祝丽萍等：赤泥一矿渣一脱硫石膏一少熟料胶结剂的适应性及早期水化 415 矿山充填采矿可降低工作面高应力，减少采空 本文首先研究了RSGC与不同类型的尾砂骨料搭 区沉陷，提高矿石回采率，改善岩层控制状况以及减 配时的适应性，并采用对照实验对比RSGC和传统的 少尾矿和废石的地面堆存，因此充填开采法的应用 胶结剂P042.5硅酸盐水泥制备的全尾砂充填料在保 已经越来越普遍.传统胶结充填采矿使用的胶结剂 水性和强度方面的性能，这对RSGC的推广应用具有 一般为硅酸盐水泥，水泥用量为150~300kg·m3m. 重要意义.再通过X射线衍射、核磁共振和扫描电镜 水泥价格上涨推高了充填成本，使得矿山充填采矿 研究RSGC水化过程中微观结构变化、硅酸盐和铝酸 的经济效益下降，制约了充填采矿技术的应用和发 盐结构变化与材料宏观性能（包括凝结及早期强度发 展.另一方面，氧化铝厂大都将赤泥输到堆场，筑坝 展之间)之间的联系，揭示材料强度尤其是早期强度 湿法堆存，这易使废碱液渗透到附近农田，造成土壤 的形成机制. 碱化和沼泽化，污染地表和地下水源.赤泥的资源化 1实验 利用率很低，且拜耳法赤泥的大规模利用途径还未 见报道. 1.1实验材料 拜耳法赤泥具有强碱性，并含有大量亚微米颗粒. 制备RSGC胶结剂的原料包括拜耳法赤泥、水淬 前期研究结果表明，将拜耳法赤泥作为碱激发剂 高炉矿渣、脱硫石膏和水泥熟料.骨料包括铁尾矿、铜 和成分、粒径调整组分，与矿渣、脱硫石膏和少量的熟 尾矿、铅锌尾矿和金尾矿.对照实验中采用了P042.5 料协同优化后制成一种胶结剂RSGC代替水泥，加入 硅酸盐水泥. 尾矿制备成的全尾砂膏体充填料满足充填采矿的料浆 (1)拜耳法赤泥.拜耳法赤泥取自山东铝业公 输送要求和充填体强度要求，且该充填料具有早强特 司，化学成分如表1所示，主要成分为Si02、A山，0，和 征，可提高充填开采效率.在RSGC中水泥熟料的质 Fe20,碱性氧化物Na,0和K,0的含量较高，这是赤 量分数为10%，其余含大量赤泥、脱硫石膏等固体废 泥高碱性的根本原因.对粉磨后的赤泥进行X射线衍 物，可大幅降低充填料的生产成本，并促进赤泥和脱硫 射分析，结果表明其主要矿物组成为石英、水合铝硅酸 石膏的资源化利用. 钠、赤铁矿、伊利石和方解石. 表1原料的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw materials 号 原料 Si02 Fe203 Ca0 Al2O;Mgo K20 Naz0 Ti02 S03 烧失量比表面积/(m2:kg1) 赤泥 24.10 26.75 4.90 19.97 0.66 0.43 7.97 1.39 12.87 850 矿渣 32.70 0.40 38.7915.40 8.97 0.36 0.23 0.65 0.76 410 脱硫石膏 2.84 0.78 40.13 0.78 0.47 33.21 380 水泥熟料 22.50 3.43 66.30 4.86 0.83 350 铁尾矿 69.52 8.13 4.14 7.44 3.72 1.97 1.38 2.51 铅锌尾矿47.66 12.56 20.42 4.58 2.68 0.66 0.39 0.28 3.75 铜尾矿 44.52 2.94 13.56 5.36 19.92 1.20 1.00 9.26 金尾矿 76.09 1.25 1.43 11.37 1.66 4.15 2.79 1.56 (2)水淬高炉矿渣.