充填基胶凝材料范文

充填基胶凝材料范文充填基胶凝材料范文 矿山中蕴含着大量能源物质 特别是煤炭 我国未来的发展对其的 依赖还很巨大 矿山开采在带来矿产资源的同时 也是诱发地质灾害和污染环境的 直接因素 其中最为突出的就是地表沉陷 矿山充填是治理开采沉陷的有效手段 国内外学者对其进行了大量 研究 提出了许多行之有效的方法 自20世纪50年代以来 我国矿山充填技术的发展大致经历了四个阶 段50年代为废石干式充填的全盛时期 60年代发展应用分级尾砂水 力充填 碎石水力充填和混凝土胶结充填 70 80年代广泛应用以 分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填技术 90年代全面发 展了全尾砂胶结充填 块石砂浆胶结充填 碎石水泥浆胶结充填和 膏体泵压输送胶结充填等新技术 促进了我国采矿技术的进步和采 矿工业的发展 进入21世纪 矿山开采将转向深部矿体 三下矿体 以及其它复 杂难采矿体 地压控制问题将日益突出 并成为深部高效 安全作业的主要障碍 胶结充填是深部及复杂应力环境下地压控制的有效途径之一 因此 充填采矿法和充填工艺技术越来越受到人们的重视 且在充填采 矿法不断改造与发展的过程中得到创新与进步 一方面通过对充填材料和充填体物理力学性质的认识 研究开发广 泛 成本低廉 便于制浆和输送 充填体强度高的新型充填材料 另一方面 通过对充填体力学作用机理的探讨 结合采矿作业要求 研究新的充填工艺和方式 虽然我国矿山胶结充填工艺研究的技术水平与国外矿山是接近的 但是由于新工艺和新材料尚未得到推广 目前整体上我国与国外先 进矿山在充填技术方面差距是较大的 主要表现在充填材料上 目 前我国大多用水泥作为胶结剂进行充填 水泥用量大 造成充填成 本居高不下 我国充填料配比一般为灰砂比14 8 水泥用量多为170 300kg m3 或100kg t 充填采矿法中 充填成本占采矿成本的1 3左右 充填成本中充填 材料又占80 以上 因此寻求廉价而又能达到必要的物理力学性能的材料作矿用充填材 料 是充填技术的主攻方向 新型矿山充填基胶凝材料是一种以固体废弃物为主要原料 固体废 弃物利用率可达70 以上 以活性激发理论为指导 采用简单的 粉磨工艺而制备成的高性能胶凝材料 该胶凝材料替代传统水泥用于矿山充填具有充填浓度和强度高 浆 体流动性好 抗离析性好同时充填成本更加低廉等特点 1 2充填的价值长期以来 矿山充填仅是作为地下采矿的一个工序 以满足采场地压管理的要求 随着人类可持续发展战略的需要 21世纪矿山充填的意义远不只局 限于满足地下采矿的地压管理 还将逐渐展示出充分利用矿产资源 和环境保护等方面的社会意义 因此 在矿山开采评估过程中应充分认识这一深层次上的意义 树 立矿山充填开采的新观念 1 2 1合理开发矿产资源从可持续发展的观点出发 矿产资源的合理 开发应该是针对人类总体资源 即现有技术水平和经济环境下可以 开发利用的当代资源和现有技术水平下还不能开采 利用或者即使 能开采利用 但在经济上不合理的远景资源 矿山充填 特别是矿山胶结充填能使当代人在不能确定远景资源的 条件下 为将来开发远景资源提供良好的开采环境 甚至可以说为 综合开发和利用人类总体资源奠定了技术基础 是合理开发人类总 体矿产资源的最佳技术途径 1 2 2矿产资源二次利用在当代所废弃的废料中 大量的属于远景资 源 因缺乏足够认识而往往难以激发人们的保护意识 事实上 在地面难以长期安全保存的这些废料 特别是选矿尾砂充 填在井下采空区 将是一种最可靠 最经济的储存保护方式 使人 类在发展过程中可随时利用这些矿产资源 1 2 3人类环境保护矿山充填最显著的效果是保护地表不受破坏和储 存工业废料 采矿活动使大量农田和植被遭受破坏 如每年因采煤导致地表塌陷 面积达3 35万hm2 而大量的采选废料堆置地表又占用3万 5万km2 的土地 将矿山采选废料充填到井下 不但可以得到妥善保存以利于二次利 用 而且可以达到保护自然环境的目的 另外 矿山充填还是处理除核废料以外的其他工业废料的一条既安 全又经济的有效途径 2矿山充填基胶凝材料概况2 1充填基胶凝材料技术2 1 1充填基胶凝 材料的基本概念充填基胶凝材料是一种以固体废弃物为主要原料 固体废弃物利用率可达70 以上 以活性激发理论为指导 采用 简单的粉磨工艺而制备成的高性能胶凝材料 充填基胶凝材料生产的主要原料是粉煤灰 炉渣 自燃过的煤矸石 高炉矿渣 石灰石和少部分熟料等经磨细就形成了类似水泥的胶 凝材料 