不同种类石膏对铁矿全尾砂充填材料强度的影响

不同种类石膏对铁矿全尾砂充填材料强度的影响
摘要：以高泥质细粒铁矿全尾砂为骨料，对比了脱硫石膏与天然石膏对充填材
料强度的影响，探索Na2SO4对石膏基充填材料强度促进作用。

结果表明，脱硫
石膏可以替代天然石膏用作充填材料，石膏掺量为18%，材料的3d、7d和28d
抗压强度最大，掺天然石膏比掺脱硫石膏的强度分别提高了-11.84%、2.24%和
7.50%；Na2SO4的最佳掺量为0.3%，掺18%天然石膏的28d强度为4.10MPa，掺18%脱硫石膏的28d强度为4.19MPa。

关键词：天然石膏；脱硫石膏；抗压强度；Na2SO4
目前，矿山充填胶凝材料主要以水泥基材料为主，该类材料中水泥一般占比70%～80%，价格相对较高；且对于细粒尾矿全尾矿，水泥基胶凝材料的固化效
果差，需进一步降低水胶比，水胶比的降低会增加充填工艺的难度。

以钙矾石为
主要水化产物的胶凝材料，其胶砂比低，充填体材料浓度低，流动性好，对高泥
质细粒尾矿具有很好的适应性[1-4]。

目前，钙矾石基充填材料主要是以粒化高炉矿渣、高钙粉煤灰、钢渣和石膏
为主要成分[5-7]。

我国每年有上千万吨副产石膏得不到利用，而造成资源的浪费
与土地的污染[8]。

目前关于改性磷石膏用作矿山充填材料已有人研究[9-10]，但
关于以铁矿全尾砂作骨料，脱硫石膏做充填材料相关研究尚未有人报道。

本文以高泥质细粒铁矿全尾砂为骨料，对比了脱硫石膏与天然石膏对充填材
料强度的影响，探索Na2SO4对石膏基充填材料强度促进作用，为脱硫石膏在矿
山充填材料的应用提供一定的参考数据。

1 实验
1.1 试验原材料
天然石膏：主要矿物CaSO4·2H2O，比表面积375m2/kg；
脱硫石膏：含水量25.10%，pH为9，主要矿物为CaSO4·2H2O；
粒化高炉矿渣：S95级，密度3.0g/cm2，比表面积402m2/kg；
氧化钙：比表面积390m2/kg，以上化学成分见表1。

硫酸钠：分析纯。

全尾矿：某矿山的铁矿全尾砂，尾矿浓度72.23%；其粒径分布-0.038mm含
量51.65%，0.038mm-0.074mm含量为23.12%，+0.074mm含量为25.23%，含泥
量15.21%，化学成分见表1。

表1 原料的化学组成/%
1.2 试验方法
脱硫石膏的干燥与球磨：将脱硫石膏置于50+5℃的烘干箱中，烘干至恒重；
再在球磨机中粉磨至比表面积380m2/kg。

试模浇制：成型采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的钢制模具，灰砂比1：8，
充填材料总浓度55.00%，胶凝材料中氧化钙占量20%，矿粉：天然石膏（或石膏）=分别为80：10、76：14、72：18、68：22和64：26。

硫酸钠占胶凝材料的掺量分别0wt%、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%和0.4wt%。

试件成型后标准养护24±2 h后
脱模，到规定龄期测其强度。

充填体强度测定：强度测定参照JGJ70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》。

2.实验结果与讨论
图1是天然石膏和脱硫石膏对充填材料强度的影响。

由图1可知：随着养护
时间的延长，材料的强度随之增加。

石膏的掺量由10%增加至18%时，材料的强
度随着石膏掺量的增加而增大，掺天然石膏的其3d、7d和28d强度分别增加了68.89%、59.52%和133.77%，掺脱硫石膏的其3d、7d和28d强度分别增加了
64.41%、61.17%和131.74%；石膏的掺量由18%增加至26%时，材料的强度随着
石膏掺量的增加而降低，掺天然石膏的其3d、7d和28d强度分别降低了43.42%、41.80%和53.62%，掺脱硫石膏的其3d、7d和28d强度分别降低了32.83%、40.88%和54.52%。

石膏的掺量相同时，掺脱硫石膏的材料其3d强度低于掺天然石膏的3d强度，7d和28d强度要大于掺天然石膏的强度。

当天然石膏或脱硫石膏的掺量为18%时，材料的3d、7d和28d强度最大，掺天然石膏分别为0.76MPa、1.34MPa和
3.60MPa，掺脱硫石膏的分别为0.67MPa、1.37MPa和3.87MPa，比掺天然石膏的
分别提高了-11.84%、2.24%和7.50%。

（a）（b）
图1是石膏掺量对充填材料强度的影响
图2 是石膏掺量为18%时，Na2SO4掺量对充填材料强度的影响。

由图2可知，随着养护龄期的延长，充填体材料强度随之增大。

当Na2SO4掺量从0.1%增加至0.3%时，材料的强度随之增加，掺天然石膏的材料其3d、7d和28d分别增加了13.16%、35.82%和13.89%，掺脱硫石膏的材料其3d、7d和28d分别增加了
26.87%、36.77%和8.27%；当Na2SO4掺量从增0.3%增加至0.4%时，材料的强度
随之降低，掺天然石膏的材料其3d、7d和28d分别降低了2.33%、3.30%和
4.15%，掺脱硫石膏的材料其3d、7d和28d分别降低了2.35%、4.30%和
5.01%。

Na2SO4的掺量相同时，掺脱硫石膏的材料其3d强度低于掺天然石膏的3d强度，7d和28d强度要大于掺天然石膏的强度。

当Na2SO4的掺量为0.3%时，材料的3d、7d和28d强度最大，掺天然石膏分别为0.86MPa、1.82MPa和4.10MPa，
掺脱硫石膏的分别为0.85MPa、1.86MPa和4.19MPa，比掺天然石膏的分别提高
了-1.16%、2.20%和2.20%。

（a）天然石膏的掺量为18% （b）脱硫石膏的掺量为18%
图2 Na2SO4掺量对充填材料强度的影响
3.结论
（1）脱硫石膏可以替代天然石膏用作充填材料，石膏掺量为18%，材料的
3d、7d和28d抗压强度最大，掺天然石膏分别为0.76MPa、1.34MPa和3.60MPa，掺脱硫石膏的分别为0.67MPa、1.37MPa和3.87MPa，比掺天然石膏的分别提高
了-11.84%、2.24%和7.50%。

（2）Na2SO4可以提高石膏基充填材料的抗压强度，Na2SO4的最佳掺量为
0.3%，掺18%天然石膏的材料28d强度可提高13.89%，掺18%脱硫石膏的材料
28d强度可提高8.27%。

（3）以上比例是根据我们实验所针对的尾矿性质所得出的结论，当尾矿的粒
径分布、成分发生变化时，相应的比例应以实际实验结果为准。

4.参考文献：
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（2）祝丽萍，倪文，张旭芳等.赤泥-矿渣-水泥基全尾砂胶结充填料的性能与
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