基于响应面法的碳酸钠活化铜尾矿胶凝性能机制研究

为了有效激发铜尾矿活性制备性能良好的胶凝材料,以铜尾矿为主要原材料,水玻璃和NaOH为碱激发剂,采用响应面优化法开展胶凝材料配比优化实验,并通过方差分析以及三维曲图研究自变量及其交互作用对28d抗压强度的影响；利用XRD、SEM、FT-IR、TG-DTG等对试样的矿相成分、微观形貌等特征进行分析。结果表明：通过优化实验获得最优配比为碳酸钠掺量50%、氢氧化钠掺量1%、水玻璃掺量22g/100g,此参数下铜尾矿胶凝材料28d抗压强度为30.41MPa。经过机械球磨40min后,碳酸钠在适当的碱性环境下使铜尾矿的活性激发到较佳状态,铜尾矿经水化反应生成了大量结晶度较高的C-S-H凝胶与棱柱状钙钒石等水化产物,彼此相互连接构成网状结构,使胶凝材料保持较高的强度性能。     

钢渣—矿渣复合胶凝材料的制备及胶凝活性激发试验研究

为了提高钢渣和矿渣的高附加值利用率以及钢渣在胶凝材料中的掺量,研究了钢渣与矿渣掺量、质量比和胶凝活性激发方式对复合胶凝材料抗折、抗压强度的影响,并采用X射线衍射、扫描电镜和热重分析等检测手段探究了钢渣—矿渣复合胶凝材料的水化机理。结果表明：钢渣矿渣掺量为80%、钢渣矿渣质量比为5∶5、钢渣粉磨时间为80 min（比表面积为509 m2/kg）时,钢渣—矿渣复合胶凝材料的28 d抗折强度为7.3 MPa、抗压强度为31.3 MPa;选取NaOH、Na2CO3、Na2SO4和水玻璃为激发剂对胶凝材料活性进行激发,只有水玻璃提高了复合胶凝材料的活性,且当水玻璃模数为2、Na2O当量为4%时,其28 d抗折强度为8.4 MPa、抗压强度为43.0 MPa。分析水玻璃激发胶凝材料的水化产物发现：其微观形貌紧实致密,生成的C—S—H凝胶、Ca(OH)2和Aft相互交织,提高了胶凝材料的强度。     

钢渣对碱激发偏高岭土材料强度影响分析

在水玻璃激发偏高岭土胶凝体系中,加入不同掺量的磨细钢渣,考察不同钢渣掺量对碱激发偏高岭土基复合胶凝材料的7 d抗折、抗压强度的影响,并对其影响机理进行分析。结果表明:随着钢渣掺量的增大,碱激发偏高岭土基复合胶凝材料的7 d抗折、抗压强度呈先增大后减小的趋势;当钢渣掺量在5%时,复合材料的7 d抗折强度达到最大值8.59 MPa,相较于空白组提高了10.2%;当钢渣掺量在7.5%时,复合材料的7d抗压强度达到最大值54.81 MPa,相较于空白组提高了20.9%;钢渣中的游离氧化钙与水反应生成氢氧化钙,对偏高岭土有一定的激发效果,进而提高碱激发偏高岭土基复合胶凝材料的力学强度。     

地质聚合物的制备及其在尾矿免烧制品中的应用

采用钢渣和粉煤灰作为原料,加入一定量的碱激发剂,制备出了一种较高强度的地质聚合物胶凝材料。当钢渣与粉煤灰比值为1∶1时,加入10%、模数为1的水玻璃,3d强度为29.20MPa,28d强度可达53.71MPa。并以其作为胶凝材料,以铁矿尾矿粉作为骨料,试制了一种钢渣粉煤灰基地质聚合物胶凝尾矿免烧制品。当尾矿加入量为50%或55%时,各个样品的3d强度均在10MPa以上,最高可达16.24MPa,28d强度均在15MPa以上,最高可达23.43MPa。本文还对胶凝聚合反应机理进行了初步探讨。     

尾矿渣复合胶凝材料制备研究

以铁尾矿和铜矿渣为原料,成功制备了尾矿渣复合胶凝材料。通过分析球磨时间、胶砂比、料浆浓度、矿渣用量、碱激发剂、水泥熟料、养护条件与胶凝材料力学性能的关系,探讨矿渣胶凝体系制备过程影响因素,确定矿渣胶凝材料制备工艺条件。当矿渣胶凝体系配比为铜矿渣∶石灰∶石膏=80%∶4%∶16%、矿渣胶凝体系球磨时间25min,充填体中矿渣胶凝体系∶水泥熟料∶氢氧化钠∶铁尾矿=20%∶5%∶0.5%∶74.5%、料浆浓度为75%时为充填材料的最好配比,在此条件下,5%水泥填料,试块28d抗压强度为3.62MPa。试验中尾矿渣复合胶凝材料制备研究满足矿山充填胶凝材料的需求。     