所制备的硅铝基胶凝材料不仅符合GB175 xx国家标准对普通硅酸盐水泥所规定的各项性能指标 它本身还有 许多特殊的优异性能 2 1 2充填基胶凝材料的特性 耐酸性能是普硅水泥的两倍以上 抗冻融能力是普硅水泥的两倍以上 固结重金属 放射性物质和 有机毒物的能力比水泥更强 固结细粒硅酸盐物质如尾矿 细砂 粘土等 同样用量时其强度与水泥相当 2 1 3充填基胶凝体系建立的意义充填基胶凝材料的理论和技术体系 是硅铝基胶凝材料技术的基础 充填基胶凝体系源于自然界客观规律的启示 按照地质矿物学理论 地壳本身就是由以铝硅酸盐体系为主的矿物 构成的 见图1 1 可见 铝硅质矿物约占地壳总量的3 4 资源 遍地都有 并且经 历了数以亿年计的耐久 考验 可见 铝硅酸盐体系 意味着丰富的天然资源 类岩石物质具有 稳定的物质结构 火山灰常温常压下成岩变化在热力学上成立 地质学认为 地壳上的岩石通过地质作用在不停转化之中 天然火 山碎屑等物质受到具有化学活性的成岩流体作用 在常温 常压条 件下通过沉积 变质过程 可转变成长期稳定存在的铝硅酸盐岩石 如沸石岩 砂岩等 事实上 工业生产的大量高温工业固体排放物 如粉煤灰 水淬渣 等 正是人类在自觉不自觉地进行着火山成岩中 火山灰化 过 程的物理模拟 制造了各种冠以 废弃物 为名的人造 火山灰 这些人造 火山灰 是已储存了大量能量 潜能 的硅铝基介稳 态物料 它们是研究发展硅铝基胶凝体系的廉价主体原料 图1硅铝基胶凝材料与地壳各元素对比因此 不同于传统水泥的高钙 基胶凝体系 以活性激发理论为指导建立硅铝基胶凝体系 利用大 量固体排放物作为硅铝基胶凝材料主体原料制备新型胶凝材料 对 有效解决当今经济可持续发展所面临的资源短缺 生态危机 混凝 土结构耐久性差等问题具有重要的科学意义 2 2 充填基胶凝材料的性能2 2 1充填基胶凝材料的强度性能 1 充填基胶凝材料胶砂强度性能由于充填基胶凝材料岩石化过程 中成岩流体的 焊接 作用 一般硅酸盐类和碳酸盐类粗细骨料都 会与充填基胶凝材料中的成分发生界面反应并保持好的体积稳定性 而普通水泥类胶凝材料一般认为是以范德华力和表面作用为主与 骨料结合的 因此充填基胶凝材料可以容易地制成高强度的制品 并有充足的强 度后期发展余量 按照最新的普通水泥国家标准 在实验室测试了不同养护龄期的充 填基胶凝材料胶砂强度 表2 1普通充填基胶凝材料不同龄期的抗折 抗压强度48 425 0614 580 76 50 340 790 872 76OSiAlCaFeMgNaK其它地壳元素分布图硅 铝基胶凝材料硬化体元020406080抗压强度MPa3d7d28d养护龄期90d1 80d365d32 5 42 5 种类标号抗折强度MPa抗压强度MPa3d28d90d180d 365d3d7d28d90d180d365d充填基胶凝材料32 5 2 18 69 09 49 418 428 237 642 948 052 2硅铝基胶凝材料42 5 5 710 911 712 012 4 23 435 849 356 262 668 8从表2 1可知 充填基胶凝材料的长期强 度不但没有倒缩现象 而且是随龄期不断增加 在一年中充填基胶凝材料结构体的强度持续增长 并且表现出较大 的增长幅度 图2普通充填基胶凝材料不同龄期抗压强度 2 充填基胶凝材料混凝土强度性能根据普通水泥国家标准 在实 验室按同标号水泥混凝土水灰比设计各种标号的充填基胶凝材料混 凝土 结果见表2 2 表2 2充填基胶凝材料混凝土的强度性能 MPa标号3d7d28d抗压强度 抗折强度抗压强度抗折强度抗压强度抗折强度C109 182 115 203 11 8 433 9Cxx 413 919 414 826 365 2C3017 904 628 96 936 807 3C 4021 005 034 38 046 308 4C5038 488 845 3410 854 xx 2C6049 6 510 555 5512 562 8712 8由表2 2可见 充填基胶凝材料混凝土具 有较好的强度性能 充填基胶凝材料的比重与普通水泥相差无几 其混凝土强度达到普 通水泥的水平 2 2 2充填基胶凝材料的耐久性 1 抗碳化性能根据GBJ82 1985 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 使用标准混凝 土碳化试验箱测定了充填基胶凝材料试件和普通硅酸盐水泥试件的 抗碳化性能指标 试件不同龄期的碳化深度见表2 3 表2 