高效减水剂对全尾砂充填料性能的影响

范作鹏 任少峰 张忠辉 蔡梦茜 史 琛 何廷树

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿，山东 烟台 261441；2.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055)

高效减水剂对全尾砂充填料性能的影响

范作鹏1任少峰1张忠辉1蔡梦茜2史 琛2何廷树2

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿，山东 烟台 261441；2.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055)

利用全尾砂作为集料制成全尾砂充填料对采空区进行充填，具有性能优、尾砂利用率高、能耗少、成本低等优点。根据某矿山现有充填工艺，采用全尾砂替代分级尾砂作为充填集料的技术，优化原有的胶结材料，并将尾砂充填料浆的固体浓度由68%提高到72%，结合使用减水剂来实现全尾砂充填料的自流输送。研究4种减水剂(萘系高效减水剂NSF、聚羧酸高效减水剂PC、氨基高效减水剂ASF以及脂肪族高效减水剂SAF)的不同掺量对全尾砂充填料浆的泌水率、流变性能和强度的影响。结果表明，减水剂的加入有效地提高了全尾砂充填料浆的流动性能，延缓了凝结时间，但却对充填体强度有不利的影响。综合4种减水剂的作用来看，在脂肪族减水剂掺量为1.6%时，既可以使料浆流动性增加幅度较大，又对充填体强度的不利影响较小。因此，选用脂肪族减水剂可以配制性能较优的自流型全尾砂充填材料。

充填材料 全尾砂 高效减水剂 流变性

随着工业社会的飞速发展，矿产需求量日益增加，对矿产资源开采利用所引发的环境破坏和废物排放，已成为相当严峻的环境问题[1]。其中一个很大的影响来自于矿山固体废料的排放，尤其是矿产资源开发利用中产生的大量的尾砂。采用矿山废料胶结充填的方式可以充分利用尾砂将采空区填实，为下一步的回采作业创造条件。除此之外，利用尾砂进行充填还可以有效地减少尾矿占地和尾矿库投资[2]。因此，尾矿资源综合利用，对保护和改善生态环境、提高资源利用效率具有十分重要的意义[3]。

某金矿采用分级粗尾砂作为骨料，矿粉和以水泥、石膏为主的无机添加剂作为胶结材料，制成一种固体浓度为68%，灰砂比为1∶10的充填料。此种料浆含水率较高，可以实现自流输送，3 d强度可以达到0.56 MPa。但是从性能、环保和经济方面来看，粗尾砂充填料又具有以下缺点[4]：①生产粗尾砂需要对全尾砂进行分级，加大了工艺的复杂程度，增加了能耗；②分级产生的细尾砂多放置在地表，对环境造成了极大的污染，并且占用了地表空间；③由于粗尾砂粗颗粒较多，细颗粒及粉体较少，形成的浆体悬浮性差，易沉降，造成自流输送的困难；④粗尾砂孔隙率较高，使形成的充填体的密实度不如全尾砂充填体，故强度低于全尾砂充填体。利用全尾砂进行胶结充填，不仅能将各粒级尾砂全部利用起来，而且浆体固体浓度较高；同时，工艺方面节省了尾砂分级环节，生产流程简化，能够降低投资以及运营成本[5]。因此，使用全尾砂胶结充填材料具有较大的技术优势和经济优势[6]。本试验针对该矿山的条件，研究采用投资较小，成本较低的全尾砂充填料代替粗尾砂充填料，实现提高浓度的自流输送。

结合此矿山的具体情况，欲将固体浓度由68%提高到72%，并且依然实现自流输送。充填料浆浓度的提高必然会伴随着流动度的下降，针对此问题，试验研究利用减水剂来提高充填料浆的流动性能。设计使用萘系高效减水剂、聚羧酸高效减水剂、氨基高效减水剂以及脂肪族高效减水剂这4种减水剂，研究不同掺量的高效减水剂对全尾砂充填料浆的凝结时间、泌水率、流变性能和强度的影响，从而对全尾砂充填工艺提供理论依据。

