MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)特性與作用機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義在礦產(chǎn)資源開采與加工過程中，含硫尾砂作為一種常見的固體廢棄物大量產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生的含硫尾砂量高達(dá)數(shù)億噸，其長期堆存不僅占用大量土地資源，還對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。含硫尾砂中通常含有黃鐵礦（FeS?）等硫化物，在自然環(huán)境中，這些硫化物極易發(fā)生氧化反應(yīng)，如黃鐵礦氧化會生成硫酸和鐵的氧化物：4FeSa??+15Oa??+2Ha??O=2Fea??Oa??+8Ha??SOa??。這一反應(yīng)過程不僅導(dǎo)致大量酸性廢水產(chǎn)生，使周邊土壤和水體的pH值急劇下降，造成土壤酸化、水體污染，還會促使尾砂中重金屬元素的溶出，進(jìn)一步加劇環(huán)境污染。傳統(tǒng)的含硫尾砂處理方法，如簡單堆存或直接排放，不僅無法有效解決環(huán)境污染問題，還造成了資源的極大浪費(fèi)。部分礦山采用的尾礦庫堆存方式，隨著時間推移，尾礦庫壩體的穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，一旦發(fā)生潰壩事故，將引發(fā)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，給周邊居民的生命財產(chǎn)安全帶來巨大損失。因此，尋找一種高效、環(huán)保的含硫尾砂處理方法迫在眉睫。礦渣材料是鋼鐵、有色金屬等行業(yè)在冶煉過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，其主要成分包括氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO?）、氧化鋁（Al?O?）等。目前，大量礦渣材料的堆存同樣帶來了環(huán)境壓力和資源浪費(fèi)問題。若能將礦渣材料用于含硫尾砂的處理，實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同利用，不僅可以解決含硫尾砂的環(huán)境污染問題，還能為礦渣材料的資源化利用開辟新途徑。MgO激發(fā)礦渣材料作為一種新型的膠凝材料，近年來在建筑材料、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。MgO在激發(fā)礦渣的過程中，能夠與礦渣中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有良好膠凝性能的水化產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的水泥基膠凝材料相比，MgO激發(fā)礦渣材料具有生產(chǎn)成本低、環(huán)境友好、早期強(qiáng)度發(fā)展快等優(yōu)點(diǎn)。在含硫尾砂處理中，MgO激發(fā)礦渣材料不僅可以通過物理包裹和化學(xué)結(jié)合的方式固定尾砂中的硫元素，降低其對環(huán)境的危害，還能提高尾砂的力學(xué)性能，為尾砂的資源化利用提供可能。例如，MgO激發(fā)礦渣材料可以與含硫尾砂中的硫酸根離子發(fā)生反應(yīng)，生成穩(wěn)定的鈣礬石等礦物，從而降低尾砂中硫酸根離子的含量，減少酸性廢水的產(chǎn)生；同時，其形成的水化產(chǎn)物能夠填充尾砂顆粒間的孔隙，增強(qiáng)尾砂的密實(shí)度和強(qiáng)度，使處理后的尾砂可用于道路基層、建筑骨料等領(lǐng)域。本研究聚焦于MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)特性及機(jī)理，旨在深入探究MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間的物理化學(xué)作用過程，明確其對含硫尾砂膠結(jié)性能的影響規(guī)律，揭示其作用機(jī)理。這不僅有助于豐富和完善含硫尾砂處理的理論體系，為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐，還能為含硫尾砂的高效處理和資源化利用提供新的技術(shù)手段和解決方案，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。通過本研究，有望實(shí)現(xiàn)含硫尾砂的無害化處理和資源化利用，減少其對環(huán)境的負(fù)面影響，提高資源利用效率，促進(jìn)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀含硫尾砂作為礦業(yè)生產(chǎn)中的典型固體廢棄物，其特性與處理方法一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。含硫尾砂通常含有多種硫化物，如黃鐵礦（FeS?）、磁黃鐵礦（Fe???S）等，這些硫化物賦予尾砂特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。