3不同碳化龄期混凝土的碳化深度种类强度等级碳化深度mm3d7d 14d28d充填基胶凝材料C201 83 44 96 0C3000 61 31 8C5000 30 40 6水泥C201 74 67 49 2C301 02 14 34 8C5000 81 31 7从碳化结果 可以看出 充填基胶凝材料混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土的碳化 深度都随着龄期的增长而加深 而充填基胶凝材料混凝土在各个龄 期的碳化深度都要小于相同强度标号的水泥混凝土 测试结果显示出充填基胶凝材料混凝土优异的抗碳化性能 2 抗冻性能参照GBJ82 1985 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 使用快速冻融 设备 对三组充填基胶凝材料试件分别进行了386次冻融循环试验 试验结果见表2 4 表2 4充填基胶凝材料试件抗冻融循环试验结果基准试样28天实测强 度Mpa试样1试样2试样3平均49 748 251 449 7对比试样强度 标养2 45天 59 864 361 962冻融386次后强度49 352 151 251 8冻融强度 损失率 17 5218 9717 2917 93冻融质量损失率 0 280 790 170 41 相对动弹性模量下降率 34 5621 7930 2828 88由表2 4可见 三组 充填基胶凝材料混凝土试件分别经386次冻融循环后 与对比试样强 度 标养245天 相比 其平均冻融强度损失率为17 93 平均冻融 质量损失率为0 41 平均相对动弹性模量下降率为28 88 由此可见 充填基胶凝材料混凝土抗冻融性能的标号能够达到D300 以上 可满足极端恶劣情况下的抗冻融工程的需求 3 抗渗性能充填基胶凝材料混凝土具有优异的抗渗性能 由于充填基胶凝材料混凝土具有非常密实的结构和较小的毛细孔径 所以其抗渗性能非常优异 参照GBJ82 1985 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 使用自动调压 混凝土渗透仪测试了充填基胶凝材料混凝土的抗渗性 标号为C30的普通充填基胶凝材料混凝土其抗渗标号就能达到P39 所选用抗渗仪最大抗渗标号测量值为P39 具体结果见表2 5 表2 5普通充填基胶凝材料混凝土抗渗性试验结果种类强度等级配合 比水灰比抗渗标号充填基胶凝材料Cxx 615 060 78P27C3011 193 23 0 49P39C4011 042 820 49P39 4 充填基胶凝材料与普通硅酸盐水泥的碱骨料反应膨胀率比较 实验原料硅酸盐水泥取自唐山冀东水泥有限公司的42 5 硅酸盐水泥 充填基胶凝材料北京菲恩42 5 普通充填基胶凝材料 实验结果表2 6普通硅酸盐水泥 碱含量0 92 与充填基胶凝材料 碱骨料反应试验数据表原材料蒸养后的膨胀率蒸养和压蒸后膨胀率 蒸养和压蒸后再养护90天后膨胀率蒸养和压蒸后再养护180天后膨胀 率普通硅酸盐水泥0 2100 3370 3510 406 42 5 充填基胶凝材料 0 0390 0680 0700 073由表2 6可以看到 普通硅酸盐水泥试样在蒸 养阶段活性骨料的膨胀率就已经超过安全膨胀率 0 1 的范围 而且在压蒸养护阶段的膨胀率增值也很大 甚至在压蒸后膨胀率还 有一定增长 这一结果说明 硅酸盐水泥中碱骨料反应导致了体积的明显膨胀 相比之下 可以看出充填基胶凝材料在四个养护阶段的膨胀率都没 有超过安全膨胀率的范围 这说明充填基胶凝材料有着很强的抗碱骨料反应性能 在充填基胶 凝材料混凝土中即使存在一定量的活性骨料也不会造成碱骨料反应 破坏混凝土的结构情况 2 2 3充填基胶凝材料新拌砂浆及混凝土的流动性 1 充填基胶凝材料新拌砂浆的流动性充填基胶凝材料的流动性是 指在外力作用下克服充填基胶凝材料拌和物内部颗粒间相互作用而 产生变形的性能 颗粒间相互作用力越小 则充填基胶凝材料拌和物流动性越大 充填基胶凝材料砂浆和普通硅酸盐水泥砂浆流动度与水灰比的关系 如图3所示 图3砂浆流动度与水灰比的关系从图3可以看出 充填基胶凝材料砂 浆和普通硅酸盐水泥砂浆相比 在相同的流动度下 充填基胶凝材 料砂浆的需水量小 比普通硅酸盐水泥砂浆的用水量降低约6 在 相同的用水量下 充填基胶凝材料砂浆流动性要比普通硅酸盐水泥 砂浆流动性高的多 2 充填基胶凝材料新拌混凝土的流动性充填基胶凝材料混凝土与 普通硅酸盐水泥混凝土相比 在配合比和单位用水量相同050100150 