一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿山尾砂胶结充填、矿山环境治理及采空塌陷区生态修复技术领域， 具体涉及一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法，适用于各种金属矿山的充填采 矿工程以及采空塌陷区生态修复工程。
【背景技术】
[0002] 随着工业化进程的推进，伴随产生大量的低品位工业固体废弃物（有价成份含量 低、难以再次回收利用的工业固体废弃物），大量的低品位工业固体废弃物如果不加利用， 直接丢弃将会造成环境污染，因此，将低品位工业固体废弃物二次资源化利用成为当务之 急。低品位工业固体废弃物可分成三大类，一类为经历高温热历史、具有潜在可激发胶凝活 性的工业固体废弃物，一般含有丰富的低聚度硅氧四面体和铝氧四面体结构，在激发剂作 用下，能发生结构重组，形成高聚合度的水硬性材料，如高炉矿渣、铬铁渣、电炉磷渣、粉煤 灰等；第二类为自身具有激发剂特性的工业废弃物，如电石渣、工业副产石膏等；第三类为 未经历高温热历史、高惰性的工业固体废弃物，如选矿尾矿、煤矸石等。根据三类低品位工 业固体废弃物的特点，有效地进行联合协同处置，是实现环境治理和资源化利用的大趋势。
[0003] 随着矿山充填采矿技术的推广与应用，充填用胶凝材料也在不断更新换代，为低 品位工业固体废弃物资源化利用提供有效途径。水泥作为建筑行业最为普通的胶凝材 料，被迀移使用作为矿山充填胶结材料，存在掺量大、胶结效果差的弊端。近些年，出现的 大量新型胶结材料，但基本上都是在普通硅酸盐水泥或矿渣水泥的基础上进行改进，即使 用具有高温热历史的炉渣、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、 胶结效果不理想等方面制约其推广应用。公开号CN102381847使用掺量为35-40%高炉 水淬渣制备矿山用胶凝材料，熟料掺量仍高达35-40%，且同等掺量下，充填体强度仅高 出使用水泥时的20%，没有明显的体现降低成本或大幅提升充填体品质的效果。公开号 CN101781111A使用掺量为72-77%的矿渣微粉制备一种专用于铜镍矿全尾砂充填胶凝材 料，但该胶凝材料只针对铜镍尾矿，且所需原材料要求苛刻，得不到广泛推广应用。
【发明内容】
[0004] 为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结 剂，该胶结剂的原材料来源广泛、价格低廉，因而成本低廉，且其固结尾砂效果优异，可固结 多种不同类型的尾砂。
[0005] 本发明还提供了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法，该方法工艺简 单，操作十分简便，能耗低，制备所需的成本十分低廉。
[0006] 实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
[0007] -种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：
[0008] 硅铝基工业废渣 65%-75%
[0009] 激发剂 22%-33%
[0010] 活化剂 1%-3%，
[0011] 所述的硅铝基工业废渣是指经历高温热历史、含有丰富的低聚度硅氧四面体和铝 氧四面体结构、具有潜在可激发胶凝活性的工业固体废弃物，其中SiOjP Al 203的质量百分 含量超过40%。
[0012] 所述的硅铝基工业废渣为粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣、粒化增钙液 态渣、粉煤灰中的任意一种、两种、三种、四种或五种。
[0013] 所述的激发剂由水泥熟料、电石渣和脱硫石膏组成，其中水泥熟料占原料总重量 的5% -12%，电石渣占原料总重量的5% -10%，脱硫石膏占原料总重量的7% -15%。
[0014] 所述的活化剂为木质素磺酸盐类和模数为1. 6~2. 3的水玻璃的组合物。
[0015] 所述的木质素磺酸盐类为木质素磺酸钙或木质磺酸钠。
[0016] 一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法，包括如下步骤：
[0017] 1)按照权利要求1所述的配比称取各原料组分，先将硅铝基工业废渣烘干，然后 将干燥的硅铝基工业废渣磨至比表面积多530m 2/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将激 发剂烘干，再将干燥的激发剂磨至比表面积多620m2/kg，得到激发剂粉末；
[0018] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末和减水剂混合后磨至200目。
[0019] 该胶结剂的作用机理如下：
[0020] 水泥熟料的化学成分60 %以上为CaO,而Si02、Al203的含量仅为20 %左右，而本发 明所选用的硅铝基工业废渣中SiOJP Al 203的质量百分含量超过40%，能有效地提供具有 潜在活性的硅氧四面体和铝氧四面体。木质素磺酸盐为阴离子表面活性剂，其疏水端吸附 在硅铝基工业废渣、尾砂的表面，亲水端吸附大量水分子，形成水膜层，使固体颗粒均匀分 散于溶液中。水玻璃具有双重作用，遇水溶解后，生成NaOH和硅酸根单体溶胶分散于溶液 中，其中NaOH水解形成的OF和激发剂中电石渣、水泥熟料水解形成的0!Γ，在电荷作用和 扩散作用下，进入水膜层，与硅铝基工业废渣充分接触，促使玻璃体解离，起到一定的激发 作用；且硅酸根单体与玻璃体解离形成的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钙和水化铝硅酸钙。随着反应的进行，Ca 2+、[AlOJ3IP [SiO4]4+的 离子浓度逐渐降低，将加速玻璃体的进一步解离，起到一定的活化作用。这一过程使得硅铝 基工业废渣、尾砂颗粒与凝胶之间的界面过度区加厚、延伸，且在S0,存在的情况下，形成 钙矾石晶体，填充颗粒间的空隙，使得固结体结构逐渐密实，产生较高强度。
