绿矿智填——尾矿固废胶结充填材料创新研发

申报人：岑志向申报日期：2025-01-02

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

绿矿智填——尾矿固废胶结充填材料创新研发学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

新型胶结充填材料是一种用于矿山充填的新型产品，其具有快硬性、高强度、低水化热、流动性好等特性，在矿山的开发利用中起到无可替代的作用。传统普遍都是用硅酸盐水泥做为填充材料，但是水泥成本比较高，而且水泥与尾矿的结合能力较差，生产水泥的过程中也会产生大量的温室气体CO2和一些有害气体NOx、SO2、CO、SiF4 ,产生的气体会严重污染环境。相比于用传统硅酸盐水泥做充填材料，新型胶结充填材料具有成本更低、强度更高、耐腐蚀性更好的优势。为了解决矿山开发产生的尾矿堆积问题和减少矿山充填工程的成本，本项目以尾矿固废、水泥、石膏等为主要原料，拟研发出一种新型胶结充填材料。预期该材料具有以下指标： 1.3天龄期试块强度≥0.5MPa（含0.5MPa） 7天龄期试块强度≥1.5MPa（含1.5MPa） 28天龄期试块强度≥2.5MPa（含2.5MPa） 2.固化时间短、早期强度高、料浆流动性好、耐腐蚀 3.固废占比到达90%以上，固废尾砂矿的利用率达到80%以上 4.成本比现有充填材料降低10%以上

负责人曾经参与科研的情况:

1.查阅文献，大致了解目前胶结充填材料的发展情况

2.了解新型胶结充填材料的相关指标

指导教师承担科研课题情况:

1.国家自然科学基金地区基金：转炉钢渣原位氧化及其熟料烧成化学基础研究（21566008），主持，201601-201912；

2.国家自然科学基金青年基金：具有互穿网络结构的阴-非离子化混凝土内养护材料的设计、合成与性能研究（51202039），主持，201301-201512，201603已结题；

3.国家重点研发计划子课题：预制构件用高抗蚀硅酸盐水泥基材料组成设计与性能调控技术（2016YFB0303501-02），技术骨干，201607-202004；

4.广西科技重大专项子课题（广西创新驱动发展专项）：复杂海洋环境下高抗蚀建设工程材料开发与示范应用—高抗蚀海工混凝土掺合料开发及其产业化（桂科AA18242007-3），子课题负责人，201810-202109；

5.广西重点研发计划：内养生低阻力水泥混凝土铺面平整度和耐久性提升关键技术研究示范（2017AB53025），子课题负责人，20180101-20201231；

6.广西科技重大专项子课题（广西创新驱动发展专项）：尾矿渣冶炼矿渣环境风险识别和生态化处置关键技术开发及应用示范——尾矿渣及冶炼废渣无害化预处理与建材资源化关键技术开发（桂科AA17204066-3），技术骨干， 201709-202012；

指导教师对本项目的支持情况:

1.项目实施过程中技术上的指导：包括资料调研、实验设计、技术路线、数据分析、论文撰写及投稿等。

2.项目组成员组织协调上的支持：包括任务分配、人员变动、成果分配等。

3.项目使用经费的监控，用于购买胶结材料的原料，用于支付产品性能检测及微观结构表征。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	岑志向	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2023	负责整体项目规划、进度把控	第一主持人
2	刘毅飞	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2023	资料收集与文献综述	成员
3	郭宇	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2022	数据分析与撰写报告	成员
4	江宏华	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2023	实验研究	成员
5	施扬林	材料科学与工程学院	材料科学与工程	2023	实验研究	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	刘荣进	材料科学与工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

随着我国冶金行业的快速发展，矿山产出的尾矿规模也越来越大，尾矿的存储不仅占用耕地，破坏环境，而且处理不当会诱发灾害。例如：①2008年9月8日山西襄汾“9·8”尾矿库溃坝特别重大事故，山西省襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库发生溃坝事故，造成重大人员伤亡和巨大的经济损失；②2020年3月28日黑龙江省伊春市伊春鹿鸣矿业有限公司尾矿库发生泄漏，造成铁力市第一水厂停止取水，伊春市等地受到影响。经评估，黑龙江省二级应急响应阶段共造成直接经济损失4420.45万元；③2019年1月25日，巴西布鲁马迪纽尾矿坝溃坝事故。巴西米纳斯吉拉斯州布鲁马迪纽市发生尾矿坝溃坝事故，造成大量人员伤亡和巨大财产损失，对当地生态环境造成了极其严重的破坏。此外，矿山开采后，为杜绝出现塌方等安全事故，我国要求矿井必须回填，以减少矿井对周围环境的影响。随着选矿工艺的不断完善与进步，导致尾矿粒径的细度及颗粒含量难以满足矿山回填强度要求，现阶段充填采矿法普遍使用的是胶凝材料——水泥；然而水泥的成本比较高，且生产过程中会产生大量有害气体，不符合绿色环保理念。因此，本项目对于这一社会现状问题，拟研制出一种新型胶结充填材料。其相对于传统充填材料而言，具有强度更高、硬化时间更短、流动性更好等优点，同时新型胶结材料的经济效益也比传统胶结材料更好，为充填工程减少了大量成本，也减少了对环境的破坏。