xx50砂浆流动度 mm 3000 450 460 470 480 5水灰比 w c 水泥 的情况下 充填基胶凝材料混凝土的塌落度要大的多 表现出更好 的流动性 如果这两种混凝土塌落度相同 则充填基胶凝材料混凝 土单位用水量比普通硅酸盐水泥混凝土单位用水量要低10 15 图5为充填基胶凝材料混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土单位用水量与 塌落度的关系曲线 根据流动性试验结果 可以得出如下结论在用水量和其它条件相同 的情况下 充填基胶凝材料拌和物具有比普通硅酸盐水泥拌和物更 好的流动性 这是由充填基胶凝材料的低需水性决定的 图4新拌混凝土单位用水量与塌落度的关系2 2 4充填基胶凝材料的 需水性充填基胶凝材料拌和物中加入的水有两种作用一是保证充填 基胶凝材料能充分水化 二是使充填基胶凝材料拌和物具有足够的 流动性 以保证其工作性能 一般来说 实际拌和充填基胶凝材料时要加入的水量比使充填基胶 凝材料充分水化所需的理论需水量大得多 因而加入的多余水分或 蒸发形成开口空隙 或聚积在集料及钢筋的下表面形成水囊 或残 留在充填基胶凝材料内部形成毛细孔等微观缺陷 多余水分产生的这些微观缺陷会严重削弱充填基胶凝材料硬化体的 强度 所以充填基胶凝材料的需水性对充填基胶凝材料硬化体结构 和性能有重大影响 充填基胶凝材料和水泥的需水性对比结果如表2 7所示表2 7充填基 胶凝材料和普通硅酸盐水泥需水性比较标准稠度用水量 砂浆流动度 均为160mm时的水灰比塑性混凝土用水量关系Kg m3水泥28 50 45W水 泥 W硅铝基胶凝材料 xx0100150塌落度 mm xx41167176193205新 拌混凝土单位用水量 Kg m3 水泥混凝土充填基胶凝材料24 50 38 由表可见 充填基胶凝材料的需水性比同条件下普通硅酸盐水泥有 较大降低 其中原因一方面是因为充填基胶凝材料水化产生的碱组分具有表面 活性作用 另一方面是由于磨细的矿渣颗粒表面包裹水膜厚度较小 充填基胶凝材料较小的需水性使硅铝基胶凝材料拌和物在较少的用 水量时就具有足够的流动度 从而保证了在相应工艺条件下的浇注 成型和密实 而且其硬化体中的毛细孔等微观缺陷大大减少 所以 充填基胶凝材料具有非常优异的结构和性能 2 2 5充填基胶凝材料的体积安定性水泥的安定性是评价水泥质量的 一个重要指标 通常情况下 影响硅酸盐水泥体积安定性主要有三种因素一是硅酸 盐水泥熟料煅烧过程中 存在过量呈死烧状态的游离CaO 其在水中水化速度很慢 常常在水泥硬化以后才开始进行水化生成C a OH 2 由于反应产物固相体积增大使水泥硬化体产生内应力 当这种死烧的CaO含量较高时 产生足够大内应力克服水泥石的束缚 而使水泥石产生裂纹 缝隙 甚至崩溃破坏 二是硅酸盐水泥熟料高温煅烧过程中 形成结构致密的游离方镁石 MgO 少量的MgO可以进入熟料矿物中形成固溶体 或溶于玻璃相中 不会 引起水泥体积安定性不良 但当MgO含量较高时 多余的MgO以方镁 石结晶存在 其水化速度比死烧状态的游离CaO更慢 往往要历经数 年甚至数十年才能完全水化 因而当水泥硬化体高强度结构形成以后 由游离MgO与水反应生成Mg OH 2 固相体积增大 从而在水泥石内部膨胀产生内应力 当产生的内应力足够大时 使水泥石开裂和破坏 三是硅酸盐水泥在粉磨过程中 石膏数量掺入过多 硅酸盐水泥水化时要产生水化铝酸钙 水化硫铝酸钙等水化产物 但在水泥硬化体结构形成后 过量的石膏将与水化铝酸钙及单硫型 水化硫铝酸钙发生反应 继续生成最终能稳定存在的水化产物钙矾 石 AFt 从而固相体积膨胀 使水泥石内部产生巨大内应力而发生 开裂等破坏 为了防止MgO和掺和过量石膏引起硅酸盐水泥体积安定性不良 各国 标准中都限定了硅酸盐水泥中MgO和SO3的含量 一般规定MgO含量不超过5 SO3含量不超过4 充填基胶凝材料中MgO主要以惰性矿物钙镁黄长石固溶体形式包含在 矿渣中 所以即使充填基胶凝材料中MgO含量可能超过5 但以游离 方镁石形式存在的MgO很少 不会引起体积安定性不良 对于游离CaO可能引起的安定性不良 根据GB1346 89 水泥标准稠度用水量 凝结时间 安定性检验方法 用沸煮 试饼法检验 没有发现丝毫裂缝 变形等现象 由此表明充填基胶凝材料的体积安定性良好 2 2 6充填基胶凝材料的伸缩性能胶凝材料的伸缩性能反映水化硬化 过程中的体积稳定性 水泥在实际工程中 在得不到膨胀组分补偿的情况下 会干燥收缩 