尾矿渣复合胶凝材料制备试验研究

以铁尾矿和铜矿渣为原料,成功制备了尾矿渣复合胶凝材料。通过分析球磨时间、胶砂比、料浆浓度、矿渣用量、碱激发剂、水泥熟料、养护条件与胶凝材料力学性能的关系,探讨矿渣胶凝体系制备过程影响因素,确定矿渣胶凝材料制备工艺条件。当矿渣胶凝体系配比为铜矿渣∶石灰∶石膏=80%∶4%∶16%、矿渣胶凝体系球磨时间25min,充填体中矿渣胶凝体系∶水泥熟料∶氢氧化钠∶铁尾矿=20%∶5%∶0.5%∶74.5%、料浆浓度为75%时为充填材料的最好配比,在此条件下,5%水泥填料,试块28d抗压强度为3.62MPa。试验中尾矿渣复合胶凝材料制备研究满足矿山充填胶凝材料的需求。     

磷石膏基充填胶凝材料试验研究

磷石膏属于一种固体废渣，占用土地资源，污染环境。开发磷石膏充填胶凝材料，治理采空区可达到“一废治两害”的目标。为此，以磷石膏、矿渣、生石灰、芒硝、氢氧化钠为试验原料制备磷石膏基胶凝材料，通过单因素试验分析各材料掺量与磷石膏基充填胶凝材料抗压强度的关系，通过多因素试验分析各材料掺量的最优配比。试验结果表明：试块抗压强度与氢氧化钠含量呈正比；随着生石灰含量的增加，试块抗压强度先增长后降低，当生石灰含量达到6%时，试块抗压强度最大；芒硝的含量不利于试块晚期强度的增长，当芒硝含量达到1.5%时，试块早期抗压强度较大，晚期强度较为理想；磷石膏不利于试块强度的发展。各材料掺量对试块抗压强度影响的强弱程度依次为氢氧化钠＞生石灰＞芒硝＞磷石膏。当生石灰含量6%、氢氧化钠含量2.5%、芒硝含量1%、磷石膏含量35%,试块抗压强度最高，3,7,28 d抗压强度分别为1.86，2.35，4.49 MPa。结果可为类似磷石膏充填胶凝材料制备提供参考。     

原料配比对煤矸石膏体工作性能和抗压强度的影响

针对充填材料成本过高、性能欠优的状况，结合煤矸石等大宗固废资源化再利用等问题，以煤矸石为骨料，粉煤灰、矿渣和水泥为胶凝材料，聚羧酸减水剂和水玻璃为外加剂，制备早强型煤矸石膏体充填材料。重点研究了胶凝材料用量及配比对煤矸石膏体工作性能和抗压强度的影响，结果表明，随着胶凝材料用量的减少，新鲜膏体坍落度先增大后减小，泌水率先减小后增大，胶凝材料最佳用量约为25%;随着胶凝材料中水泥掺比量的减少和矿渣用量的增加，膏体坍落度小幅增加，膏体试块3～28 d的抗压强度稳步上升，煤矸石膏体制备原料最优配比为煤矸石∶粉煤灰∶矿渣粉∶水泥=75∶13∶6∶6,而新鲜膏体坍落度为26.5 cm, 1 h后坍落度为25.1 cm,泌水率为6.21%,膏体无分层离析现象；膏体2 h后抗压强度可达0.06 MPa, 28 d抗压强度可达10.5 MPa。     

利用工业废渣制备充填胶凝材料的研究

为了降低矿山充填成本,以钢渣、矿渣等工业废渣为主要胶凝组分制备充填胶凝材料,研究了电石渣对其性能的影响。借助XRD、SEM测试手段分析了胶凝材料化产物的矿物组成和微观形貌。实验结果表明向充填胶凝材料中单掺15%的电石渣时,充填胶凝材料3、28 d抗压强度分别达到了16.3、38.6 MPa,与未掺电石渣的试样相比,3、28 d抗压强度分别提高了34.7%、26.3%;用25%的矿渣等量取代钢渣时,充填胶凝材料3、28 d抗压强度分别达到了26.4、48.3 MPa,与未掺矿渣的试样相比,3、28 d抗压强度分别提高了63.9%、28.5%,凝结时间缩短。     

