含硫尾砂对不同胶结体系力学性能的影响

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尾矿的资源化利用是矿山绿色发展的关键方向之一。尾砂作为一种固体废弃物,堆积在露天环境下将会消耗大量的占地资源,且尾砂里的一些重金属也会污染环境,对人民的生产生活造成各种各样的危害。而金属矿山常伴随有硫化物,使用普通硅酸盐水泥来胶结含硫尾砂会产生不兼容,在水泥基体系中,过量的硫酸盐与水化产物反应形成大量钙矾石,会对普通水泥水化造成显著影响,极大限制了对废弃尾矿的消纳能力。本文以含硫尾砂作为研究对象,通过采用低熟料水泥以及碱矿渣胶凝材料这两种胶结体系,以消除含硫尾砂的不兼容性,并对含硫尾砂的两种胶凝体系力学性能进行研究,通过微观分析阐明硫转化机理。研究结果表明:(1)当M32.5水泥掺量一定,水泥砂浆的强度随含硫尾砂掺量的增加先升高后降低:当含硫尾砂掺量小于20%时,强度随着含硫尾砂掺量的增加而增加;当含硫尾砂掺量大于等于20%时,砂浆抗压强度随着含硫尾砂掺量的增加而减小,并最终小于原始对照组(未加含硫尾砂的组别),即存在含硫尾砂掺量最优组,当含硫尾砂替代河砂的比率为10%时,砂浆抗压强度最大,在28d时较对照组提高了13.15%。当含硫尾砂掺量较大时,其砂浆的流动性会呈线性降低,工作性能变差,然而在含硫尾砂掺量不大于20%时,砂浆流动度虽有所降低,但能够基本满足工程要求。(2)掺含硫尾砂的M32.5水泥砂浆抗压强度随养护温度的升高先增大后减小。养护温度适当提高可以有效加速水化反应进程,生成适量的水化产物如钙钒石,对改善砂浆微结构、密实性以及提高砂浆抗压强度具有积极影响。而当水浴养护温度超过60℃时,钙钒石会发生分解,观察砂浆微观结构可以发现,温度过高会破坏其微结构的完整性,导致强度最终降低幅度较大;在较高养护温度下,砂浆的早期强度发展主要取决于水化反应的速度,后期强度变化主要受水化产物和孔径分布的影响。综合考虑,河砂最优含硫尾砂置换率为10%且最优养护温度为40℃。(3)随着硫含量的增加,碱激发矿渣砂浆会出现缓凝现象,缓凝时间逐渐延迟;碱激发矿渣砂浆的抗压强度整体随着硫含量的增加而呈先升后降的趋势,最佳硫含量的范围为15-20%,当硫含量为15%时,28d时抗压强度提高幅度甚至大于100%,这是由于含硫尾砂中硫氧化释放的硫酸盐离子辅助激发碱矿渣产生C-(A)-S-H凝胶等水化产物,填补砂浆颗粒之间的空隙,优化孔隙结构,从而改善材料的物理力学性能,因此,采用碱矿渣胶凝材料对含硫尾砂进行胶结是可行的。图[41]表[11]参[77]
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