产生收缩裂纹等宏观缺陷 破坏水泥石结构 从而造成建筑物的 损坏 充填基胶凝材料在水化硬化过程中能产生一定数量的膨胀组分 可 部分甚至完全抵消干燥过程中硅铝基胶凝材料硬化体的体积收缩值 从而能减轻或消除收缩开裂缺陷 提高充填基胶凝材料混凝土的 耐久性能 根据JC311 313 82 膨胀水泥膨胀率试验方法 将充填基胶凝材料制成胶砂试件 在标准养护条件下测定其长度随龄期的变化 试验时以42 5 普通硅酸盐水泥胶砂试件作对比 表2 8及图4是充填基胶凝材料和普通硅酸盐水泥胶砂试件在标准养 护条件下长度变化的测试结果 其中长度变化率为正值表示膨胀 为负值表示收缩 表2 8标养下充填基胶凝材料与水泥胶砂试件长度变化率 基准值3d7 d14d28d60d90d充填基胶凝材料00 0170 0310 0220 0160 0150 012 水泥0 0 004 0 0070 0060 002 0 001 0 006图4标准条件下充填基胶凝材料与水泥胶砂试件长度变化趋势 0 01 0 00500 0050 010 0150 020 0250 030 03503714286090胶砂试件长 度变化率 养护时间 天 水泥由结果可以看出 充填基胶凝材 料试件在各个龄期均显示出不同程度的膨胀性 从而补偿了收缩产 生的微裂纹 提高了充填基胶凝材料的力学和耐久性能 2 2 7充填基胶凝材料的其他性能 1 超强的固土能力所有充填基胶凝材料都能与粘土和细砂形成良 好的结合 2 极低的水化热充填基胶凝材料的水化 硬化过程与普通水泥类 胶凝材料不同 是以成岩流体对硅酸盐类矿物 或玻璃体 的溶解 再聚合为主要形式 从理论上说 解聚过程所需要的能量与再聚合过程所放出的能量基 本相等 因此体系的宏观水化热接近于零 3 好的固结性能充填基胶凝材料类用于固结重金属离子 放射性 元素等有毒有害物质 其在各种条件下的抗溶出能力是水泥硬化体 的2倍 此外 由于充填基胶凝材料超强的固土 固砂能力 它可以在改善 质量的基础上大幅度的降低固砂 固土的成本 因此充填基胶凝材料不但是采矿工业中地下充填的理想材料 从而 实现矿产资源的可持续性发展 而且还可以广泛的利用于我国西部 沙漠化治理之中 为我国西部大开发的顺利开展奠定基础 2 2 8充填基胶凝材料在尾矿综合利用中的应用 1 用充填基胶凝材料代替水泥 用尾矿代替河砂制备混凝土实验 在我国许多大中城市用于生产混凝土的河砂均处于紧缺状态 目前北京市所用河砂99 靠从河北省调运 由于临近北京市的河北省 各市县正在逐步禁挖 河砂的价格一路攀升 而与北京临近的河北唐山地区有约2亿吨尾矿堆存 占用大量土地 引起环境污染和破坏生态平衡 并且每年还在以2000万吨的产量产 出 北京地区目前每年的河砂需求量约1500万吨 因此如能将唐山地区 的尾矿代替河砂生产混凝土将是在几十年内取之不尽的资源 按C30配制 胶凝材料用量为300kg m3 坍落度为120mm的实验结果如 表2 9所示 表2 9水泥混凝土与尾矿混凝土性能比较实验结果粗骨料细骨料胶凝 材料28天抗压强度石灰岩碎石河砂42 5号水泥32 6MPa石灰岩碎石河 砂42 5号充填基胶凝材料36 7MPa石灰岩碎石尾矿42 5号水泥22 8MP a石灰岩碎石尾矿42 5号充填基胶凝材料42 1MPa由表2 9可以看出 用充填基胶凝材料代替水泥 用尾矿代替河砂制备混凝土 强度等 级不仅能达到C30的要求 而且强度数值比水泥尾矿混凝土高出将近 一倍 从试验和长期表面观察结果来看 尾矿充填基胶凝材料混凝土表面 耐磨性好 收缩裂隙少 具有非常好的工程应用前景 2 全尾砂充填料试验由于充填基胶凝材料对细粒硅酸盐矿物特殊 的 焊接 作用 采用充填基胶凝材料作为胶凝材料尾矿作为骨料 可比采用水泥作为胶凝材料大幅度降低成本和提高性能 表2 10是采用充填基胶凝材料和普通硅酸盐水泥制备充填料的对比 实验 表2 10充填基胶凝材料和水泥制备充填料对比实验胶凝材料骨料8小 时强度24小时强度3天强度42 5 充填基胶凝材料5 25 粉煤灰 70 尾 矿0 3MPa0 8MPa1 2MPa42 5 水泥5 25 粉煤灰 70 尾矿无强度0 1MP a0 3MPa从表2 10可以看出 用充填基胶凝材料制备的采矿充填料不 但具有早强特征 而且后期强度可达到水泥尾矿充填料的4倍以上 因此充填基胶凝材料技术对充填采矿法在我国的推广将具有重大的 推动作用 可使资源回采率提高30 50 对于解决我国资源紧缺 地表塌陷及其带来的生态环境问题 解决尾矿大量堆存所带来的安 