在物理性質(zhì)方面，含硫尾砂的顆粒粒徑分布范圍較廣，從細(xì)粒到粗粒均有存在，這使得其堆積密度和孔隙率等物理參數(shù)差異較大，對其后續(xù)的處理和利用帶來挑戰(zhàn)。例如，細(xì)粒含硫尾砂在堆積時容易形成緊密堆積結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙率較低，不利于水分的排出和氣體的交換；而粗粒含硫尾砂則堆積較為松散，孔隙率較大，穩(wěn)定性相對較差。在化學(xué)性質(zhì)上，含硫尾砂的化學(xué)活性較高，尤其是其中的硫化物在自然環(huán)境中極易發(fā)生氧化反應(yīng)。黃鐵礦氧化會產(chǎn)生硫酸和鐵的氧化物，如4FeSa??+15Oa??+2Ha??O=2Fea??Oa??+8Ha??SOa??，這不僅會導(dǎo)致尾砂的pH值急劇下降，造成土壤和水體的酸化，還會引發(fā)尾砂中重金屬元素的溶出，如鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）等，進(jìn)一步加劇環(huán)境污染。含硫尾砂中還可能含有一些微量的有害元素，如砷（As）等，這些元素在尾砂的處理和處置過程中也需要特別關(guān)注。針對含硫尾砂的處理，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，傳統(tǒng)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法和生物法。物理法中，重力分選是一種常見的方法，利用含硫尾砂與其他礦物的密度差異，通過重力作用實(shí)現(xiàn)分離。在一些礦山，采用跳汰機(jī)對含硫尾砂進(jìn)行重力分選，可將部分硫化物富集，提高尾砂中有用成分的含量。但該方法對細(xì)粒級含硫尾砂的分選效果較差，且難以實(shí)現(xiàn)對硫化物的徹底分離。浮選法也是常用的物理處理方法之一，通過添加特定的浮選藥劑，使硫化物表面具有疏水性，從而與其他礦物分離。然而，浮選法需要消耗大量的藥劑，且對環(huán)境有一定的影響，同時存在尾礦品位較高、資源浪費(fèi)等問題?；瘜W(xué)法處理含硫尾砂主要包括酸堿中和、氧化還原等方法。酸堿中和法是通過添加堿性物質(zhì)，如石灰（CaO）、氫氧化鈉（NaOH）等，來中和含硫尾砂氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，調(diào)節(jié)尾砂的pH值。在某含硫尾砂處理項(xiàng)目中，添加石灰后，尾砂的pH值從酸性提升至接近中性，有效減少了酸性廢水的產(chǎn)生。但該方法需要持續(xù)添加堿性物質(zhì)，成本較高，且可能引入新的雜質(zhì)。氧化還原法是利用氧化劑或還原劑與含硫尾砂中的硫化物發(fā)生反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。例如，采用過氧化氫（H?O?）作為氧化劑，可將黃鐵礦氧化為硫酸鐵和硫酸，從而降低尾砂中硫化物的含量。但該方法對反應(yīng)條件要求較高，且氧化劑的使用成本較大。生物法處理含硫尾砂主要是利用微生物的代謝作用，將硫化物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。硫酸鹽還原菌（SRB）能夠在厭氧條件下將硫酸鹽還原為硫化物，從而降低尾砂中硫酸根離子的含量。研究表明，在適宜的條件下，SRB可使含硫尾砂中的硫酸根離子濃度降低50%以上。但生物法處理周期較長，對環(huán)境條件要求苛刻，如溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)等，且微生物的生長和代謝容易受到抑制，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。MgO激發(fā)礦渣材料作為一種新型的膠凝材料，近年來在含硫尾砂處理領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。MgO激發(fā)礦渣材料的研究主要集中在其制備工藝和性能優(yōu)化方面。在制備工藝上，研究人員通過改變MgO與礦渣的比例、激發(fā)溫度、激發(fā)時間等參數(shù)，來優(yōu)化材料的制備工藝。有研究表明，當(dāng)MgO與礦渣的質(zhì)量比為1:5，激發(fā)溫度為800℃，激發(fā)時間為2h時，制備得到的MgO激發(fā)礦渣材料具有較好的膠凝性能。在性能優(yōu)化方面，通過添加外加劑，如硅灰、粉煤灰、納米SiO?等，來改善材料的性能。添加適量的硅灰可顯著提高M(jìn)gO激發(fā)礦渣材料的早期強(qiáng)度和密實(shí)度，其原因是硅灰具有較高的火山灰活性，能夠與MgO激發(fā)礦渣材料中的水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，生成更多的凝膠物質(zhì)，填充孔隙，從而提高材料的強(qiáng)度和密實(shí)度。在含硫尾砂處理應(yīng)用方面，部分研究探索了MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的固化效果。研究發(fā)現(xiàn)，MgO激發(fā)礦渣材料能夠有效降低含硫尾砂中硫化物的含量，提高尾砂的力學(xué)性能。