)對(duì)照組：用32. 5級(jí)水泥作為充填試驗(yàn)?zāi)z凝材料代替實(shí)驗(yàn)組的硅鋁基尾砂膠結(jié) 劑，其他試驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)組完全相同；
[0038] 3)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組靜停養(yǎng)護(hù)24h后拆模，分別放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待到齡 期節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。
[0039] 2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[0040] 單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果如下表所示：
[0041]
[0042] 實(shí)施例2
[0043] 一種礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑，由以下重量百分比的原料制備而成：
[0044] 粒化高爐礦渣 40% 粒化電爐磷渣 25% ?；t鐵渣 10% 水泥熟料 5% 電石渣 10%
[0045] 脫硫石當(dāng) 8% 木質(zhì)素磺酸鈣 0.1% 水玻璃 1.9%。
[0046] ?；郀t礦渣、?；姞t磷渣與?；t鐵渣的混合廢渣中SiOjP Al 203的質(zhì)量百 分含量超過(guò)40%。
[0047] 上述礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑的制備方法如下：
[0048] 1)按照上述配比稱取各原料組分，先將粒化高爐礦渣、粒化電爐磷渣與?；t鐵 渣烘干，然后將干燥的?；郀t礦渣、?；姞t磷渣與粒化鉻鐵渣混合后磨至比表面積為 563m 2/kg，得到硅鋁基工業(yè)廢渣粉末，接著將水泥熟料、電石渣和脫硫石膏烘干，再將干燥 的水泥熟料、電石渣和脫硫石膏混合磨至比表面積為645m 2/kg，得到激發(fā)劑粉末；
[0049] 2)將硅鋁基工業(yè)廢渣粉末、激發(fā)劑粉末、木質(zhì)素磺酸鈣和水玻璃混合后進(jìn)行粉磨， 過(guò)200網(wǎng)目標(biāo)準(zhǔn)篩，篩余為1. 23%。
[0050] 實(shí)驗(yàn)二、將實(shí)施例2制備的礦山充填用硅鋁基尾砂膠結(jié)劑進(jìn)行膠結(jié)尾砂實(shí)驗(yàn)
[0051] 1、實(shí)驗(yàn)方法
[0052] 1)實(shí)驗(yàn)組：按照灰砂比1:7稱取實(shí)施例2制備的硅鋁基尾砂膠結(jié)劑和鐵礦分級(jí)尾 砂，將兩者混合得到稱取干物料，再按照水料比3:7稱取水，將干物料與水進(jìn)行混合