全与环境问题具有重要意义 3充填基胶凝材料原料充填基胶凝材料是根据活性激发的原理 以各 种工业废弃物为主体原料 配以少量熟料和活性激发剂 在利用传 统的水泥粉磨工艺生产出的高性能新型胶凝材料 其原料广泛 主要由 冶金废渣是指在冶炼生产过程中产生的高炉渣 钢渣 铁合金渣及有色金属矿渣 粉煤灰是指燃煤电厂锅炉 煤粉炉在燃煤过程中产生的固体颗粒物 炉渣是指燃烧设备从炉膛排出的灰渣 不包括燃料燃烧过程中去除 的烟尘 煤矸石是与煤层伴生的一种含碳量低 比煤坚硬的黑色岩石 主要由采煤 洗煤和耗煤单位排放 其它废弃物主要指硅酸盐工业和建材工业的砖 瓦 碎砾 建筑垃 圾等和燃料燃烧过程去除的烟尘等工业固体废弃物 3 1 冶金工业固体废弃物冶金工业固体废弃物是指在冶炼过程中所排 出的固体废渣 其中主要包括高炉渣 钢渣 铁合金渣 有色金属冶炼固体废弃物 等 3 1 1炼铁固体废弃物 高炉渣高炉炼铁过程中产生的固体废弃物主 要是高炉渣 其次是经煤气净化塔净化下来的尘泥及原料场收集的 粉尘 根据原料品味的不同 一般每炼1t铁产生300 900Kg高炉渣 20 4 0Kg尘泥 高炉渣的主要成分是由CaO AL2O 3 MgO SiO 2 MnO Fe2O3等组成的硅酸盐和铝酸盐 SiO2和MnO主要矿石中的脉石和焦炭中的灰分 CaO和MgO主要溶剂 上述四种成分在高炉渣中占90 以上 由于矿石品位和冶炼生铁品 种不同 高炉渣的化学成分变动较大 高炉渣的活性与其化学成分有关 但更取决于冷却条件 慢冷的矿渣具有相对均衡的结晶结构 水淬急冷阻止了矿物结晶 因而形成大量的无定形活性玻璃体结构 或网络结构 具有较高的潜在活性 在激发剂的作用下 活性被激发出来 能起水化硬化作用产生强度 根据把液态渣处理成固态渣的方法不同 其成品渣的特性也各不同 我国主要有三种成品渣水淬渣 膨珠和重矿渣 水淬渣是指将高温熔渣用大量的水急冷成粒 使其中的各种化合物 来不及形成结晶矿物 而以玻璃体状态将热能转化成化学能封存其 内 这种潜在的活性在激发剂的作用下 与水化合可生成具有水硬 性的胶凝材料 3 1 2炼钢固体废弃物炼钢是利用空气中的氧或者氧气来氧化炉料 一般主要是铁 所含的碳 硅 磷等 这些元素被氧化后 有的在 高温下与溶剂 主要是石灰石 起反应 形成炉渣 有的形成烟尘 经烟尘净化系统排出 留下的是钢水 炼钢厂产出的固体废弃物 主要有钢渣 化铁炉渣和净化系统收集 的含铁尘泥 钢渣就是炼钢过程中排出的熔渣 一般来说 熔渣的组成主要铁水与废钢所含的铝 硅 锰 磷 硫 钒 铬 铁等元素氧化成的氧化物 金属料带入的泥沙等 加入 的造渣剂 如石灰 萤石等 作为氧化剂或冷却剂的铁矿石 烧结 矿 氧化铁皮等 脱氧用合金的脱氧化物和熔渣的脱硫产物等 当前我国采用的炼钢方法主要是转炉 平炉和电炉炼钢 按照炼钢方法可以将渣分为转炉钢渣 平炉钢渣和电炉钢渣 钢渣的主要化学成分为CaO SiO 2 FeO AL2O 3 MgO MnO Fe2O 3 P2O5和f CaO 游离CaO 钢渣中铁氧化物以FeO和Fe2O3形式同时存在 以FeO为主 另外 钢渣中含有一定量的P2O5 其原因是炼钢过程中脱S除P所致 从而降低了钢渣的活性 3 2粉煤灰粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质混合材 料 是燃煤电厂 化工 冶炼等排出的固体废弃物 是工业固体废 弃物的 老大 我国是一个以煤炭为主要能源的国家 随着经济的迅猛发展 对能 源的需求量也迅速增长 现在我国每年粉煤灰排放量已超过8000万吨 利用率约为30 每 年约有5000万吨要堆放在灰场里 假设堆场平均堆10m 堆积密度以0 7t m3计 则每年约占地8万平方 米 粉煤灰的再资源化已成为我国急需解决的问题 粉煤灰根据其化学组成可以分为低钙粉煤灰和高钙粉煤灰 一般CaO 含量在8 以上者称之为高钙粉煤灰 其收集包括烟尘收集和底灰收集 排放方式分干法和湿法 目前 我国大多数电厂采用湿排 湿排是通过管道和灰浆泵 利用 高压水力把粉煤灰送到储灰场或填埋场 粉煤灰的化学成分是评价粉煤灰质量优劣的重要技术参数 粉煤灰的化学组成与煤的矿物成分 煤粉细度和燃烧方式有关 其 主要成分为SiO2 43 56 Al2O3 20 32 Fe2O3 4 10 CaO 1 5 5 5 烧失量为3 20 粉煤灰的烧失量可以反映锅炉燃烧状况 烧失量越高 粉煤灰的质 量越差 粉煤灰的矿物组成十分复杂 主要有无定形相和结晶相两大类 吴定形相主要为玻璃体 