胶凝材料复合早强剂开发及混合料浆配比优化.pdf

26第 32 卷第 3 期2023 年 6 月中 国 建 材 科 技China Building Materials Science&TechnologyVol.32No.3Jun.,2023DOI:10.12164/j.issn.1003-8965.2023.03.007胶凝材料复合早强剂开发及混合料浆配比优化Development of composite early strength agent for cementitious materials and optimization of mixed slurry ratio韦寒波1，韦靖楠2，向振宇1，高谦3（1.北京市建筑节能与建筑材料管理事务中心，北京 101160；2.北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京 102616；3.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083）WEI Hanbo1,WEI Jingnan2,XIANG Zhenyu1,GAO Qian3(1.Beijing Building Energy Saving and Building Materials Management Center,Beijing 101160;2.School of Environment and Energy Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102616;3.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083)摘要：利用矿山周边矿渣、磷石膏、废石等固废开发早强胶凝材料用于矿山充填，可降低采矿成本，且实现固废资源化利用。首先基于试验材料物化分析，对胶凝材料复合早强剂进行开发；然后通过正交试验对多固废混合充填料浆进行试配，利用遗传规划获得最优配比。结果表明，复合早强剂可有效提高充填体早期强度，最优配比为芒硝1%2%、NaOH 1%1.5%、NaCl 1.5%；充填料浆最优配比为废砂比1:9、胶砂比1:5，料浆浓度80%；此时3d强度为2.04MPa，7d强度为4.19MPa，坍落度为28.6cm，分层度为0.75cm，强度和管输特性满足要求且成本最低。关键词：胶凝材料；早强剂；配比优化；遗传规划Abstract:Using slag,phosphogypsum,waste rock and other solid wastes around the mine,early strength cementitious materials are developed for mine filling,which can reduce the mining cost and realize the resource utilization of solid wastes.Firstly,based on the physical and chemical analysis of test materials,the composite early strength agent for cementitious materials is developed.Then,the orthogonal test is used to test the mixture of solid waste and filling slurry,and the optimal ratio is obtained by genetic programming.The results show that the composite early strength agent can effectively improve the early strength of filling body,with the optimal ratio of mirabilite 1%2%,NaOH 1%1.5%and NaCl 1.5%.The optimal ratio of filling slurry is waste rock and rod-mill sand ratio 1:9,rubber sand ratio 1:5,slurry concentration 80%.At this time,the 3-day strength is 2.04MPa,the 7-day strength is 4.19MPa,the slump is 28.6cm,and the layering degree is 0.75cm.The strength and pipeline transportation characteristics meet the requirements and the cost is the lowest.Key words:cementitious material;early strength agent;ratio optimization;genetic programming中图分类号：X751;TQ177文献标志码：A文章编号：1003-8965（2023）03-0026-040 引言工业固废用于矿山充填可有效降低成本，有显著经济效益和环境效益1-2。