基于均匀试验与智能算法的全固废充填胶凝材料制备

为了制备满足矿山要求的超细尾砂全固废充填胶凝材料, 基于均匀设计方案, 开展了全固废充填胶凝材料激发剂配比的胶结体强度试验, 结果表明, 矿渣粉配比量为全尾砂胶结充填体7 d及28 d抗压强度的主要影响因素, 脱硫石膏配比量对充填体7 d抗压强度影响较大, 而钢渣配比量影响28 d抗压强度。建立了胶凝材料配比优化模型, 利用智能算法的全局寻优, 获得低成本全固废充填胶凝材料最优配比为: 脱硫石膏20%、钢渣微粉33%、粉煤灰25%、矿渣微粉22%, 材料成本为34.92元/m³;根据该配比进行了室内制备试验, 结果显示, 充填体7 d和28 d抗压强度分别达到1.38 MPa和3.56 MPa, 并且随着反应龄期增加, 该材料体系中C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失从3.64%增加到8.7%, 充填体强度呈增加趋势。采用该方法制备的胶凝材料能满足矿山要求。     

激发剂对金川水淬二次镍渣胶结料强度的影响

以脱硫石膏和电石渣为主激发剂、硫酸钠和水泥熟料为辅助激发剂,与金川公司镍冶炼渣熔态还原提铁后产生的水淬二次镍渣制成胶凝材料,再按胶砂比为1∶4与棒磨砂制成质量分数为79%的胶结料,着重考察激发剂用量对胶结料强度的影响。结果表明,当胶凝材料中二次镍渣、脱硫石膏、电石渣、硫酸钠、水泥熟料的质量分数分别为85%、5%、5%、3%、2%时,胶结料的28 d抗压和抗折强度分别达到3.42 MPa和1.96 MPa,满足井下充填用胶结料的强度要求。XRD、SEM分析结果显示,在激发剂作用下,二次镍渣胶凝材料中的玻璃相和结晶态物质均可发生水化反应,水化产物主要为钙矾石和含Ca²⁺、Mg²⁺的硅（铝）酸盐凝胶。     

矿渣尾矿制备矿山充填胶结材料工艺条件的研究

本试验主要以矿渣和尾矿为原料,氢氧化钠为激发剂,工业液体硅酸钠作结构模板剂制备了矿山充填胶结材料。通过试验得出了胶结材料的最佳物料配比:当矿渣与尾矿掺入量为1.25、NaOH用量为50%、水玻璃用量为50%、水灰比0.22、常温条件下养护7d,最终可以制得抗压强度为52.3MPa的矿山充填胶结材料。     

一种钢渣-高岭土基地质聚合物材料

将高岭土和氢氧化钠固体的热活化产物与钢渣混合、水化、压制,制备了一种较高强度的钢渣-高岭土基地质聚合物材料。采用XRD、FTIR和SEM测试方法对原料和合成的地质聚合物材料的表面键合、物相及微观结构的变化进行了分析。质量分数为5%的高岭土碱热活化物料与95%的钢渣粉末制备的地质聚合物材料,其养护3、7和28 d的试块抗压强度分别为20、30和28.9 MPa,达到了非承重墙体建筑材料MU20、MU25和MU30的强度等级标准。表面键合变化表明,反应生成了Si(Al)-O三维网络结构的地质聚合物,钢渣中的硅酸钙受碱激发生成C-S-H凝胶,不反应的固体作填充料增加了材料的抗压强度。     

钢渣尾泥和电炉渣中磷的赋存状态EPMA分析

高磷钢渣中磷的存在状态非常复杂,导致其作为混凝土掺合料时对水泥的水化过程和水化产物的影响都较为复杂。主要利用电子探针X射线显微分析仪(EPMA)对钢渣尾泥和电炉渣中磷的赋存状态进行了深入研究,为钢渣尾泥和电炉渣在建筑胶凝材料中的大掺量利用及其中磷元素的有效控制提供理论指导。研究表明:钢渣尾泥和电炉渣的主要矿物组成为硅酸二钙(Ca_2SiO_4)、硅酸三钙(Ca_3SiO_5)、氢氧化钙(Ca(OH)_2)、方解石(CaCO_3)、氧化亚铁(FeO)和RO相(MgO、FeO和MnO的固溶体),钢渣尾泥中还含有水化硅酸钙(C-S-H凝胶);钢渣尾泥和电炉渣中P_2O_5的含量分别为1.741%和1.834%;钢渣尾泥和电炉渣中磷主要以固溶体的形式富集于硅酸二钙(Ca_2SiO_4)和硅酸三钙(Ca_3SiO_5)等硅酸盐物相中,P_2O_5的含量为3.195%~7.513%。     