约占粉煤灰总量的50 80 此外 未燃尽 的碳粒也属于无定形 结晶相主要有石英 莫来石 云母 长石 赤铁矿等 粉煤灰中单独存在的结晶体极为少见 单独从粉煤灰中提纯结晶相 极为困难 粉煤灰是一种复杂的细分散相固体物质 在其形成过程中 由于表面张力的作用 部分呈球形 表面光滑 微孔细小 小部分印在熔融状态下互相碰撞而黏连 成为表面粗糙 棱角较多的集合颗粒 因而 粉煤灰颗粒大小不一 形貌各异 粉煤灰的活性是高温燃烧的产物 具有活性 形成过程和活性炭的 制作过程有相似之处 同样具有较大的比面面积 其比面面积达270 0 3500cm2 g 另外 粉煤灰中含有Al2O3和Fe2O3 在酸性条件下 其中的铝和铁 离解成为无机混凝剂 它与污水混合时 铝和铁离子将污水中的悬 浮粒子絮凝 相互捕捉而共同沉降下来 可完成污染物 悬浮物与 水的分离 得到的水质清澈透明 3 3 炉渣火力发电厂 工业和民用锅炉及其燃煤设备排出的废渣叫 煤渣 也叫炉渣 炉渣的化学成分为SiO240 50 Al2O330 35 Fe3O44 20 CaO1 5 及少量铁 硫 碳等 其矿物组成主要有钙长石 石英 莫来石 磁铁矿和黄铁矿 组成 主要为含硅玻璃体 Al2O 3 SiO2 和活性Al2O3以及少量的未燃煤等 炉渣如不加处理和利用任其堆积 不仅占用土地 同时会释放出含 硫气体 污染大气 甚至自然起火 引起火灾 因此必须对炉渣进行资源综合利用 减少其堆积量 3 4煤矸石煤矸石是采煤和洗煤过程中排出的固体废弃物 是一种在 成煤过程中与煤伴生的含碳量较低 比煤坚硬的黑灰色岩石 煤炭是我国最主要的能源 其资源非常丰富 煤矸石的产地分布和原煤产量有直接关系 目前 我国煤矸石的排放量超过400万吨的地区有东北 内蒙古 山 东 河北 陕西 山西 安徽 河南 另外 四川和其他省 自治区也排放大量的煤矸石 煤矸石的排放量比较多的地区还是集中在北方 随着煤炭生产的不断发展 煤矸石的产量与日俱增 煤矸石产量按原煤的15 计 每年煤矸石至少增加1亿吨 煤矸石是我国排放量最大的工业废渣之一 历年积存的煤矸石约为2 0亿吨 占地近10万亩 而且仍在增加 这样大量的煤矸石不仅占用大量的土地和农田 而且严重污染环境 因此 如何治理和综合利用煤矸石越来越受到人们的重视 煤矸石煅烧后尾渣的主要化学成分见表2 1 煤矸石的岩石种类和矿物组成直接影响煤矸石的化学成分 如砂岩矸石的SiO2含量最高可达70 铝质岩矸石含量Al2O3大于40 钙质岩矸石CaO大于30 表3 1煤矸石煅烧后尾渣的主要化学成分单位 SiO2Al2O3CaO MgOFe3O4R2O烧失量40 6515 351 71 42 91 2 52 17煤矸石与煤系地层共生 是多种矿岩组成的混合物 属于沉积岩 煤矸石的岩石种类主要有黏土岩类 砂岩类 碳酸盐类 铝质岩类 黏土岩类是目前已经实用化的一类矸石 其矿物组成有高岭土 蒙脱石 岩质页岩 石英 长石 云母 还有大量硫铁矿等 砂岩类主要成分为适应 长石 云母等 碳酸盐类主要成分有方解石 白云石 铁白云石 磷铁矿 硫铁矿 有机硫等 铝质岩类主要成分有三水铝矿 一水软铝矿 一水硬铝矿 石英 褐铁矿 白云母 方解石等 黏土岩类煤矸石主要由黏土矿物组成 加热到一定温度 一般为700 900 时 原来的结晶相分解破坏 变成无定型的非晶体 使煤矸 石具有活性 活性的大小和煤矸石的物相组成有关 还和煅烧温度有关 自然过的煤矸石都具有一定的活性 测定煤矸石的活性 可以采用化学法火山灰活性检验方法进行比较 3 5化工废渣3 5 1赤泥赤泥是制铝工业中用烧结法从铝矾土中提取 氧化铝时所排出的赤色行业残渣 铝矾土品位愈低 相当于单位氧 化铝产生的赤泥也愈大 一般每生产1t氧化铝约产出1 5 1 8t赤泥 其化学组成主要由SiO 2 Al2O 3 Fe3O4CaO等 具体组成见表2 2 其化学组成随着制铝原料铝矾土的化学组成而异 一般含碱较高 含钙低 而且数量 组成和结构变化较大 表2 2赤泥的主要化学成分单位 SiO2Al2O3CaO MgOFe2O3R2O烧失量20 245 5 7 746 500 4 0 94 05 093 2 3 94 2 7 83 5 2工业废石膏工业废石膏又名化学石膏 化学工业和其他工 业排出的以石膏为主要成分的废渣的总称 有磷石膏 氟石膏 脱硫石膏 制盐石膏等几种 主要组成是CaSO4 2H2O 是一种生产石膏的废弃物利用资源 还可以生产石膏胶凝材料和制 品 磷石膏是制取磷酸后的废渣 当磷灰石用硫酸处理 制取磷酸后所 