取自首钢的水淬高炉矿渣 (5)尾矿.实验分别选取密云铁尾矿、福建三明 (以下简称矿渣)，化学成分如表1所示.对矿渣做X 市齐翔铅锌尾矿、河北省承德市寿王坟铜尾矿和山东 射线衍射分析，发现没有明显的结晶峰，谱图整体上呈 招远的黄金尾矿，尾矿的成分如表1所示，粒径分布如 一宽缓的峰包，说明其物相组成以玻璃态为主，未见明 表2所示.从表2可以看出：铅锌尾矿颗粒的粒径较 显的结晶相。 粗，50目以上的颗粒占12.6%，50~200目的颗粒占 (3)脱硫石膏.脱硫石膏为北京石景山电厂湿法69.2%：铁尾矿的颗粒比铅锌尾矿略细，50目以上的 脱硫排出的工业废物，其化学成分如表1所示.X射 颗粒占9.2%，50~200目的颗粒占71.5%；铜尾矿和 线衍射图谱鉴定出其主要物相为二水石膏. 金尾矿的颗粒粒径极细，大部分颗粒在100目以下. (4)水泥熟料.水泥熟料为冀东水泥厂生产的普 1.2实验过程 通硅酸盐水泥熟料，化学成分如表1所示，主要矿物成 (1)RSGC的制备.将赤泥、矿渣、水泥熟料和脱 分为硅酸三钙(56.3%)、硅酸二钙(23.7%)、铝酸三 硫石膏分别干燥至含水率1%以下后，采用SM500 钙(8.5%)和铁铝酸四钙(11.5%). mm×500mm球磨机分别将其磨细至表1中各原料的祝丽萍等: 赤泥--矿渣--脱硫石膏--少熟料胶结剂的适应性及早期水化 矿山充填采矿可降低工作面高应力，减少采空 区沉陷，提高矿石回采率，改善岩层控制状况以及减 少尾矿和废石的地面堆存，因此充填开采法的应用 已经越来越普遍． 传统胶结充填采矿使用的胶结剂 一般为硅酸盐水泥，水泥用量为 150 ～ 300 kg·m － 3［1］． 水泥价格上涨推高了充填成本，使得矿山充填采矿 的经济效益下降，制约了充填采矿技术的应用和发 展． 另一方面，氧化铝厂大都将赤泥输到堆场，筑坝 湿法堆存，这易使废碱液渗透到附近农田，造成土壤 碱化和沼泽化，污染地表和地下水源． 赤泥的资源化 利用率很低，且拜耳法赤泥的大规模利用途径还未 见报道． 拜耳法赤泥具有强碱性，并含有大量亚微米颗粒． 前期研究结果表明［2 － 4］，将拜耳法赤泥作为碱激发剂 和成分、粒径调整组分，与矿渣、脱硫石膏和少量的熟 料协同优化后制成一种胶结剂 ＲSGC 代替水泥，加入 尾矿制备成的全尾砂膏体充填料满足充填采矿的料浆 输送要求和充填体强度要求，且该充填料具有早强特 征，可提高充填开采效率． 在 ＲSGC 中水泥熟料的质 量分数为 10% ，其余含大量赤泥、脱硫石膏等固体废 物，可大幅降低充填料的生产成本，并促进赤泥和脱硫 石膏的资源化利用． 本文首先研究了 ＲSGC 与不同类型的尾砂骨料搭 配时的适应性，并采用对照实验对比 ＲSGC 和传统的 胶结剂 PO 42. 5 硅酸盐水泥制备的全尾砂充填料在保 水性和强度方面的性能，这对 ＲSGC 的推广应用具有 重要意义． 再通过 X 射线衍射、核磁共振和扫描电镜 研究 ＲSGC 水化过程中微观结构变化、硅酸盐和铝酸 盐结构变化与材料宏观性能( 包括凝结及早期强度发 展之间) 之间的联系，揭示材料强度尤其是早期强度 的形成机制． 1 实验 1. 1 实验材料 制备 ＲSGC 胶结剂的原料包括拜耳法赤泥、水淬 高炉矿渣、脱硫石膏和水泥熟料． 骨料包括铁尾矿、铜 尾矿、铅锌尾矿和金尾矿． 对照实验中采用了 PO 42. 