1 试验材料

1.1 全尾砂

试验所用尾砂为某金矿全尾砂，其主要的物理性见表1，利用X射线衍射测得主要化学成分及含量见表2，利用筛分法测得全尾砂粒径组成见表3。

表1 全尾砂主要物理性能Table 1 Main physical properties of whole tailings

表2 全尾砂主要化学组成

Table 2 Main chemical compositions and content of whole tailings %

1.2 胶结材料

原使用的胶结材料为成品添加剂，主要成分为水泥和石膏，因此对原有的胶结材料进行改性，使用高炉矿渣、尧柏P.O42.5水泥、石灰、建筑石膏及二水石膏作为胶结剂。试验采用减水剂性质：萘系高效减水剂为粉状剂；聚羧酸减水剂为液体，固含量10%；氨基磺酸盐减水剂为液体，固含量30%；脂肪族减水剂为液体，固含量20%。

表3 全尾砂的粒级组成Table 3 Size composition of whole tailings

1.3 试验配合比

试验采用固体浓度72%，灰砂比为1∶10，胶结材料由矿渣、水泥、石膏、石灰以及水玻璃组成。具体设计减水剂掺量分别为：萘系粉剂掺量0.3%，0.5%，0.8%；聚羧酸液体掺量0.1%，0.3%，0.5%(固体浓度25%，折算为固体掺量分别为0.025%，0.075%，0.125%)；氨基液体掺量0.5%，0.7%，0.9%(固体浓度30%，折算为固体掺量分别为0.15%，0.21%，0.27%)；脂肪族液体掺量0.8%，1.2%，1.6%(固体浓度30%，折算为固体掺量分别为0.24%，0.36%，0.48%)。

2 试验方法

将上述各原材料按照设计配合比进行称量，精确至0.01 g。将称量好的各种原料倒入混合容器中，使用JJ-5型砂浆搅拌机对料浆进行拌制，形成均匀充填料浆。将搅拌好的全尾砂充填料浆倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准三联试模中。用保鲜膜包裹试模，再将试样放置于与实际工程相似的条件(温度24±1 ℃，湿度控制在90%以上)下进行养护。

2.1 泌水率的测定

在测定泌水率时，取450 mL的全尾砂充填料浆盛入500 mL的玻璃量筒中，待沉降完全后，将量筒中的浆体放置24 h以后，测其泌出的水量与总浆体量的比值，即为全尾砂充填料浆的泌水率[7]。

2.2 流动度的测定方法

由于尾砂充填料浆的固体浓度比较低(72%)，已经不适用坍落度筒法来测定流动度，因此，采用Marsh筒法对全尾砂充填料浆流动性进行测试。本试验采用《GB/T 25182—2010 预应力孔道灌浆剂》规定的水泥浆稠度漏斗作为Marsh筒，对流动时间进行测量。Marsh筒的规格如图1所示。

图1 Marsh筒规格Fig.1 Specifications of marsh cone1—点测规；2—浆体表面；3—不锈钢(厚3 mm)

测试时，将适量的充填料浆装入Marsh筒中，测试料浆从下嘴部开始流出至完全流尽时所用的时间T(s)，以此来表征其流动性能。流出时间越短，则表明充填料浆的流动性越好。按照某矿山原始配合比(粗尾砂充填料浆，固体浓度68%，灰砂比1∶10)配制的充填料浆，测得Marsh筒流动时间为11.43 s。

2.3 抗压强度测试方法

使用压力测试机测定不同龄期全尾砂充填体试样抗压强度，每3块为1组，取其平均值作为该龄期抗压强度值。

3 试验结果与分析

3.1 减水剂对全尾砂充填料浆泌水率、凝结时间及流动性能的影响

试验测得不同减水剂在不同掺量下的泌水率见表4。

表4 减水剂对全尾砂充填料凝结时间与泌水率的影响Table 4 Effects of superplasticizers on setting time and bleeding rate of the whole tailing backfilling materials

泌水率可以反映砂充填料浆管流泌水和稳定性情况，其值越小，稳定性越高[8]。对比4种减水剂对全尾砂充填料浆泌水率的影响，看出脂肪族减水剂使得料浆泌水率有所下降，其他3种均有不同和程度的增加，但影响幅度均较小。由表中所得数据可以看出，对于掺入不同掺量减水剂的充填料浆来说，减水剂的掺量越大，泌水率越大，这是由于在固体浓度一定的情况下，掺入越多的减水剂，减水作用越明显，导致泌出的水量越大。