残存的渣滓再用石灰中和其过量的硫酸所得 主要组成为二水石膏 3 6其它废弃物主要包括城市建筑垃圾 硅酸盐工业和建材工业的砖 瓦 碎砾等 工业废水处理排出的固体沉淀物以及燃料燃烧过程 中去除的烟尘等 4充填基胶凝材料生产工艺和装备4 1主要生产工艺充填基胶凝材料 的主要原料为粉煤灰和炉渣 矿渣 熟料 石膏和活性激发剂等 其中以粉煤灰 炉渣和矿渣为主体原料的混合材掺量达到70 以上 其主要的流程包括原料破碎 输送及储存系统 预粉磨系统 中间 储存配料系统 终粉磨系统 成品储存 包装及散装系统 辅助系 统 主要工艺采用了串联粉磨的生产工艺 即将熟料 矿渣和石膏等块 状物料为主体的原料先进行预粉磨 预粉磨的半成品 粉状 与粉 煤灰一起进行混合粉磨 既提高了粉磨效率同时又实现了物料达到 成品细度的要求 具体的生产工艺流程如下熟料 矿渣和石膏辊压机预粉碎开流高细 磨半成品 粉煤灰等配料混合终粉磨均化 包装和散装4 2主要设备 选择 1 预粉磨系统辊压预粉磨为开路系统 由辊压机 球磨机 气箱 脉冲布袋收尘器和风机等组成 物料经辊压 预粉磨机处理后 半成品由提升机提入半成品库进行 储存 2 终粉磨系统熟料矿渣粉 半成品 粉煤灰 炉渣和活性激发 剂等原料在库底配料 配料秤采用螺旋 皮带秤进行计量 炉渣采 用皮带秤 计量物料由链式输送机送入终粉磨 终粉磨为开路的球磨机系统 由球磨机 气箱脉冲收尘器 风机等 组成 物料经终粉磨处理后即得成品 由空气输送斜槽 提升机送入成品圆库进行储存 3 成品包装系统由圆库均化完输送成品的经电振筛 中间仓 由 八嘴回转式包装机包装 其包装能力为120t h 包装好的成品由汽 运出厂 包装机采用微机控制 并同时采用自动装车线直接装车出 厂 装车线配备自动印码机和点包机 4 3主要技术特点 1 预粉磨采用辊压机配置高细球磨机的挤压联合粉磨工艺辊压机 应用高压料层粉碎的原理 采用单颗粒粉碎群体化的工作方式 使 物料粒度迅速减小 0 08mm的细粉含量可达20 35 2mm的物料达到70 以上 并且所有经挤压的物料颗粒都存在大量的裂纹 使后续球磨机系统 的粉磨状况大为改善 从而大幅度降低粉磨系统的单产电耗 与辊压机相配套的新型打散分级设备 打散分级机 该设备与辊压机闭路 构成一种全新的挤压粉磨工艺 挤压联合粉 磨工艺 同时 由于打散机的分级作用 解决了因大颗粒进入选粉机 造成 选粉机磨损严重的问题 这也使半终粉磨系统更加成熟 可靠 打散分级机采用离心冲击破碎及空气动力学原理 集料饼打散与颗 粒分级功能于一体 对被挤压后的料饼进行充分地打散和有效地分 选 分级粒径可以从0 5 3 5mm连续调节 大颗粒物料返回辊压机再次挤压 半成品送入球磨 机继续粉磨 打散分级机与辊压机构成闭路 可消除因未被充分挤压的物料及边 缘漏料对后续球磨系统产生的不良影响 进一步优化磨机系统工况 从而获得大幅度增产节能效果 2 与辊压机闭路循环系统配套的高细高产磨技术根据入磨物料的 特性 通过确定适当的破碎仓长度 改进隔仓板的结构 缩小过料 篦缝 加大过料面积 在破碎仓与研磨仓之间增设一道筛分装置 即高产高细磨的技术关键 对进入筛分装置的物料进行粗细分离 并根据需要采用溢流措施有效的控制进入研磨仓的物料粒度及流 速 依据粉磨物料特性 品种特点 工况条件等 合理分配各仓的 研磨体装载量和级配 在可粉磨的条件下 尽量降低研磨体的尺寸 同时对出料装置重新设计 重新选择材质 改变制造方法 提高加 工 安装精度 做到完全杜绝漏段现象的发生 为采用10 16mm的微型研磨体创造了充分的条件 使研磨体单位重量的个数与原研磨体相比增加约4 6倍 总表面积增 加约1 8倍 以最大表面积与水泥接触研磨提高研磨能力 实践证明微型研磨体单个体积小 重量轻 机械能量可以平衡发挥 克服了糊磨现象的发生 极大的提高了开流管磨机的粉磨效率 对经过筛分的物料按照分级粉磨的原理 通过微型研磨体的强化研 磨 从而充分的挖掘出管磨机的生产能力 实现了开流管磨机高细 高产 优质 低耗的目标 3 终粉磨的工艺和装备预粉磨后的半成品 粉状 与粉煤灰进行 计量后进入终粉磨的球磨机进行混合粉磨 在保证物料混合均匀的 同时得到成品需要的粒度分布 针对磨机的入料特点 终粉磨球磨机采用了全新的微介质的单仓球 磨机 最大限度的发挥磨机的粉磨功能 4 成品粒度分布的合理调节和控制硅铝基胶凝材料强度的产生主 要是由于产品颗粒及水化物之间相互连生 搭接 硬化从而产生可 以抵抗外力的作用 产品颗粒的大小与水化速度和程度有着直接的联系 不同粒径的水 化速度和程度