尾矿矿渣制备地质聚合物材料工艺条件的研究

以矿渣和尾矿为主要原料,氢氧化钠为激发剂,工业液体硅酸钠作结构模板剂,制备了无机矿物聚合物材料,分别对不同制备条件的地质聚合物的7 d抗压强度进行测试。结果表明,尾矿质量为矿渣质量的80%时所得到的产品的抗压强度最大,为45.10 MPa。Na2SiO3与NaOH的质量比为50%∶50%时所得到的产品的抗压强度最大,为63.79 MPa。固液比为0.35时所得到的产品的抗压强度最大,达38.35 MPa。养护期为14 d时所得到的产品的抗压强度最大,达71.25 MPa。加入钢渣量为固体总量20%时抗压强度最大,为61.86 MPa。     

磷石膏—磷渣基复合胶凝材料强度和水化特性研究

为实现磷石膏、磷渣固废材料的再生利用,提高工业固废的利用率,以磷石膏、磷渣作为主要原料,采用水玻璃、水泥熟料和磷石膏共同激发磷渣活性制备磷石膏—磷渣基复合胶凝材料。 分别探讨磷石膏掺量、水玻璃掺量和磷渣粉磨制度对磷石膏—磷渣基复合胶凝材料强度的影响;并运用 SEM、XRD 分析磷石膏—磷渣基胶凝材料硬化体的微观结构及组成形貌。结果表明:磷石膏掺量低于 50%时,复合胶凝材料各龄期强度与磷石膏掺量成反比;当 m(磷石膏) ∶ m(磷渣) ∶m(熟料)= 20 ∶72 ∶8,水玻璃掺量为 1. 5%时,胶凝材料 28 d 抗压、抗折强度均达到最大值,分别为 43、6. 3 MPa; 较单独粉磨磷渣与水泥熟料而言,混合粉磨制度会产生“微介质效应”,有利于提高复合胶凝材料强度;复合胶凝材料主要水化产物为 C—S—H 凝胶与钙矾石,钙矾石与未溶解的磷石膏作为骨架被生成的 C—S—H 凝胶包裹、充填、交织在一起,形成致密结构;复合胶凝材料用于替代水泥作为矿区充填材料时推荐磷石膏掺量为 20% ~ 40%。     

碱矿渣水泥及其对铅锌尾砂的固化效果

通过水泥净浆强度试验和水泥-尾砂浆体流动性及其固化体的强度试验,确定了适宜于尾砂固化的碱矿渣水泥的较好的配合比,和尾砂固化中碱矿渣水泥的适宜掺量。采用低模数水玻璃,按14%与矿渣粉配合得到的碱矿渣水泥,可以获得较好的净浆硬化体抗压强度,最高可达3 d 69.6 MPa,7 d 84.0 MPa,28 d 91.8 MPa。在水泥-尾砂浆体固含量相同的情况下,碱矿渣水泥-尾砂浆体的流动性明显优于硅酸盐水泥-尾砂浆体的流动性,碱矿渣水泥-尾砂固化体强度高于硅酸盐水泥-尾砂固化体强度,尤其是后期强度更加明显。而在控制尾砂浆体流动度相同的情况下,前者固含量可以高于后者2%。SEM对水泥-尾砂固化体内部微观结构的观察表明,碱矿渣水泥-尾砂固化体内部结构显示出明显的胶结特征。固化体内部孔结构的MIP测定结果也表明,碱矿渣水泥用量增加时固化体总孔隙率减小,孔隙中大孔比例减少,小孔比例增加。综合水泥-尾砂浆体流动性和固化体强度两方面的试验结果,可以认为碱矿渣水泥比普通硅酸盐水泥更适合于用作尾砂胶结材料。     

硅钙渣复合地聚物水化机理研究

为实现硅钙渣、粉煤灰及矿渣三种固废的协同利用,本文通过开展不同粉煤灰、矿渣比(灰渣比)下的硅钙渣复合地聚物制备实验,对硅钙渣复合地聚物的水化机理进行了研究。结果表明,硅钙渣复合地聚物是由β-硅酸二钙自身水化和碱激发水化共同形成的一种以C—S—H和C(N)—A—S—H为主的二元复合胶凝材料;相较于晶相矿物,玻璃相矿物更易发生碱激发水化反应,导致灰渣比在0.5以上时7 d水化物中残存大量未反应的莫来石,但随养护时间的延长莫来石会继续进行水化,并在28 d时生成蠕虫状四方钠沸石和条状贝德石。同时在灰渣比为1.0时,硅钙渣地聚物微观形貌最均匀致密,28 d抗压强度最高,达到37.9 MPa,说明此时能够发挥出粉煤灰、矿渣、硅钙渣之间最佳的协同效应。     

还原钢渣用于水泥混合材的试验研究

未经急冷处理的转炉钢渣直接作为水泥掺合料使用，其强度偏低，采用熔分还原技术，钢渣中的全铁还原度达到了86％，提高了其易磨性，同时降低了f—CaO含量，并按20％的掺入量后符合各项技术要求。