图2为利用Marsh筒法测定的不同减水剂在不同掺量下对全尾砂充填料浆的流动度即时间T(s)的影响。

图2 减水剂对全尾砂充填料浆流动性的影响Fig.2 Effects of superplasticizers on the fluidity of the whole tailings backfill slurry■—萘系减水剂；●—聚羧酸减水剂； ▲—氨基减水剂；◆—脂肪族减水剂

利用Marsh筒法对全尾砂充填料浆流动性进行测试，时间T越短，充填料浆的流动性越好。高效减水剂掺量对全尾砂充填料浆流动性有较大影响，在一定范围内，减水剂的掺量越多，浆体流动性越大[9]。

随着减水剂掺量增加，对应全尾砂充填料浆的流动度也增加，但其增加有一定的范围，减水剂增加流动度的能力与减水剂的种类和掺量有关，减水剂对于流动性能的影响通过其吸附分散作用，降低胶结充填料的表面能并提高其分散度，从而提高充填料的流动性和充填体的强度[10]。

由图2中可以看出，随萘系减水剂掺量的增加，全尾砂充填料浆的流动性呈现先增大再减小的趋势，在掺量为0.5%时达到最大值；在掺入聚羧酸减水剂0.1%时，对流动度的贡献不大，但在掺量为0.3%时，流动度突然增大，且与掺量为0.5%时的流动度相差不大；氨基掺量为0.5%与0.7%时，料浆流动性相差较小，在0.9%掺量时流动度突增；对于脂肪族减水剂，掺量越大充填料浆的流动性越好。综合来看，减水剂对于全尾砂充填料浆流动性能的影响并不是掺量越大越好，掺量较少时，不能够起到很好的减水作用，掺量较大时，由于竞争吸附反而使得流动性能得不到优化，所以减水剂的掺量实际存在一个最优值。在萘系掺量0.5%、氨基掺量0.9%、脂肪族掺量1.6%时，全尾砂充填料浆的流动性能较好，均能满足自流输送的要求。

3.2 减水剂对全尾砂充填体强度的影响

根据上述配比制备全尾砂充填体试件，进行不同龄期充填体力学性能试验，得到4种减水剂在不同掺量下对全尾砂充填体强度的影响如图3～图6。

图3 萘系减水剂对全尾砂充填体强度的影响Fig.3 Effects of NSF on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不掺减水剂；●—0.3%萘系；▲—0.5%萘系；◆—0.8%萘系

图4 聚羧酸减水剂对全尾砂充填体强度的影响Fig.4 Effects of PC on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不掺减水剂；●—0.1%聚羧酸；▲—0.3%聚羧酸；◆—0.5%聚羧酸

图5 氨基减水剂对全尾砂充填体强度的影响Fig.5 Effects of ASF on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不掺减水剂；●—0.5%氨基；▲—0.7%氨基；◆—0.9%氨基

由图3中看出，对于不掺减水剂的空白组(Q-0)而言，其各龄期强度呈现直线增长的关系。萘系减水剂的掺入使得全尾砂充填体的7 d强度增长较快，略高于空白组，但早期3 d和后期28 d强度均有所降低，这是由于减水剂延缓了早期强度的形成[5]，使得早期3 d强度偏低，在7 d时发展较快，但后期强度增长较慢，28 d低于空白组。总体来看，掺量为0.3%萘系减水剂的全尾砂充填体3 d和28 d强度较掺量0.5%和0.8%时高。

图6 脂肪族减水剂对全尾砂充填体强度的影响Fig.6 Effects of SAF on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不掺减水剂；●—0.8%萘系；▲—1.2%萘系；◆—1.6%萘系

如图4所示，由于聚羧酸减水剂的引气作用，会使得全尾砂填充体的强度相对于空白组有所下降。对于掺0.3%聚羧酸(Q-22)的全尾砂充填体，其强度发展趋势与空白组相似，且28 d强度高于掺0.1%(Q-21)与0.5%(Q-23)全尾砂充填体。Q-21与Q-23强度发展趋势相似，且各龄期强度也较接近，早期3 d和后期28 d强度均低于空白组及Q-22。由此可以看出，掺入0.3%的聚羧酸比较合理，所得到的强度较高。