研究内容:

本项目将以尾矿、水泥、石膏为主要原料，选择合适的胶凝剂和激发剂，通过改变它们的配比，激发剂激活尾矿原料的活性，改变其内部分子结构和表面结构，来制备高强度、低成本的新型胶结充填材料。最后通过分析不同原料配比产生的效果，进行性能评估，对比他们之间的强度和固化时间。具有高强度、固化时间短的胶结材料即为我们所寻的新型胶结充填材料。

国、内外研究现状和发展动态:

尾砂胶结充填法已成为充填采矿法的发展趋势，尾砂胶结充填材料的力学性能决定了充填质量和充填经济成本，是矿山企业非常关心的一项关键指标。国内外学者对此进行了大量研究。

韩静[1]基于碱激发矿渣的尾砂胶结充填材料性能试验研究，随料浆质量浓度增大，充填体强度持续增高，前期强度增长率高，与水泥胶结充填材料比较，碱激发矿渣充填材料流动性和强度均优于水泥;低含量激发剂会促进矿渣颗粒溶解，加速水化反应速率，但含量过高产生抑制作用，导致充填体强度下降。低浓度硫酸盐会促进料浆凝结硬化，当浓度高于15000ppm时硫酸盐对料浆促凝作用减弱，同时硅酸钠/氢氧化钠比值增大会延长料浆凝结时间。

刘树龙[2]基于矿渣基胶凝材料的充填体早期力学行为宏观响应机制研究结论：

①尾砂中惰性组分 SiO2 含量超过 60%，属于高硅型惰性材料，可作为充填骨料

发挥骨架支撑作用。粒径分布不均匀，颗粒大小差异较大，在料浆中易被比表面积较大的胶凝颗粒包裹，有利于料浆密实和充填接顶。

② 通过化学成分中氧化物比值评价了矿渣质量，其质量系数大于 1.8，碱性系数

大于 1，表明该矿渣为高品质碱性矿渣。XRD 和 SEM 分析共同揭示了矿渣中含有大量无定型玻璃相，具有较高的潜在胶凝活性，具备研制新型胶凝材料的有利条件。

③探明了水泥添加量、料浆质量浓度、砂灰比与复合充填料浆流动性的关联规律。借助正交设计和极差分析确定了料浆质量浓度为影响料浆塌落度的关键因素，水泥添加量影响次之，砂灰比影响最小，水泥添加量 30%、料浆质量浓度 68%、砂灰比6时料浆流动性达到最优，满足料浆管道自流输送要求。

④阐明了水玻璃、Na2SO4、Na2CO3、NaOH 对矿渣胶凝活性的宏观调控机制。激发效果主次排序为水玻璃最佳，NaOH 次之，其次为 Na2SO4，Na2CO3 最差。

张雄天[3]膨胀充填材料的研究，分析了现有胶结充填技术及充填材料特点的基础上,针对目前充填材料研究方面所存在的问题,提出了将化学添加剂等一些外加剂掺入到充填料浆中去以改变传统充填材料所存在的问题，制备出一种新型膨胀性的充填材料，以此来解决矿山充填所面临的实际问题。

早在1930年国外研究者就已经将细磨矿渣作为活性原料与碱溶液混合制备碱激发胶凝材料，法国Davidovits[4]将经煅烧的高岭土和石灰石混合物作为原料；Aydin和 Barada[5]在碱矿渣胶凝材料中添加钢纤维对材料干缩性进行改造研究；Wang[6]等在碱激发矿渣砂浆中掺入萘基高效减水剂砂浆和易性进行改姓研究

参考文献：

[1]韩静.基于碱激发矿渣的尾砂胶结充填材料性能试验研究[D].东北大学,2019.DOI:10.27007/d.cnki.gdbeu.2019.002647.

[2]刘树龙.基于矿渣基胶凝材料的充填体早期力学行为宏细观响应机制[D].山东理工大学,2021.DOI:10.27276/d.cnki.gsdgc.2021.000329.

