2020年度

混凝土科学技术奖•技术革新类

获奖项目展示

主要完成单位：安徽马钢嘉华新型建材有限公司、安徽工业大学

主要完成人：赵鲁卿、王宗森、于峰、郭卫东、陈忠华

项目概况

铁尾矿是选矿后的废弃物，其堆存不仅占用大量土地，同时在暴雨极端天气下极易引发泥石流，诱发崩塌，污染地下水源。因此，如何合理利用铁尾矿，是我们急需解决的问题。铁尾矿砂作为铁尾矿废弃物的主要成分，其物理形态和力学性能与天然砂接近，可替代天然砂作为细骨料在砂浆和混凝土中使用，已经取得了不错的效果。铁尾矿砂除了可以用作细骨料外，粒径较小的铁尾矿粉还可用于制备充填胶凝材料。

为充分利用铁尾矿粉、脱硫灰渣等具有潜在胶凝性能的固体废弃物，本项目采用铁尾矿粉、脱硫灰渣和矿渣微粉作为胶凝组份，选用铁尾矿砂、钢渣砂作为细骨料，并利用氢氧化钠和石膏对胶凝材料进行复合激发，开发制备成本低、性能高以及体积大的井下充填用新型胶凝材料。在该胶凝材料中，铁尾矿粉、脱硫灰渣作为胶凝材料不仅可以降低工程造价，而且有效缓解矿渣微粉聚合速度过快、收缩大等问题。同时由于复合激发作用，可进一步提高胶凝组份的火山灰活性和早期强度。

本项目主要科技内容包括：（1）开展井下充填胶凝材料激发剂筛选试验研究，确定激发剂种类及最佳设计配比，给出井下充填胶凝材料各组分的合理取值范围，结合大型矿井充填的技术特点与实际需求，制备超大体积超高性能全固废井下充填胶凝材料；（2）开展铁尾矿砂-粗钢渣混合粗骨料井下充填体强度试验研究，探究粗钢渣掺量、堆积体密实度、全固废混合粗骨料井下充填体抗压强度之间的相互关系，确定粗钢渣掺量的合理取值范围；（3）开展超大体积超高性能全固废混合骨料井下充填体强度与耐久性能试验研究，分析龄期、温度对其性能的影响，采用SEM、XRD和MIP等手段表征全固废混合骨料井下充填体的微观特性，揭示其凝结硬化和水化作用机理；（4）开展超大体积超高性能全固废混合骨料井下充填体流动、流变性能试验研究，探究胶砂比、料浆质量浓度对全固废混合骨料井下充填体管输特性的影响规律，建立泌水率与胶砂比、料浆质量浓度的相关关系。

综上所述，本项目开展超高性能超大体积井下充填用胶凝材料的制备及性能研究，探讨铁尾矿粉掺量、脱硫灰渣掺量、氢氧化钠掺量、石膏掺量、胶砂比和钢渣砂掺量对矿山充填胶凝材料凝结时间、力学性能的影响规律，并提出充填体强度的计算公式，建立充填料浆管道输送关系模型。本文研究不仅解决了铁尾矿、脱硫灰渣大量堆积的问题，同时对提高铁尾矿、脱硫灰渣资源化利用率，缓解对周边环境的污染和破坏有重要意义。

年产300万吨配套的充填站

2. 在上述制备的胶凝材料基础上，配制满足大型井下充填要求的铁尾矿砂-粗钢渣混合粗骨料井下充填体与铁尾矿砂-钢渣砂混合细骨料井下充填体，构建全固废混合骨料井下充填体强度的BP神经网络预测模型与配比优化模型，确定全固废混合骨料井下充填体材料组分的最优配合比；

3. 在上述试验研究与有限元分析的基础上，进一步结合工业现场试验研究，优化全固废混合骨料井下充填体的充填施工工艺，指导充填管道的设计与生产，对全固废混合骨料井下充填体的工业化应用提供合理化建议。

为了保证项目成果能得到较好的推广，结合产品实际情况，项目推广具体分为三个阶段：

试点推广阶段。对安徽马鞍山某铁矿山进行充填试验研究，并总结充填过程中试验数据和经验方法。

批量生产阶段。在试点推广的基础上，结合矿山充填后的数据进行分析和研究，在分析得到较好的试验结果后，批量生产一定量的超高性能超大体积井下充填胶凝材料，为下一阶段大面积推广项目产品打下基础。

大面积推广阶段。在全国范围内进行全方面、多层面的实施推广。对各充填点的充填进程、典型案例、出现问题及原因等进行总结、分析和集体讨论。对大面积推广取得的成果进行评估、深化推广。

本项目的研究成果为大型、复杂矿山充填工程提供一种新的充填技术，在马鞍山及周边地区的10余个矿山充填中得到应用。该新型井下充填体的制备与应用研究适应我国固废循环利用和污染协同控制理论体系，有力促进系统成套的固废资源化利用技术的发展与工业化应用的推广，为大幅度提高我国资源利用效率，支撑生态文明建设提供科技保障。

安徽马钢嘉华新型建材有限公司位于长江人头矶港区，是中国宝武环境资源科技有限公司旗下专业从事粒化高炉矿渣深加工及贸易的现代化绿色环保高新技术企业。

经过10多年的发展，目前公司年产能420万吨，已经形成粒化高炉矿渣、矿渣微粉、井下矿山充填专用固结剂、铁粒等四大系列产品。公司生产的S95级粒化高炉矿渣微粉是一种优质的混凝土掺合料和水泥混合材料，掺有高炉矿渣微粉的混凝土具有水化热低，抗侵蚀，抗微缩，与钢筋的结合力强，后期强度高等特点。矿渣微粉作为一种新型绿色环保产品，大量节约不可再生资源，有效保护了生态环境，在国内外都得到了广泛的应用，市场前景十分广阔。

公司采用拥有自主知识产权的高新技术生产的马嘉固结剂是一种无熟料、低能耗、和易性能好，胶结性能强的绿色节能环保胶凝材料，产品可广泛应用于铁矿、铜矿、铅锌矿和煤矿等金属、非金属井下矿山的胶结充填。用马嘉固结剂作为胶凝材料的充填体后期强度增长稳定，干缩量小，充填体接顶性好。

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