如图5中所示，氨基减水剂掺量为0.5%(Q-31)时，全尾砂充填体强度较低，28 d只达到了空白组强度的73%。氨基掺量为0.7%时，得到的充填体3 d及28 d强度均高于其他掺量，且相对于Q-0而言，强度损失也较少。

由图6可以看出，脂肪族减水剂的加入不同程度的降低了全尾砂充填体的强度。不同掺量的脂肪族减水剂对充填体3 d与28 d强度的影响一致，掺量越大，对强度降低的影响越小。

比较不同减水剂在最优掺量(萘系减水剂0.3%、聚羧酸减水剂0.3%、氨基减水剂0.7%、脂肪族减水剂1.6%)时对全尾砂充填体不同龄期强度的影响如图7。

由图7中可以看出，高效减水剂的加入在提高流动性能的同时，却对于充填体强度有略微不利的影响，影响规律较为一致：3 d及28 d的强度均低于不掺减水剂的空白组，但7 d强度接近于空白组，即在3～7 d时强度增长较快，后期强度增长缓慢。其中，氨基掺量为0.7%时，强度最高。

图7 最优掺量的不同减水剂对全尾砂充填体强度的影响Fig.7 Effects of the optimal amount of different superplasticizers on compressive strength of the whole tailing backfilling materials■—不掺减水剂；●—0.3%萘系；▲—0.3%聚羧酸； ▼—0.7%氨基；◀—1.6%脂肪族

减水剂对于全尾砂充填体的强度影响，归结于在固体浓度固定时，加入减水剂，起到了减水的作用，使得实际掺入减水剂的全尾砂充填料浆的固体浓度相对于不掺加减水剂的料浆浓度有所降低，相应的强度也降低。在此基础上，若使用掺加减水剂的全尾砂充填料浆时，可以适当提高固体浓度来达到要求。

4 结 论

(1)利用全尾砂作为充填集料，不需要分级和脱泥，大大降低了能耗，形成的全尾砂充填体粒级分布均匀，整体性好，稳定性高。相对于某矿山原使用的分级尾砂充填料而言，尾砂利用率高，流动性好，强度高。

(2)减水剂有效地提高了全尾砂充填料浆的流动性能，延缓了凝结时间。减水剂的掺量并不是越大越好，存在一个最适宜的掺量。4种不同减水剂对于料浆流动性影响不同，在萘系掺量0.5%、氨基掺量0.9%、脂肪族掺量1.6%时，全尾砂充填料浆的流动性能最好，均能满足自流输送的要求。

(3)减水剂对于全尾砂充填体的强度有不利的影响，不同程度地降低了充填体3 d和28 d的强度，掺量不同，影响效果不同。根据4种减水剂在不同掺量下对强度的影响，得出在萘系减水剂0.3%、聚羧酸减水剂0.3%、氨基减水剂0.7%、脂肪族减水剂1.6%这几组的掺量下，全尾砂充填体强度降低幅度较小。

(4)综合减水剂对流动性和强度这2方面性能的影响，即既可以使流动性增加幅度较大，又对强度的不利影响较小，建议选用脂肪族减水剂掺量为1.6%最为合理。

[1] 魏 微,高 谦,杨志强，等.全尾砂新型胶凝材料的现场力学试验[J].金属矿山，2013(8)：150-152. Wei Wei，Gao Qian，Yang Zhiqiang，et al.Field mechanical experiment of neotype whole-tailings cementing materials[J].Metal Mine，2013(8)：150-152.

[2] 付 毅，王 劼.新一代矿山充填胶凝材料[J].有色金属:矿山部分，2012，64(1)：51-54. Fu Yi，Wang Jie.A new filling cementing material for mines[J].Nonferrous Metals：Mining Section，2012，64(1)：51-54.