5 硅酸盐水泥． ( 1) 拜耳法赤泥． 拜耳法赤泥取自山东铝业公 司，化学成分如表 1 所示，主要成分为 SiO2、Al2 O3 和 Fe2O3，碱性氧化物 Na2 O 和 K2 O 的含量较高，这是赤 泥高碱性的根本原因． 对粉磨后的赤泥进行 X 射线衍 射分析，结果表明其主要矿物组成为石英、水合铝硅酸 钠、赤铁矿、伊利石和方解石． 表 1 原料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of raw materials % 原料 SiO2 Fe2O3 CaO Al2O3 MgO K2O Na2O TiO2 SO3 烧失量 比表面积/( m2 ·kg － 1 ) 赤泥 24. 10 26. 75 4. 90 19. 97 0. 66 0. 43 7. 97 1. 39 ― 12. 87 850 矿渣 32. 70 0. 40 38. 79 15. 40 8. 97 0. 36 0. 23 0. 65 ― 0. 76 410 脱硫石膏 2. 84 0. 78 40. 13 0. 78 0. 47 ― ― ― 33. 21 ― 380 水泥熟料 22. 50 3. 43 66. 30 4. 86 0. 83 ― ― ― ― ― 350 铁尾矿 69. 52 8. 13 4. 14 7. 44 3. 72 1. 97 1. 38 ― ― 2. 51 铅锌尾矿 47. 66 12. 56 20. 42 4. 58 2. 68 0. 66 0. 39 0. 28 ― 3. 75 铜尾矿 44. 52 2. 94 13. 56 5. 36 19. 92 1. 20 1. 00 ― ― 9. 26 金尾矿 76. 09 1. 25 1. 43 11. 37 1. 66 4. 15 2. 79 ― ― 1. 56 ( 2) 水淬高炉矿渣． 取自首钢的水淬高炉矿渣 ( 以下简称矿渣) ，化学成分如表 1 所示． 对矿渣做 X 射线衍射分析，发现没有明显的结晶峰，谱图整体上呈 一宽缓的峰包，说明其物相组成以玻璃态为主，未见明 显的结晶相． ( 3) 脱硫石膏． 脱硫石膏为北京石景山电厂湿法 脱硫排出的工业废物，其化学成分如表 1 所示． X 射 线衍射图谱鉴定出其主要物相为二水石膏． ( 4) 水泥熟料． 水泥熟料为冀东水泥厂生产的普 通硅酸盐水泥熟料，化学成分如表 1 所示，主要矿物成 分为硅酸三钙( 56. 3% ) 、硅酸二钙( 23. 7% ) 、铝酸三 钙( 8. 5% ) 和铁铝酸四钙( 11. 5% ) ． ( 5) 尾矿． 实验分别选取密云铁尾矿、福建三明 市齐翔铅锌尾矿、河北省承德市寿王坟铜尾矿和山东 招远的黄金尾矿，尾矿的成分如表 1 所示，粒径分布如 表 2 所示． 从表 2 可以看出: 铅锌尾矿颗粒的粒径较 粗，50 目以上的颗粒占 12. 6% ，50 ～ 200 目的颗粒占 69. 2% ; 铁尾矿的颗粒比铅锌尾矿略细，50 目以上的 颗粒占 9. 2% ，50 ～ 200 目的颗粒占 71. 5% ; 铜尾矿和 金尾矿的颗粒粒径极细，大部分颗粒在 100 目以下． 1. 2 实验过程 ( 1) ＲSGC 的制备． 将赤泥、矿渣、水泥熟料和脱 硫石膏分别干燥至含水率 1% 以下后，采用 SM500 mm × 500 mm 球磨机分别将其磨细至表 1 中各原料的 · 514 ·