外加剂对锡尾砂充填料流动特性及抗压强度影响规律研究.pdf

第 卷第期有色金属（矿山部分）年月犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 外加剂对锡尾砂充填料流动特性及抗压强度影响规律研究涂艾林，文瑶，李燕青，葛春毅，王玉凡，郭磊，孙伟（昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 ；昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，昆明 ）摘要：充填料浆的流动特性及强度特性对矿山充填质量有着重要影响。为研究外加剂对锡尾矿充填料浆流动特性及充填体抗压强度的影响规律，选用混凝土复合泵送剂、液体早强剂开展了不同添加量条件下充填料浆塌落度、扩展度，以及、充填体单轴抗压强度试验。结果表明：复合泵送剂的添加大幅增加了锡矿尾砂的塌落度及扩展度，有效改善了充填料浆的流动特性。泵送剂在改善充填料浆流动性的同时会影响充填体的强度，针对锡矿全尾砂充填料浆泵送剂较为合理的添加量范围为 。早强剂对锡矿尾砂充填体早期强度影响显著，添加后充填体前期抗压强度大幅度增大，同时对后期充填体抗压强度影响较小，针对锡尾矿充填料早强剂较为合理的添加量范围为 。关键词：锡尾砂；外加剂；流动性；抗压强度；充填体中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犛 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲 犻 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犲狅 犳犪 犱 犿 犻 狓 狋 狌 狉 犲 狊狅 狀狋 犺 犲 犳 犾 狅 狑犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊犪 狀 犱犮 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狏 犲狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺狅 犳 狋 犻 狀狋 犪 犻 犾 犻 狀 犵 狊犫 犪 犮 犽 犳 犻 犾 犾 ，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（）（），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：基金资助：国家自然科学基金资助项目（）；云南省重大科技项目（）；年大学生创新创业训练计划项目（）；云南省基础研究计划项目（，）作者简介：涂艾林（），男，硕士研究生，采矿工程专业，：。通信作者：孙伟（），男，教授，博士生导师，主要从事金属矿绿色开采、膏 体 充 填 理 论 与 技 术、矿 山 固 废 综 合 利 用 方 面 的 研 究，：。随着国民经济和社会发展对金属矿产资源的需要，矿产资源的不断勘探和开发导致了矿山产生大量固体废弃物，传统采矿方法往往会导致金属矿山产生采空区和尾矿库这两大污染源和危险源。年国家税务总局与国土资源部联合发文，对依法在建筑物下、铁路下、水体下通过充填开采方式采出的矿产资源，资源税减征。在 年 中华人民共和国环境保护税法 规定，尾矿排放应征收税有色金属（矿山部分）第 卷 元。同年，国家绿色矿山建设规范出台，其中文件明确指出：将废石等固体废弃物产量作为衡量矿山绿色建设成果的重要指标，而全尾砂膏体充填技术是绿色矿山建设发展的重要支撑，是解决尾矿库、采空区等生态环境安全问题的关键。但是充填成本却使得这项技术的发展和应用受到限制，外加剂作为混凝土等胶结膏体配比中不可缺少的组分，使尾矿膏体充填工艺的效果得到显著改善，并有效地减少混凝土的使用量，降低泵送的阻力，且能够增强混凝土的抗压能力，从而使尾矿膏体充填工艺的效果得到显著改善，所以近年来外加剂的广泛应用对尾矿膏体充填工艺的影响成为许多学者研究的热门课题。