优化电解锰渣充填体性能研究

徐 胜，周 旻，陈南雄，黄福才，陈林艺，万 沙，侯浩波

(1. 武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072； 2. 湖北省环境修复材料工程技术研究中心， 湖北 武汉 430072； 3. 中信大锰矿业有限责任公司，广西 南宁 530029)

优化电解锰渣充填体性能研究

徐 胜1,2，周 旻1,2，陈南雄3，黄福才1,2，陈林艺1,2，万 沙1,2，侯浩波1,2

(1. 武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072； 2. 湖北省环境修复材料工程技术研究中心， 湖北 武汉 430072； 3. 中信大锰矿业有限责任公司，广西 南宁 530029)

以硅铝基胶凝材料对广西某电解锰公司的电解锰渣设计了浆体质量浓度、废石掺量、废石粒径分布以及养护龄期4个因素3个水平的正交试验。试验结果表明：当浆体质量浓度为70%、废石掺量为10%，废石粒径5～10 mm，养护龄期28天是固结体试件强度最好，可达2.00 Mpa，符合固结充填强度要求。但最优强度组合，电解锰渣浆体呈半固态性状，没有流动性能，不符合充填要求，为此控制浆体质量浓度为变量，其它因素为最优组合条件下的参数为定量，设计了单因素试验，结果表明：当浆体质量浓度为67%，其塌落度为193 mm，流动度219 mm，扩展度380 mm，能实现浆体充填，其28天抗压强度为1.7 MPa，符合矿山充填要求。

电解锰渣；正交试验；流动性能

0 前 言

湿法电解锰是生产金属锰的主要方法，而生产1 t电解金属锰，约产生6～7 t电解锰渣，我国每年约电解锰产能约100万t左右[1]，意味着每年电解锰渣将产生6～7倍的电解锰渣。现今电解锰渣主要采用自然堆存处理，不仅占用土地资源，长久的堆存使电解锰渣危害成分随堆放场地环境气候，进入周边水体、土壤，污染环境，对人类生存产生巨大威胁，急需处理与利用。

随着锰矿石的不断开采，露天开采已经不能满足电解锰生产需求，转而发展地下开采，形成地下采矿空区，采矿空区不及时处理会引发各种矿山安全事故，并影响锰矿石的继续开采。锰矿石的开采过程也会产生大量的掘进废石，破碎分选废石料，自然堆存于采矿区周边，在雨季等不确定气候影响下可能引法泥石流等矿山安全事故。

因此对电解锰渣及生产过程中产生的废石的处理迫在眉睫，而将电解锰渣和废石充填采矿空区，也符合绿色矿山生产和工业生态学的环保理念，同时为回采锰矿石创造了良好的安全保障，并减少电解锰渣堆存占用土地和处理的经济成本，为电解锰生产带来更多的经济效益[2-4]。

本文利用硅铝基胶凝材料掺1%萘系高效减水剂研究了不同灰渣比、浆体质量浓度、掺废石量以及不同龄期对电解锰渣固结体的力学性能的影响，设计了四因素三水平的正交试验，确定了在满足浆体流动性能下和电解锰渣固结体性能的要求的最优配比。

1 试验材料与方法

1.1实验材料

1.1.1 电解锰渣

电解锰渣来自于广西省某电解锰公司。电解锰渣的基本物理指标、化学成分、粒径分布如表1、表2、图1所示。

表1 电解锰渣的基本物理指标

1.1.2 硅铝基胶凝材料

硅铝基胶凝材料主要由水淬矿渣、熟料、充填母料、碱性激发剂组成。实验中采用的水淬矿渣来自武钢水淬急冷粒化高炉矿渣，经球磨40 min得到的

表2 电解锰渣的化学成分(质量分数)/%

图1 电解锰渣的粒径分布

白色粉末状固体，其中主要矿物为富钙(镁)铝硅玻璃体，其含量>90%，矿粉比表面积为362.2 m2/kg，试验中采用的水泥熟料选自黄石华新水泥厂，其比表面积为343.7 m2/kg，NS固结剂主要成分化学组成如表3所示。

表3 硅铝基胶凝材料主要成分化学组成(质量分数)/%

1.1.3 废石

试验中采用的废石是锰矿石破碎分选过程中废石，采用标准《废石颗粒级配》GB/T14685-2011筛分，废石较细，其中小于9.5 mm的废石占96.99%，小于4.75 mm的废石占52.05%，小于2.36 mm的废石占15.05%。