在某實(shí)驗(yàn)中，將MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂混合后，尾砂中的硫化物含量降低了30%以上，同時尾砂的抗壓強(qiáng)度提高了50%左右。然而，目前對于MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間的作用機(jī)理研究還不夠深入，尚缺乏系統(tǒng)的理論分析。雖然已有研究表明MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間存在物理包裹和化學(xué)結(jié)合作用，但對于具體的化學(xué)反應(yīng)過程、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)以及微觀作用機(jī)制等方面的研究還存在不足，這限制了MgO激發(fā)礦渣材料在含硫尾砂處理領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)特性及機(jī)理展開，具體內(nèi)容如下：MgO激發(fā)礦渣材料的制備與表征：選用特定的礦渣和MgO為原料，通過優(yōu)化兩者的比例、煅燒溫度和時間等參數(shù)，制備出性能優(yōu)良的MgO激發(fā)礦渣材料。運(yùn)用X射線衍射（XRD）分析材料的礦物組成，明確其主要物相；采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，如顆粒形態(tài)、孔隙特征等；利用比表面積分析儀測定材料的比表面積，了解其表面活性，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。含硫尾砂的特性分析：對含硫尾砂的物理性質(zhì)，包括顆粒粒徑分布、堆積密度、孔隙率等進(jìn)行測定，明確其顆粒特征。通過化學(xué)分析方法，如電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）、X射線熒光光譜（XRF）等，確定尾砂中硫元素的含量及存在形式，以及其他化學(xué)成分，如重金屬元素的種類和含量，為研究MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂的相互作用提供依據(jù)。MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)性能研究：開展不同配比的MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂的膠結(jié)試驗(yàn)，研究膠凝材料摻量、養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)溫度等因素對含硫尾砂膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響規(guī)律。測試膠結(jié)體的抗?jié)B性，通過測定其滲透系數(shù)，評估其抵抗液體滲透的能力；研究膠結(jié)體的耐久性，如在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等惡劣環(huán)境條件下的性能變化，分析其耐久性指標(biāo)的演變規(guī)律。MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂的作用機(jī)理研究：借助XRD分析膠結(jié)過程中礦物相的變化，確定新生成礦物的種類和含量，揭示化學(xué)反應(yīng)路徑；利用SEM觀察膠結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)變化，如孔隙結(jié)構(gòu)的填充、顆粒間的連接方式等，分析微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系；采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析化學(xué)鍵的變化，明確參與反應(yīng)的官能團(tuán)，從分子層面闡述作用機(jī)理；通過熱重分析（TG-DSC）研究膠結(jié)體的熱穩(wěn)定性，確定水化產(chǎn)物的分解溫度和失重率，進(jìn)一步理解膠結(jié)過程中的化學(xué)反應(yīng)。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下方法：實(shí)驗(yàn)研究法：通過設(shè)計(jì)一系列對比實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)性能。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制變量，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在研究膠凝材料摻量對含硫尾砂膠結(jié)體力學(xué)性能的影響時，固定養(yǎng)護(hù)時間和養(yǎng)護(hù)溫度，僅改變MgO激發(fā)礦渣材料的摻量，制備多組試件進(jìn)行力學(xué)性能測試。微觀測試分析法：運(yùn)用XRD、SEM、FTIR、TG-DSC等微觀測試技術(shù)，對MgO激發(fā)礦渣材料、含硫尾砂以及膠結(jié)體進(jìn)行全面的微觀結(jié)構(gòu)和成分分析。