于恩毅等通过正交试验对废石掺量、浓度和灰砂比等因素进行了研究，充填膏体的强度在受其中单一因素的影响下，还受到三者协同的影响。吕生华等、孙小巍等将减水剂加入到水泥浆体中，试验结果显示，减水剂在前期增强水泥浆的强度方面无明显作用，并且会导致水泥浆体的凝结时间延迟，如果掺量过多就会引发泌水问题，从而使得整个水泥浆体的性能急剧下滑。蔡伊灵等对不同低温条件下早强剂对混凝土强度、耐久性和工作性等性质改变进行总结，发现低温条件下早强剂可以提高混凝土强度与耐久性，并且早期强度效果更加明显，随着时间的延长，增加的水化程度越明显，并且有利于混凝土早期强度的提升。吴爱祥等发现，絮团结构会导致膏体流动性下降，而泵送剂可以有效分解絮团结构。等 通过对多种泵送剂对膏体流变性能的影响，提出泵送剂的添加可显著提高浆体浓度，又可保证膏体的流动性。张连富等 通过环境扫描电镜结果发现泵送剂添加量在左右时能够最有效地破坏絮团结构，如果持续添加泵送剂对膏体絮团结构破坏的影响将逐渐下降，通过这一结果解释了高含泥膏体料浆的屈服应力随着泵送剂的增加而降低，而泵送剂添加量在 左右时，屈服应力下降最为明显，随着泵送剂掺量过高后，屈服应力的下降速度趋近于零。以上研究主要基于外加剂对充填膏体的抗压强度和流动性的影响规律进行研究。但是不同的尾砂充填膏体其物理性质和化学性质都不尽相同 ，对于不同尾砂充填膏体外加剂对其物化性质的影响也存在差异，本文主要选择锡矿全尾砂、水泥，外加剂选择粉状混凝土复合泵送剂和液体状混凝土早强剂开展了不同添加量条件下充填料浆塌落度、扩展度试验，以及、充填体单轴抗压强度试验。试验 试验材料试验原材料主要包括锡矿全尾砂、水泥，外加剂选择粉状混凝土复合泵送剂和液体状混凝土早强剂。全尾砂物理特性：平均松散堆积密度 、平均密实堆积密度 、平均松散孔隙率 、平均密实孔隙率 、密度 。粒级组成曲线见图。由图可知，全尾砂粒径 的累计百分含量为 ，犇 、犇 、犇 。尾砂不均匀系数为 ，曲率系数为 ，全尾砂粒级分布范围大，尾砂级配较好，连续性较高。化学成分组成见表。图粒级组成曲线图犉 犻 犵 犘 犪 狉 狋 犻 犮 犾 犲 狊 犻 狕 犲犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀犮 狌 狉 狏 犲 狊表化学成分组成犜 犪 犫 犾 犲犆 犺 犲 犿 犻 犮 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀 狊狅 犳 狉 犪 狑犿 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犾 狊（犿 犪 狊 狊 犳 狉 犪 犮 狋 犻 狅 狀）化学成分 全尾砂 化学成分 全尾砂 第期涂艾林等：外加剂对锡尾砂充填料流动特性及抗压强度影响规律研究 试验方案为了有效 分 析 外 加 剂 对 锡 尾 砂 充 填 料 浆 流动特性及抗压强度的影响规律，试验过程中泵送剂、早强剂添加量以总固体质量的百分比计算。确定泵送剂添加量分别为 、，充填料浆为全尾砂料浆，质量浓度分别为、，灰砂比为。早强剂添加量分别为 、，充填料浆为 全 尾 砂 料 浆，质 量 浓 度 分 别 为、，灰砂比为。按照配比进行塌落度和单轴抗压强度试验，根据试验结果来评价泵送剂及早强剂的影响规律。结果与分析 泵送剂对料浆流动特性及抗压强度的影响开展了组添加泵送剂塌落度及抗压强度试验，试验结果如图所示。从图可知，该泵送剂对锡矿尾砂充填料浆效果显著，添加后扩展度及塌落度大幅度增大，同时从图可知添加适量的泵送剂，可在一定程度上提高充填体的强度，综合试验结果可 得 出 该泵 送 剂 较 为 合 理 的 添 加 量 范 围 为 。图复合型泵送剂部分试验照片犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犲狆 狌 犿 狆 犻 狀 犵犪 犵 犲 狀 狋狆 犪 狉 狋 狅 犳 狋 犺 犲 狋 犲 狊 狋狆 犺 狅 狋 狅 狊图为充填料浆塌落度和扩展度与泵送剂添加量之间的关系曲线。