[3]张雄天.膨胀充填材料的试验研究[D].东北大学,2014.

[4]Davidovits J. Synthesis of new high temperature geo-polymers for reinforcedplastics/composites[J]. SPE PACTEC, 1979,79: 151-154.

[5]Serdar Aydin, Bilent Baradan. The effect of fiber properties on high performance alkali-activated slag/silica fume mortars[J]. Composites Part B Engineering,2013,45(1):63-69.

[6] Wang s D, Scrivener K L, Pratt P L.Factors affecting the strength of alkali-activatedslag[J]. Cement & Concrete Research, 1994,24(6):1033-1043.

创新点与项目特色:

创新点：本项目拟探究添加不同含量硅酸盐水泥、石膏、胶凝剂和激发剂配制来影响充填材料的力学性能、不同适龄期的强度以及固化时间，探寻其组织微观结构和力学性能的内在关联，获得高性能新型胶结充填材料，加速矿山充填工程的发展和胶结材料应用。

项目特色：本项目拟通过用矿山尾砂，添加水泥、石灰、石膏、胶凝剂、激发剂等原料来研制出一种新型的胶结材料，其能减少传统对水泥的高度依赖，为采空区充填工程节约大量成本，为资源的可持续发展做出巨大贡献。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

技术路线：

拟解决的问题：

1.理清不同胶凝材料对其性能的影响，考虑成本问题选择合适的胶凝材料及配比

2.研究胶凝剂、激发剂对充填材料性能的影响，选择合适的掺量改性。

3.研发出一种可以用于矿山充填且强度满足3天龄期试块强度≥0.5MPa（含0.5MPa），7天龄期试块强度≥1.5MPa（含1.5MPa），28天龄期试块强度≥2.5MPa（含2.5MPa）、固化时间短、成本更低的新型胶结充填材料。

预期成果：

1.理清不同含量原料配比、添加不同胶凝剂和激发剂对充填材料料浆流动性、硬化时间、力学性能的影响。

2.通过实验研制出一种符合矿山充填材料标准的高性能胶结充填材料。

3.发表论文一篇。

项目研究进度安排:

第一阶段：文献调研与方案设计，明确研究目标与路径；

第二阶段：尾矿固废分析与材料制备，开展实验验证；

第三阶段：性能测试与应用评估，优化材料性能；

第四阶段：总结成果与撰写结题报告。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

通过查阅相关文献，了解到碱激发剂对尾矿的改性机理，碱激发水化产物以离子键及共价键为主，使其具有快硬性和早强性。水化机理：碱激发剂改变其内部分子结构和表面结构（Si-O-Si、Al-O-Al、Si-O-Al等共价键），释放内部的钙、铝、硫酸根等离子，发生缩聚反应，生成C-S-H等产物。

了解新型胶结材料的性能和应用，并对研究新型胶结材料的实验方法做了详细了解。学习使用红外光谱扫描（FT-IR）、Ｘ射线衍射仪（XRD）、光学显微镜、扫描电镜（SEM）并对实验前后样品的形貌、成分、组织进行研究。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

学院实验室配备专业、精密的实验器材，力学设备，如

a）磁力搅拌器：予华仪器厂DF-101D集热式磁力搅拌器

b）水浴锅：上海华燕医疗器械有限公式HH-2型水浴锅、

c）干燥箱：杭州中拓仪器有限公司101-1Y型远红外鼓风恒温干燥箱。

d）真空干燥箱：南通金石实验仪器有限公司SDZF-6050型真空干燥箱。

e）水泥砂浆搅拌机：上海乐傲实验仪器有限公司JJ-5型水泥砂浆搅拌机

f）扫描电子显微镜：日本JSM-6380LV扫描电子显微镜。

g）电子天平：上海舜宇恒平科学仪器公司YP2001N电子天平。

h）台秤：上海浦东计量仪器生产单臂式普通台秤。

i）红外光谱仪：日本岛津公司IRTracer-100型红外光谱仪。

k）XRD：荷兰帕纳科（PANantical）公司X`Pert PRO X射线衍射仪

以上可实现材料物相组成、微观组织表征、力学性能检测和制备等，有力保障本项目顺利开展。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	6000.00	无	1500.00	4500.00
1. 业务费	4000.00	无	500.00	3500.00
（1）计算、分析、测试费	1000.00	材料相关性能测试费用	500.00	500.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	3000.00	出版费	0.00	3000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	2000.00	化学试剂及实验材料费	1000.00	1000.00

结束