XRD可確定材料中的晶體結(jié)構(gòu)和礦物組成，SEM能直觀展示材料的微觀形貌，F(xiàn)TIR可分析化學(xué)鍵的振動情況，TG-DSC能研究材料的熱穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)過程，從而深入揭示MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂的作用機(jī)理。數(shù)據(jù)分析與處理方法：對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用圖表、曲線等方式直觀展示數(shù)據(jù)變化規(guī)律。采用回歸分析、方差分析等數(shù)學(xué)方法，建立膠結(jié)性能與各影響因素之間的數(shù)學(xué)模型，定量分析各因素對膠結(jié)性能的影響程度，為實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。二、實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)所用含硫尾砂取自某典型金屬礦山，該礦山在礦石開采與選別過程中產(chǎn)生了大量含硫尾砂。這些尾砂主要來源于多金屬硫化礦的選別作業(yè)，經(jīng)過破碎、磨礦、浮選等一系列工藝后，剩余的尾砂中含有豐富的硫化物。對含硫尾砂進(jìn)行物理性質(zhì)分析，其顆粒粒徑分布呈現(xiàn)一定的范圍。通過激光粒度分析儀測定，粒徑主要集中在0.075-0.3mm之間，其中0.1-0.2mm粒徑范圍的顆粒占比約為40%。這種粒徑分布特點(diǎn)對尾砂的堆積密度和孔隙率產(chǎn)生重要影響，經(jīng)測定，其堆積密度為1.5-1.6g/cm3，孔隙率在35%-40%之間。這些物理性質(zhì)參數(shù)在后續(xù)研究MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂的相互作用時具有重要意義，例如，孔隙率的大小會影響膠凝材料在尾砂中的滲透和填充效果，進(jìn)而影響膠結(jié)體的力學(xué)性能。在化學(xué)組成方面，利用X射線熒光光譜（XRF）分析技術(shù)，確定含硫尾砂中主要化學(xué)成分。其中，硫元素的含量較高，以黃鐵礦（FeS?）等硫化物形式存在，硫含量約為15%-20%。此外，還含有一定量的硅（SiO?），含量約為30%-35%，鋁（Al?O?）含量在10%-15%之間，鈣（CaO）含量相對較低，約為5%-8%，同時還含有少量的重金屬元素，如鉛（Pb）、鋅（Zn）等，這些重金屬元素的存在對環(huán)境具有潛在危害，也是含硫尾砂處理過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的對象。MgO激發(fā)礦渣材料的制備原料主要包括礦渣和MgO。礦渣選用某鋼鐵廠的?；郀t礦渣，該礦渣是在高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的廢渣，經(jīng)過水淬急冷處理后，形成了具有潛在活性的玻璃體結(jié)構(gòu)。其主要化學(xué)成分包括氧化鈣（CaO），含量在40%-45%之間，二氧化硅（SiO?）含量約為30%-35%，氧化鋁（Al?O?）含量在10%-15%左右，此外還含有少量的氧化鎂（MgO）、氧化鐵（Fe?O?）等成分。MgO采用工業(yè)級活性MgO，其純度較高，氧化鎂含量大于95%?；钚訫gO具有較高的反應(yīng)活性，能夠在激發(fā)礦渣的過程中發(fā)揮重要作用。在制備MgO激發(fā)礦渣材料時，將礦渣和MgO按一定比例混合，本實(shí)驗(yàn)中選取的質(zhì)量比為4:1?；旌虾?，將其置于高溫爐中進(jìn)行煅燒處理，煅燒溫度設(shè)定為800℃，煅燒時間為2h。在高溫煅燒過程中，MgO與礦渣中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)礦渣的活性激發(fā)，形成具有良好膠凝性能的MgO激發(fā)礦渣材料。對制備得到的MgO激發(fā)礦渣材料進(jìn)行性能參數(shù)測試，其比表面積通過BET氮吸附法測定，結(jié)果為350-400m2/kg，較大的比表面積使得材料具有較高的表面活性，有利于與含硫尾砂發(fā)生物理化學(xué)作用。在膠凝性能方面，通過測定其初凝時間和終凝時間來評估，初凝時間為2-3h，終凝時間為4-5h，這一凝結(jié)時間范圍能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用中對材料施工和成型的要求。其28天抗壓強(qiáng)度可達(dá)40-50MPa，具備良好的力學(xué)性能，為后續(xù)用于含硫尾砂的膠結(jié)提供了有力保障。2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在進(jìn)行含硫尾砂與MgO激發(fā)礦渣材料的膠結(jié)實(shí)驗(yàn)時，配比設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)前期對含硫尾砂和MgO激發(fā)礦渣材料的特性分析，考慮到尾砂中硫元素的含量較高，會對膠結(jié)性能產(chǎn)生不利影響，需要通過合理調(diào)整MgO激發(fā)礦渣材料的摻量來中和硫元素，同時提高尾砂的力學(xué)性能。