由图可知，随着泵送剂掺量的增加，料浆的塌落度和扩展度逐渐增加，添加泵送剂可显 著 增 加 充填 体 的塌 落度 和 扩 展度。以质量浓度为 为例，当充填体料浆分别添加 、和掺量的泵送剂时，充 填 体 料 浆 塌 落 度 和 扩 展 度 分 别 提 高 、和 、。添加 的泵送剂相当于降低浓度后充填体料浆的扩展度，由于增加泵送剂添加量提高了充填采矿成本，因此在满足充填料浆流动性能较好的 前 提 下，确 定 泵 送 剂 的 添 加 量 范 围 应 在 。有色金属（矿山部分）第 卷图扩展度（犪）及塌落度（犫）随泵送剂添加量的变化曲线犉 犻 犵 犞 犪 狉 犻 犪 狋 犻 狅 狀犮 狌 狉 狏 犲 狊狅 犳 犲 狓 狋 犲 狀 狊 犻 狅 狀（犪）犪 狀 犱犮 狅 犾 犾 犪 狆 狊 犲（犫）狑 犻 狋 犺狆 狌 犿 狆 犻 狀 犵犪 犵 犲 狀 狋由图可知，添加适量的泵送剂对不同料浆质量浓度、不同养护龄期的充填体强度都有一定的促进作用。如图（）所示，早期强度随着泵送剂掺量的增加呈现先增长后降低的趋势，泵送剂掺量为 时较未添加泵送剂时增长了 ；中期强度随着泵送剂掺量的增加亦呈先增长后降低的趋势，泵送剂掺量小于 时增长缓慢或增长为负，大于 时增长迅速，泵送剂掺量为 时较未添加泵送剂时增长了 ；后期强度增长率随着泵送剂掺量的增加呈先增加后降低趋势，最后添加量为时 充 填 体 强 度 较 未 添 加 泵 送 剂 时 降 低了 。综上所述，因复合型泵送剂中包含减水剂，能有效改善膏体充填料浆中水分子的分布，影响水泥的水化反应，因此不同料浆质量浓度的膏体料浆中水含量不同，泵送剂的效果也有所差别。以、和 分别代表充填料浆早期、中期和后期强度。由图图料浆质量浓度（犪）和（犫）时单轴抗压强度随泵送剂添加量变化曲线犉 犻 犵 犞 犪 狉 犻 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳狌 狀 犻 犪 狓 犻 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狏 犲 狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺狑 犻 狋 犺狆 狌 犿 狆 犻 狀 犵犪 犵 犲 狀 狋 犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狊 犾 狌 狉 狉 狔犿 犪 狊 狊犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀 狊（犪）（犫）可知，随泵送剂掺量的增加，不同质量浓度下充填体强度大体上均呈现先增加后减少的趋势。养护前期时，不同质量浓度的充填体强度增长较快；养护中期时，不同质量浓度下充填体强度增长率较养护前期和后期最大；养护后期时，不同质量浓度下充填体强度增长受泵送剂掺量影响最小，同时泵送剂添加量超过 时，充填体抗压强度呈现出下降趋势，由此可见，添加过量的泵送剂在增加充填料浆扩展度的同时会影响充填体的强度，因此建议该泵送剂较为合理的添加量范围为 。早强剂对充填体单轴抗压强度影响分析开展了组添加早强剂抗压强度试验，结果如表及图所示，由试验结果可知，该早强剂对锡矿尾砂充填料浆早期强度影响显著，添加后充填体前期抗压强度大幅度增大，同时对后期充填体抗压强度有着微小的影响，该早强剂较为合理的添加量范围为 。