1.1.4 萘系高效减水剂

实验中采用的萘系高效减水剂为市售β-基萘磺酸盐甲醛缩合物。

1.2试验方法

1.2.1 尾矿固结体正交试验设计

试验中采用硅铝基胶凝材料作为胶结剂，灰渣比为1∶7，外掺1%萘系高效减水剂，研究了浆体质量浓度、废石掺量、废石粒径分布与养护龄期对电解锰渣固结体强度的影响。正交试验因素与水平确定[5]，见表4。

表4 正交试验设计

按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB /T 17671-1999，将各实验材料混合后加入搅拌，搅拌结束后将浆体注入尺寸为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的试模，脱模后进行温度20±1℃、湿度为98%以上的标准养护箱中养护。最后测定7，14，28 d龄期固结体无侧限抗压强度。

1.2.2 流动性能试验设计

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080-2002规定的方法对拌合浆体好的塌落度、扩展度进行测试；《参照水泥浆体流动度测试方法(倒锥法)》T0508-2005规定的方法对拌合浆体进行流动度的测试。

2 实验结果与讨论

2.1正交设计结果及分析

根据因素、水平的设计，试验选用L9(34)正交表，试验方案及结果如表5所示。

表5 正交试验方案及结果

对试验结果的分析采用极差分析法，通过横向对比，以各试块的无侧限抗压强度比较选择最优方案。各因素的极差分别为0.497、0.040、0.177、1.093，因素D(龄期)的极差1.903最大。说因素D(龄期)是主要因素，它的3个水平所对应的无侧限抗压强度平均值分别为0.487、1.283、1.580，以第3水平(浆体质量浓度为70%)所对应的数值最高，所以龄期越长，固化体强度越高，这是由于试件在养护过程中没有完全泌水的原因。第1列，因素A(浆体质量浓度)的极差0.497，显著小于D，它的3个水平所对应的指标平均值为0.910、1.033、1.407，以第3水平(浆体质量浓度为70%)所对应的数值1.407数值最大，显然浆体质量浓度越高，固结体强度越高，但是考虑到实际工程应用实现自流充填，控制浆体质量浓度。因素B(废石掺量)和因素C(废石粒径分布)的极差分别为0.040和0.177，明显小于因素A和因素D，它们的3个水平分别为1.103、1.143、1.103和1.220、1.043、1.087，发现这两个因素水平改变对固结体强度的影响较小。

从以上分析得出结论：各因素对固结体的试验指标(无侧限抗压强度)的影响为：D(龄期)>A(浆体质量浓度)>C(废石掺量)>B(废石粒径分布)；最优方案为A3B2C1D3，即浆体质量浓度70%，废石掺量10%，废石粒径5～10mm，在养护28 d时可得到最优的无侧限抗压强度。

2.2各指标变化趋势分析

各试验指标的变化趋势可通过因素趋势图来刻画。每个因素以均值为纵坐标，以因素水平为横坐标，分析结果如图2所示。

图2 各因素的水平对强度指标的影响

2.2.1 浆体质量浓度对强度的影响

用水量可不同程度的改善充填料具输送性能，用水量也可改变浆体质量浓度，使固结体获得最大力学强度，固结体强度随着浆体质量浓度从65%～70%的增加而增加，当浆体质量浓度从67%增加到70%比从65%增加到67%固结体强度增加幅度更为明显，说明当浆体质量浓度不断增加时，可以获得更好的固化效果，而浆体质量浓度继续增加时，浆体基本呈固态性状，无法满足膏体自流充填要求。

2.2.2 龄期对强度的影响

固结体随着龄期的增长，强度保持持续增长，固结体龄期从7～14 d比14～28 d的强度增加幅度更大，固结体早期水化速率更快，但随着水化程度增高，固结体力学性能也会越好。

2.2.3 废石掺量和废石粒径分布对强度的影响[6]

充填骨料掺量和颗粒级配是影响固结体强度的重要因素，合理的骨料级配可减小充填体的空隙率和较大的紧密堆积密度，获得更好的强度，废石掺量从10%增加到15%时，固结体强度减小，废石掺量从15%增加到20%时固结体强度增加，当废石掺量为10%，固结体强度最高，而3种废石粒径分布的废石的均值都在1.1左右，对固结体强度影响不大。