[0021] 本发明与现有技术相比，其有益效果和优点在于：
[0022] 1、该胶结剂的原材料来源广泛，价格低廉，其中85%以上都是工业固体废弃物。
[0023] 2、该胶结剂的作用对象为矿山选矿后的尾砂，在处理工业固体废弃物的同时，实 现以废治废。
[0024] 3、该胶结剂可固结金属矿分级尾砂和全尾砂，固结体的强度指标符合充填采矿法 的要求，且能将重金属固化/稳定化，保证排水安全环保，效果稳定。
[0025] 4、该胶结剂的制备方法非常简单易操作，能耗低，所用的设备非常常见，因而成本 低，且没有废水、废气和固体废弃物产生，对环境污染很小，十分环保。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0027] 实施例1
[0028] -种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：
[0029] 粒化高炉矿渣 54% 粒化电炉磷渔 14% 水泥熟料 12% 电石渣 7% 脱硫石膏 10% 木质素磺酸钠 0.2% 水玻璃 2.8%。
[0030] 粒化高炉矿渣与粒化电炉磷渣的混合废渣中SiOjP Al 203的质量百分含量超过 40%。此处的粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣的组合可以用高炉矿渣、粒化铬铁渣、粒化增钙 液态渣和粉煤灰中的任意两种的组合代替。
[0031] 上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下：
[0032] 1)按照上述配比称取各原料组分，先将粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣烘干，然后 将干燥的粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣混合后磨至比表面积为542m 2/kg，得到硅铝基工业 废渣粉末，接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干，再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫 石膏混合磨至比表面积为654m 2/kg，得到激发剂粉末；
[0033] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钠和水玻璃混合后进行粉磨， 过200网目标准筛，筛余为1. 75%。
[0034] 实验一、将实施例1制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验
[0035] 1、实验方法
[0036] 1)实验组：按照灰砂比1:7称取实施例1制备的硅铝基尾砂胶结剂和铜矿分级 尾砂，将两者混合得到干物料，再按照水料比3:7称取水，将干物料与水进行混合造浆，得 到混合料浆，将混合料浆注入70. 7 X 70. 7 X 70. 7mm的标准试模里，浇筑过程使用捣棒捣10 次；
[0037] 2)对照组：用32. 5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结 剂，其他试验步骤和实验组完全相同；
[0038] 3)实验组和对照组静停养护24h后拆模，分别放入标准养护箱进行养护，待到龄 期节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。
[0039] 2、实验结果
[0040] 单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示：
[0041]
[0042] 实施例2
[0043] 一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：
[0044] 粒化高炉矿渣 40% 粒化电炉磷渣 25% 粒化铬铁渣 10% 水泥熟料 5% 电石渣 10%
[0045] 脱硫石當 8% 木质素磺酸钙 0.1% 水玻璃 1.9%。
[0046] 粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁渣的混合废渣中SiOjP Al 203的质量百 分含量超过40%。
[0047] 上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下：
[0048] 1)按照上述配比称取各原料组分，先将粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁 渣烘干，然后将干燥的粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁渣混合后磨至比表面积为 563m 2/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干，再将干燥 的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为645m 2/kg，得到激发剂粉末；
[0049] 2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后进行粉磨， 过200网目标准筛，筛余为1. 23%。
[0050] 实验二、将实施例2制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验
[0051] 1、实验方法
[0052] 1)实验组：按照灰砂比1:7称取实施例2制备的硅铝基尾砂胶结剂和铁矿分级尾 砂，将两者混合得到称取干物料，再按照水料比3:7称取水，将干物料与水进行混合