[3] 杨国华，郭建文，王建华,等.尾矿综合利用现状调查及其意义[J].矿业工程，2010，8(1)：55-57. Yang Guohua，Guo Jianwen，Wang Jianhua,et al.Recent status and importance of comprehensive utilization of tailing[J].Mining Engineering，2010，8(1)：55-57.

[4] 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(9)：76-79. Wang Xianlai，Yao Weixin，Wang Hu，et al.The directions of R&D on backfill with waste rock and total tailings in underground mine[J].China Mining Magazine，2011，20(9)：76-79.

[5] 孙德民，任建平，焦华喆，等.某矿全尾砂胶结充填物料性能研究[J].金属矿山，2012(3)：6-9. Sun Demin，Ren Jianping，Jiao Huazhe，et al.Study on the properties of the unclassified tailings cemented backfill materials in a mine[J].Metal Mine，2012(3):6-9.

[6] 王洪江.吴爱祥，肖卫国，等.粗粒级膏体充填的技术进展及存在的问题[J].金属矿山，2009(11)：1-5. Wang Hongjiang，Wu Aixiang，Xiao Weiguo，et al.The progresses of coarse paste fill technology and its existing problem[J].Metal Mine，2009(11)：1-5.

[7] 周爱民.矿山废料胶结充填[M].北京：冶金工业出版社，2007. Zhou Aimin.Mine Waste Cemented Filling[M].Beijing：Metallurgical Industry Press，2007.

[8] 王晓宇，乔登攀.废石-全尾砂高浓度充填料浆管输阻力影响因素分析[J].有色金属:矿山部分，2010，62(4)：61-65. Wang Xiaoyu，Qiao Dengpan.Analysis of the influence of waste rock-full tailings high concentration filling on the resistance of slurry pipeline transport[J].Nonferrous Metals：Mine Section，2010，62(4)：61-65.

[9] 唐世敏，宛阿祥，胡 胜,等.减水剂掺量对铁尾矿砂水泥基灌浆料性能影响实验分析[J].工程与建设，2013，27(1)：64-66. Tang Shimin，Wan Axiang，Hu Sheng，et al.Experiment analysis of influence of water-reducer dosage on properties of cement-based iron-tailing grouting materials[J].Engineering and Construction，2013，27(1)：64-66.

[10] 王子豪.表面活性剂对全尾砂胶结充填料流动性及强度作用机理研究[D].长沙：长沙矿冶研究院，1993. Wang Zihao.Research on the Effect Mechanism of Surfactant on Fluidity and Strength of Whole Tailings Backfilling Materials[D].Changsha：Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy，1993.

(责任编辑 徐志宏)

Effects of Superplasticizers on Properties of Whole Tailing Backfilling Materials

Fan Zuopeng1Ren Shaofeng1Zhang Zhonghui1Cai Mengqian2Shi Chen2He Tingshu2

(1.JiaojiaGoldMine，ShandongGoldMining(Laizhou)Co.，Ltd.，Yantai261441，China;2.CollegeofMaterials&MineralResources，Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi′an710055，China)

The mined-out areas were filled with aggregates of whole tailings backfilling materials with excellent performance，high utilization rate of tailings，low energy consumption and low cost.According to the existing filling process of a mine，the aggregate fill technology in which the whole tailings replace the grade tailings can optimize the original cementing material and increase the solid concentration of tailings backfill slurry from 68% to 72%.The self-flowing transportation of whole tailings backfill material can be realized with the combination of superplasticizer.The effects of different dosage of four superplasticizers (naphthalene superplasticizer，polycarboxylate superplasticizer，aminosalfonic superplasticizer and aliphatic amino superplasticizer) on bleeding rate，rheological property，and strength of the whole tailings backfill slurry were investigated.The experiment results showed that the addition of superplasticizers effectively improved flow property and retard setting time，but it was disadvantageous to compressive strength.On the whole，SAF with the content of 1.6% not only substantially increased the flow property but also had little negative effect on compressive strength.SAF is the best superplasticizer to prepare the whole tailings backfilling materials and realize the self-flowing transportation.

Backfilling materials，Whole tailings，Superplasticizer，Rheological property

2014-02-08

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B00)。

范作鹏(1967—)，男，高级工程师，博士。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-05-040-05