矿渣胶凝材料对矿山尾砂固结机理的研究

针对矿山胶结充填的特点，提出以高炉矿渣为主要原料，三种工业废弃物作为激发剂，在无煅烧的条件下配制成矿渣胶凝材料（SCM）。通过对矿渣矿物成分的分析，确定其水化反应所需要的最佳比表面积，配制最佳激发剂，依据水化产物种类及数量与强度、定量分析化学成分与组成之间的关系，最终确定SCM最佳组成范围。采用研制的SCM对国内典型矿山尾砂进行固结试验及重金属固化试验研究，确定矿山充填的各项工艺参数，并结合水化产物的XRD、SEM、MIP等微观结构分析，研究SCM与尾砂体系间发生的物理- - 化学反应对尾砂固结体物相、微观结构的影响，从理论上揭示SCM在尾砂胶结体中水化硬化固结机理，同时，在不同工艺条件下通过对胶结体重金属浸出浓度的分析进行重金属固化性能评价及对固结前后重金属形态、微观结构转变进行研究，提出SCM重金属固化机理。

水泥作为矿山充填中的胶结剂，具有凝结时间长、成本高等缺点。从有效利用资源和保护环境的角度出发，选用矿渣等工业废渣作为矿山胶结充填的主要原材料，是一项具有经济价值和环保意义的课题。本项目针对具有潜在活性的矿渣，开发出一种来源广、价格低廉的用于矿山充填的矿渣胶凝材料（SCM）。我们在分析矿渣矿物成分的基础上，确定高炉矿渣水化反应所需的最佳比表面积，以抗压强度为中心指标，确定达到最佳强度的矿渣和激发剂配合比范围是矿渣为79~83%，脱硫灰为13~16%，废石灰为1~3%。采用研制的SCM对国内典型矿山尾砂进行固结试验及重金属固化试验研究，确定矿山充填的各项工艺参数。以尾砂固结体中重金属的浸出浓度为试验指标，考察各因素对浸出浓度的影响，并通过多级提取方法研究重金属元素形态分布，结果表明SCM对尾砂中重金属有良好的固化效果。用 X 射线衍射、扫描电镜和热重—差示扫描量热方法表征了SCM的水化产物和微观结构，研究了SCM对尾砂固结过程的影响，从而揭示了SCM中矿渣在水化反应过程中新生成的水化产物及水化机理，并建立了SCM中矿渣水化反应的物理模型。实验结果发现：SCM的水化产物主要为水化硅酸钙凝胶(C—S—H)、钙矾石(AFt)及少量的沸石类矿物，随着养护时间的延长，SCM在水化过程中发生晶体结构重组和重排；尾砂中的方英石、云母和碳酸盐类矿物(方解石、白云石等)是尾砂固结过程中的活性成分，能生成其他晶体矿物和胶凝状矿物，这是导致固结体微观结构不同的主要原因。