2.3流动性能

电解锰渣胶结浆体质量浓度越高，固结体的强度越高，但是胶结体质量浓度，胶结浆体流动性越差，不利于浆体的输送。为此根据上述正交实验最优结果，选择掺废石10%，废石粒径5～10 mm，灰渣比1:7，研究浆体质量浓度从65%、67%、70%的塌落度、扩展度及流动度实验结果如图3所示。

图3 不同浆体质量浓度塌落度、扩展度、流动度

由图3可以看出：塌落度、扩展度及流动度都随浆体质量浓度的增加，而塌落度、扩展度、流动度都呈下降趋势，可实现浆体的自流充填，根据图3，浆体质量浓度65%、67%可符合要求，浆体质量浓度为70%，流动性较差，不能作为浆体充填流动度要求；而浆体质量浓度65%，其塌落度为260 mm、扩展度452 mm、流动度263 mm，流动性能最好，但浓度过低，在管道输送过程中、不能形成柱塞流，易离析、分层，并在矿山充填区泌水量过多，易引起地下水污染；因此当浆体质量浓度为67%，扩展度为380 mm、流动度219 mm、塌落度为193 mm，既能实现浆体自流充填，在输送和矿山充填区浆体也不会发生离析、分层的稳定形态，且其28 d抗压强度为1.7 MPa，符合矿山充填要求[7-10]。

3 结 论

1)通过对电解锰渣的4因素3水平的正交实验，各因素对固结体的试验指标(无侧限抗压强度)的影响为：D(龄期)>A(浆体质量浓度)>C(废石掺量)>B(废石粒径分布)；最优方案为A3B2C1D3，即浆体质量浓度70%，废石掺量10%，废石粒径5～10 mm，在养护28 d时可得到最优的无侧限抗压强度。

2)但最优组合浆体质量浓度为70%，浆体呈半固态性状，没有流动性能，为此只控制浆体质量浓度为变量，其它因素为最优组合条件下的参数为定量，设计了单因素，结果表明：当浆体质量浓度为67%，其塌落度为193 mm，流动度219 mm、扩展度380 mm，能实现浆体自流充填，在输送和矿山充填区浆体也不会发生离析、分层的稳定形态，且其28 d抗压强度为1.7 MPa，符合矿山充填要求。

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APerformanceStudytoOptimizetheFillingBodyofEMMResidue

XU Sheng1,2, ZHOU Min1,2, CHEN Nanxiong3, HUANG Fucai1,2, CHEN Linyi1,2, WAN Sha1,2, HOU Haobo1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China; 2.EnvironmentalRestorationMaterialsEngineeringTechnologyResearchCenterofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430072,China; 3.CITICDamengMiningIndustriesLimited,Nanning,Guangxi530029,China)

To explore the silicon aluminum gelled material solid in EMM residue from an electrolytic company in Guangxi province, we have made an orthogonal experiment of "Four Factors in Three Levels", by using the slurry concentration, the gravel dosage and the gravel size distribution and the curing age. The results indicate that, when slurry concentration is 70%, the gravel dosage will be at 10% and the gravel size will be from 5 to 10 mm. There is 28 d curing age, including the concretion body's unconfined compressive strength to 2.00 MPa, conforming to the requirements of the strength of consolidated filling. However, the electrolytic manganese slag slurry was semi-solid traits with no flow property at the optimal combination of strength in the optimal strength combination. It is not satisfied to have the packing requirements. Then, the single factor experiment was designed in the quality of slurry concentration as variable and other optional factors conditions as ration. The results show that when slurry concentration is 67%, there is 193 mm slump with 380 mm fluidity and 219 mm extension. It is comforting that the slurry filling with 28 days of compressive strength to 1.7 MPa is suitable for the requirements of the mine filling.

Electrolytic manganese residue; Orthogonal experiment; Flowing property

2017-07-07

国家科技支撑计划课题(2015AB01B03)。

徐胜(1990-)，男，安徽合肥人，在读硕士研究生，研究方向：固体废物处理与资源化，手机：13026138801；通讯作者：周旻(1978-)，男，湖北武汉人，博士，副教授，研究方向：环境修复材料，E-mail：zhoumin@whu.edu.cn.

X781.1

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.038