充填采矿以其安全、环保的特点被矿山采用3-4。传统充填采矿工艺复杂，成本较高，尤其是胶凝材料成本，约占充填成本的75%5-6。因此，开发低成本胶凝材料替代水泥是降低充填成本、实现矿山高效开采的必由之路7。近年来，利用高炉水淬渣8-9、粉煤灰10-11、铜渣12等固废开发新型胶凝材料的研究日趋成熟，并在矿山得以应用。磷石膏是磷酸生产过程中的工业废渣，据统计，中国每年产生磷石膏上千万吨，并以每年10%的速度增加13-14。金昌金川矿区周边的化工企业露天堆放磷石膏达7000多万吨，每年新增400万吨，不仅占用大量土地，且污染环境15，开发利用磷石膏等废弃物资源有重要的经济和环保意义。杨志强等16-17对金昌磷石膏化学成分和粒径进行分析，发现其不能用于水泥材料生产，后对其用于矿山充填开展试验研究。大量研究表明，磷石膏与矿渣混合胶凝材料用于矿山充填，后期强度普遍高于常用水泥，可保障采矿安全，且有效降低成本18-19，但由于磷石膏成分复杂，易出现早期强度不满足要求的情况20。本文在前期研究基础上，针对酒钢矿渣-磷石膏胶凝材料早期强度低的问题，开发适应的复合早强剂，并开展混合充填料浆胶结充填体强度和工作特性试验，基于遗传规划得到满足矿山充填要求的最优配比，实现多固废资源化综合利用。1 试验材料物化分析基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0602903）第一作者：韦寒波(1982-)，博士，高级工程师，主要从事绿色建材研发与推广。27水泥与混凝土胶凝材料复合早强剂开发及混合料浆配比优化试验以矿渣、磷石膏、废石和棒磨砂为主要原料。矿渣取自熙金公司利用酒钢高炉矿渣生产的中细度矿渣微粉，细度（+45m筛余）为8%。磷石膏取自甘肃瓮福化工公司，密度为2.29g/cm3，比表面积为260m2/kg。粗骨料取自金川龙首矿经颚式破碎机破碎后的-12mm废石，比重为2.66g/cm3，容重为1.59g/cm3，孔隙率为40.1%，含泥量为15.1%，级配良好，但不均匀系数过大。细骨料为金川矿区周围戈壁卵砂石经“两段一闭路”破碎和棒磨工艺后加工成的-5mm棒磨砂，比重为2.67g/cm3，容重为1.59g/cm3，孔隙率为40.6%，含泥量为11%，级配良好，粗颗粒含量极少。采用插值法计算得到废石、棒磨砂粒径特征参数如表1所示，不同配比混合骨料的不均匀系数与曲率系数如图1所示。主要试验材料的化学成分如表2所示。磷石膏属酸性激发剂，且含有P2O5等杂质，不利于胶凝材料水化反应，需采用碱性激发剂进行中和处理才能对矿渣潜在活性产生有效激发，试验采用的碱性激发剂包括生石灰、NaOH。其余材料有矿粉助磨剂、工业芒硝、NaCl等。表1 骨料粒径特征参数Tab.1 Characteristic parameters of aggregate size骨料d10/mm d30/mm d50/mm d60/mm d90/mmCcCu废石0.140.882.964.268.761.7527.26棒磨砂0.100.370.580.882.721.328.32表2 试验材料矿物成分（wt.%）Tab.2 Mineral components of test materials(wt.%)物料SiO2CaOAl2O3MgOFe2O3SO3P2O5其他矿渣39.1837.2711.688.920.462.49磷石膏28.600.362.440.4849.071.4717.58废石36.313.863.3928.15028.29棒磨砂63.61.393.683.4427.892 早强胶凝材料配比试验2.1 试验方案根据材料特性和前期研究，设计A、B两组正交试验。A组不掺加早强剂，磷石膏水平为30%、33%、36%，生石灰水平为5.5%、6%、6.5%，芒硝水平为2.0%、2.5%、3.0%，NaOH水平为1.5%、2.0%、2.5%。B组掺加早强剂，复合早强剂配方由芒硝、NaOH、NaCl正交设计，芒硝水平为1.0%、2.0%、3.0%，NaOH水平为0.5%、1.0%、1.5%，NaCl水平为1.0%、1.5%、2.0%，磷石膏掺量为34%（含复合早强剂掺量），矿渣微粉掺量为60%，生石灰掺量为6%。试验采用废石粗骨料，胶砂比1:4，料浆质量浓度80%，按试验规程制备7.07cm7.07cm7.07cm标准试块，养护至3d和7d测试其强度。2.2 结果与分析试验方案及试验结果如表3、表4所示，对表4进行极差分析，结果如表5、表6所示。