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铁矿矿山充填采矿用胶结充填料研究

张静文  
【摘要】:本文针对地下胶结充填采矿所面临的需要积极寻求价格低廉、来源广泛、性能优良的充填材料作为水泥的替代品,降低胶结剂成本的难题,以铁矿矿山地下充填料为研究对象,全固废胶结充填料采取就近取材的原则,根据不同矿区尾矿及原材料的特点设计了粉煤灰体系胶结充填料和钢渣-矿渣体系胶结充填料两种方案。并以矿渣-钢渣-脱硫石膏胶结剂为基础,探讨了矿渣在硫酸盐激发下的水化机理和矿渣-钢渣体系胶结剂固化重金属的原理及效果。通过对矿渣-钢渣-脱硫石膏胶凝体系和普通硅酸盐水泥固化铅进行对比研究,揭示其固化机理,特别是铅在固化体中的赋存状态对固化效果的影响,以及铅离子的介入对C-S-H凝胶和钙矾石晶体结构产生的影响。为利用矿渣-钢渣体系充填用胶结剂对危险固体废弃物进行地下安全充填填埋提供基础研究和理论支撑。 其中粉煤灰体系充填料按粉煤灰75%、脱硫石膏10%、石灰15%,胶凝材料:尾矿为1:4,所制备的料浆流动性良好,养护90天后抗压强度最高为11.35MPa,固体废弃物利用率达到97%。以钢渣和尾砂为主要原料的胶结充填材料,当钢渣掺量为60%、矿渣掺量28%、脱硫石膏掺量12%时,料浆流动性能满足自流型胶结充填的流动性要求,充填体28d抗压强度为4.09MPa,满足矿山充填强度要求。按胶砂比1:4制备的充填体自由膨胀率为0.27%,后期趋于稳定,有利于提高充填接顶率,28d抗压强度为5.98MPa,满足充填接顶强度要求。 论文综合采用XRD、SEM、TG/DSC、IR、NMR等方法分析了在硫酸盐的激发下矿渣的水化产物和水化机理,提出了矿渣水化的四个阶段。铅离子浸出试验结果表明矿渣钢渣胶凝材料对铅离子有较普通硅酸盐水泥更为良好的固化效果。研究发现矿渣-钢渣胶凝体系更能激发Pb离子与Ca离子的置换作用,使铅离子更容易被捕获进入C-S-H凝胶及钙矾石的硅氧四面体网络体中平衡电荷,或替换其晶格中的被捕获的Ca离子,形成大量的含铅钙矾石、含铅类沸石相、含铅C-S-H和铅铁矾类((Pb,H+)(Al3+,Fe3+,Fe2+)3(SO42-, AsO43-)2(OH)6)等大分子复盐沉淀从而固化铅离子阻止其浸出。


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