第期涂艾林等：外加剂对锡尾砂充填料流动特性及抗压强度影响规律研究表添加早强剂后充填体单轴抗压强度测试结果犜 犪 犫 犾 犲犝 狀 犻 犪 狓 犻 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狏 犲 狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺狋 犲 狊 狋 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳犫 犪 犮 犽 犳 犻 犾 犾 犪 犳 狋 犲 狉犪 犱 犱 犻 狀 犵犲 犪 狉 犾 狔 狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺犪 犵 犲 狀 狋质量浓度灰砂比早强剂添加量单轴抗压强度 图料浆质量浓度（犪）和（犫）时单轴抗压强度随早强剂添加量变化曲线犉 犻 犵 犞 犪 狉 犻 犪 狋 犻 狅 狀犮 狌 狉 狏 犲 狊狅 犳狌 狀 犻 犪 狓 犻 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狏 犲 狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺狑 犻 狋 犺犲 犪 狉 犾 狔 狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺 犲 狀 犻 狀 犵犪 犵 犲 狀 狋 犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狊 犾 狌 狉 狉 狔犿 犪 狊 狊犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀 狊（犪）（犫）由图可知，在养龄期前，充填体的抗压强度随养护龄期的增长快速增大。养护龄期为时，其增大幅度减小，增长速率趋于缓慢，直至保持稳定状态。养护龄期为 时，其增大及减小幅度变化不明显，随着早强剂掺量的增加，强度变化呈现无规律变化，但总体表现为掺量为 时强度增长效果明显。从图可知，不同质量浓度条件下，养护龄期为和时，早强剂与充填体强度的变化规律大致相似，均表现为时早强剂掺量增加，抗压强度呈现先快速增大后减小的趋势，强度在掺量为 时达到最大；时强度随着早强剂掺量的增加而增长，但增长速率趋于缓慢，直至保持稳定状态，且强度在掺量为 时最大。以质量浓度为 为例，养护龄期时，早强剂掺量为 、的充填体抗压强度与未添加早强剂组比分别提高了 、；其中，早强剂掺量为 时，充填体抗压强度最大，达 。养护龄期 时，早强剂掺量为 、的充填体 抗 压 强 度 与 未 添 加 早 强 剂 组 比 分 别 提 高 了 、；养 护 龄 期 为 时，早强剂的掺量对充填强度改变作用微小，早强剂掺量为 时，充填体抗压强度增幅最小，达到 。同时，当质量浓度为，养护龄期为 时，充填体的抗压强度随早强剂的增多有微小的减弱趋势，当早强剂掺量分别为 及 时，低于未添加组。结论）复合泵送剂的添加大幅增加了锡矿尾砂的塌落度及扩展度，有效改善了充填料浆的流动特性。泵送剂在改善充填料浆流动性的同时会影响充填体的强度，锡矿全尾砂充填料浆泵送剂较为合理的添加量范围为 。）添加适量的泵送剂对不同料浆质量浓度、不同养护龄期的充填体强度都有一定的促进作用。早有色金属（矿山部分）第 卷期强度随着泵送剂掺量的增加呈现先增长后降低的趋势，中期强度随着泵送剂掺量的增加亦呈先增长后降低的趋势，后期强度增长率随着泵送剂掺量增加呈先增加后降低趋势。）早强剂对锡矿尾砂充填体早期强度影响显著，添加后充填体前期抗压强度大幅度增大，同时对后期充填体抗压强度影响较小，针对所采用的液体早强剂较为合理的添加量范围为 。参考文献吴爱祥，李红，程海勇，等全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概 念、特 性 与 模 型 工 程 科 学 学 报，（）：，（）：，（）：吴爱祥，杨莹，程海勇，等中国膏体技术发展现状与趋势工程科学学报，（）：，（）：自然资源部有色金属行业绿色矿山建设规范：北京：地质出版社，：，：薛忠泉，赵薇薇浅谈混凝土外加剂的应用及发展前景黑龙江科技信息，（）：，（）：于恩毅，黄旭东，龚甲桂基于 的废石全尾砂胶结充填体 强 度 试 验 研 究 矿 业 研 究 与 开 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