表3 不掺加早强剂胶结充填体强度正交试验结果Tab.3 Orthogonal test results of cementitious fi lling body strength without early strength agent编号 磷石膏/%生石灰/%NaOH/%芒硝/%抗压强度/MPa3d7dA1305.51.52.00.424.72A2335.52.02.50.795.84A3365.52.53.00.805.26A4306.02.03.00.546.23A5336.02.52.01.065.02A6366.01.52.50.921.46A7306.52.52.50.924.67A8336.51.53.00.614.15A9366.52.02.01.094.72均值336.02.02.50.814.67表4 掺加早强剂胶结充填体强度正交试验结果Tab.4 Orthogonal test results of cementitious fi lling body strength with early strength agent编号复合早强剂/%抗压强度/MPa芒硝NaOHNaCl3d7dB11.00.51.00.984.12B21.01.01.51.675.25B31.01.52.01.824.61B42.00.51.51.695.59B52.01.02.01.735.15B62.01.51.01.532.63B73.00.52.01.513.66B83.01.01.01.463.06B93.01.51.51.822.82均值2.01.01.51.584.10图1 混合骨料不均匀系数和曲率系数Fig.1 Nonuniformity coeffi cient and curvature coeffi cient of mixed aggregate28水泥与混凝土胶凝材料复合早强剂开发及混合料浆配比优化表5 掺加早强剂3d强度极差分析 Tab.5 Range analysis of 3-day strength with early strength agent芒硝NaOHNaCl收敛率Ij1.4901.3931.323IIj1.6501.6201.727IIIj1.5971.7231.687极差 Rj0.1600.3300.403相对权值12.12.5水平1.00.51.02.01.01.53.01.52.0最优配方2.01.51.5表6 掺加早强剂7d强度极差分析 Tab.6 Range analysis of 7-day strength with early strength agent芒硝NaOHNaCl收敛率Ij4.6604.4573.270IIj4.4574.4874.553IIIj3.1803.3534.473极差 Rj1.4801.1331.283相对权值1.311.1水平1.00.51.02.01.01.53.01.52.0最优配方111.5矿山充填要求胶结充填体3d强度1.5MPa、7d强度2.5MPa。由试验结果与极差分析可知，不掺加早强剂的9组正交试验充填体3d和7d强度平均值分别为0.81MPa和4.67MPa，3d强度不满足充填要求；掺加早强剂的9组正交试验充填体3d和7d强度平均值分别达到1.58MPa和4.10MPa，满足充填要求。复合早强剂中的NaCl对充填体3d强度起主导作用，其次是NaOH；芒硝对充填体7d强度起重要作用。复合早强剂最优配比为芒硝1%2%、NaOH 1%1.5%、NaCl 1.5%。3 多固废混合充填料浆配比优化利用矿渣、磷石膏开发早强胶凝材料，并以废石、棒磨砂作为骨料开展充填技术研究，目的在于降低采矿成本，并实现固废利用。多固废协同作用下胶凝材料和充填料浆配比的选择，不仅取决于胶结充填体强度，还要考虑充填料浆管输特性及充填成本。为此，针对矿渣-磷石膏早强充填胶凝材料开展充填料浆配比试验和优化设计，以降低成本。3.1 试验方案采用废石-棒磨砂二元混合骨料，胶凝材料采用矿渣-磷石膏早强胶凝材料（矿渣微粉60%、磷石膏30%、生石灰6%、复合早强剂4%），废石与棒磨砂配比（废砂比）为3:7、2:8、1:9，胶砂比为1:4、1:5、1:6，料浆质量浓度为78%、80%、82%。3.2 结果及分析根据上述试验方案和正交设计，分别测定各组充填体3d和7d强度、充填料浆坍落度和分层度。试验方案及结果如表7所示。表7 混合充填料浆配比试验结果 Tab.7 Test results of mixed filling slurry ratio废砂比胶砂比质量浓度/%抗压强度/MPa坍落度/cm分层度/cm3d7d3:71:4782.253.8028.01.40802.654.7828.11.15823.606.8127.40.501:5781.182.2728.11.95801.432.9427.90.90822.194.7227.40.551:6780.551.7828.81.60801.001.9127.90.70821.382.1627.70.502:81:4781.474.0928.01.05801.565.6427.80.60822.096.4727.00.251:5780.813.2228.31.00800.993.9327.50.90821.855.0027.20.451:6780.502.0528.61.55800.752.2728.00.75821.143.4727.70.251:91:4782.144.3128.80.90802.794.4728.50.25823.005.2128.40.251:5781.403.2228.81.15802.044.1928.60.75822.624.4928.40.251:6781.382.5128.90.85801.493.2028.80.80821.904.2328.80.55按照矿山充填系统自流输送工艺设计，充填料浆工作特性参数的基本要求为坍落度28cm、分层度1.0cm。由试验结果可知，充填体强度和料浆工作特性参数基本满足矿山充填采矿要求；充填体3d和7d强度均随料浆浓度的增大而增大，随胶砂比的增大而增大；坍落度随料浆浓度的增大而减小，随胶砂比的增大而减小，但影响不明显；分层度随废砂比、胶砂比、料浆浓度的变化规律不一致，与废砂比正相关，与胶砂比及料浆浓度负相关，其中料浆浓度对分层度影响显著。3.3 遗传规划多目标优化配比基于上述胶结充填体强度和充填料浆管输特性试验结果，采用遗传规划分别建立3d强度（R3d）、7d强度（R7d）、坍落度（T）、分层度（F）与废砂比（x1）、胶砂比（x2）和质量浓度（x3）三个变量的遗传关系模型。遗传规划的群体规模为250，交换概率为0.7，最大允许代次为150，最大深度为6。29水泥与混凝土胶凝材料复合早强剂开发及混合料浆配比优化为实现最大经济效益，以充填材料成本（Z，元/m3）达到最小为优化目标，以充填体3d强度R3d1.5MPa、7d强度R7d2.5MPa、料浆坍落度T28cm和分层度F1cm作为约束条件，建立充填料浆配比优化模型。求解该模型，可获得满足矿山充填要求的最优废砂比、胶砂比和料浆质量浓度。-12mm废石的成本为19元/m，-5mm棒磨砂的成本为47元/m，矿渣-磷石膏早强胶凝材料的成本为170元/吨，每立方米充填料浆中废石的质量为x4，棒磨砂的质量为x5，胶凝材料的含量为x6，建立配比优化模型及边界约束条件：45619471702.662.67xxMinZx=+（1）371.52.5.281ddRRStTF式中：10.1,0.45x,20.1,0.25x,30.7,0.9x,16421(1)x xxxx=+,6521(1)xxxx=+,623211111/(1)(1)2.662.7xxxx=+。求解该模型可得(x1,x2,x3)=(0.11,0.2,0.8)，即充填料浆最优配比为废砂比1:9、胶砂比1:5，料浆质量浓度80%。此时充填体3d强度为2.04MPa，7d强度为4.19MPa，充填料浆坍落度为28.6cm，分层度为0.75cm，充填体强度和充填料浆流动性、稳定性均满足设计要求。4 结论1）不掺加早强剂的矿渣-磷石膏胶凝材料胶结充填体3d强度不满足要求，7d强度满足要求；掺加早强剂的胶结充填体3d和7d平均强度均满足要求。复合早强剂中的NaCl对充填体3d强度有主导作用，芒硝对充填体7d强度起重要作用。复合早强剂最优配方为芒硝1%2%、NaOH 1%1.5%、NaCl 1.5%。2）基于正交试验设计方案，开展27组不同配比的混合料浆充填体强度和工作特性试验。由结果可知，充填体3d和7d强度均随质量浓度和胶砂比的增大而增大；坍落度随质量浓度和胶砂比的增大而减小，但影响不明显；分层度变化规律与废砂比正相关，与胶砂比及质量浓度负相关，其中料浆质量浓度对分层度影响显著。3）为实现最大经济效益，针对早强胶凝材料混合充填料浆和矿山充填系统，采用遗传规划进行充填料浆配比优化。确定充填料浆最优配比为废砂比1:9、胶砂比1:5，料浆质量浓度80%，此时胶结充填体强度和充填料浆流动性、稳定性均满足充填要求且成本最低。参考文献1王贤来,姚维信,王虎,等.矿山废石全尾砂充填研究现状与发展趋势J.中国矿业,2011,20(09):76-79.2BEN-AWUAH E,RICHTER O,ELKINGTON T,et al.Strategic mining options optimization:Open pit mining,underground mining or bothJ.International Journal of Mining Science and Technology,2016,26(6):1065-1071.3李夕兵,周健,王少锋,等.深部固体资源开采评述与探索J.中国有色金属学报,2017,27(6):1236-1262.4FALL M,BENZAAZOUA M,SAA E G.Mix proportioning of underground cemented tailings backfill J.Tunnelling&Underground Space Technology,2008,23(1):80-90.5DJURDJEVAC L,IGNJATOVIC D,LJUBOJEV M,et al.Change the uniaxial compressive strength of paste backfill depending on change the parameters J.Mining&Metallurgy Engineering Bor,2016(1):17-24.6高 谦,杨 晓 炳,温 震 江,等.基 于RSM-BBD的 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