依據(jù)相關(guān)研究和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂的質(zhì)量比范圍為1:4-1:10。在這個范圍內(nèi)設(shè)置不同的配比實(shí)驗(yàn)組，能夠全面研究配比變化對膠結(jié)性能的影響。具體設(shè)置了5個不同配比的實(shí)驗(yàn)組，分別為MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比1:4、1:6、1:8、1:10、1:12。對于每個實(shí)驗(yàn)組，均制備了一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)試件，用于后續(xù)的性能測試。在試件制備過程中，首先將MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂按照設(shè)定比例在強(qiáng)制式攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢杈鶆?，攪拌時間為10-15min，以確保兩種材料混合均勻。然后加入適量的水，水灰比控制在0.4-0.5之間，繼續(xù)攪拌5-8min，使材料充分水化。將攪拌好的混合物倒入尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm的三聯(lián)試模中，采用振動臺振搗成型，振搗時間為3-5min，以排除試件中的氣泡，保證試件的密實(shí)度。成型后，將試件在溫度為20±2℃、相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。在養(yǎng)護(hù)時間方面，設(shè)置了3d、7d、14d、28d四個養(yǎng)護(hù)齡期。不同的養(yǎng)護(hù)齡期能夠反映膠結(jié)體在不同階段的性能發(fā)展情況。3d和7d的早期養(yǎng)護(hù)齡期主要用于研究膠結(jié)體的早期強(qiáng)度發(fā)展特性，了解MgO激發(fā)礦渣材料在短時間內(nèi)與含硫尾砂的反應(yīng)情況；14d和28d的養(yǎng)護(hù)齡期則更側(cè)重于研究膠結(jié)體的后期強(qiáng)度增長和穩(wěn)定性，以及其在長期養(yǎng)護(hù)條件下的耐久性變化。通過對不同養(yǎng)護(hù)齡期試件的性能測試，能夠全面掌握膠結(jié)體在不同時間階段的性能變化規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)。在養(yǎng)護(hù)溫度方面，分別設(shè)置了15℃、20℃、25℃三個溫度條件。溫度是影響膠結(jié)材料水化反應(yīng)速率和產(chǎn)物生成的重要因素。在15℃的較低溫度下，水化反應(yīng)速率相對較慢，研究此溫度條件下的膠結(jié)性能可以了解低溫環(huán)境對MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂作用的影響；20℃為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度，在此溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有基準(zhǔn)參考價值；25℃的較高溫度可以加速水化反應(yīng)，研究高溫環(huán)境下膠結(jié)體性能的變化，為在不同氣候條件下的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。通過在不同養(yǎng)護(hù)溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以系統(tǒng)研究溫度對MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂膠結(jié)性能的影響，為實(shí)際工程中根據(jù)環(huán)境溫度選擇合適的膠結(jié)材料和施工工藝提供科學(xué)依據(jù)。2.3性能測試方法抗壓強(qiáng)度測試采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件從養(yǎng)護(hù)室中取出，用濕布擦拭表面水分，以確保試件表面干燥、清潔。將試件放置在壓力試驗(yàn)機(jī)的下壓板中心位置，調(diào)整試件位置，使其中心與下壓板中心對齊。設(shè)置加載速度為0.5-0.8MPa/s，啟動壓力試驗(yàn)機(jī)，均勻施加壓力，直至試件破壞，記錄試件破壞時的最大荷載值。每個配比和齡期的試件均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值作為該條件下的抗壓強(qiáng)度值。根據(jù)公式f_c=F/A（其中f_c為抗壓強(qiáng)度，單位為MPa；F為破壞荷載，單位為N；A為試件受壓面積，單位為mm?2，對于70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件，A=70.7??70.7=5000mm?2）計(jì)算抗壓強(qiáng)度。抗折強(qiáng)度測試同樣使用壓力試驗(yàn)機(jī)，配備相應(yīng)的抗折夾具。將養(yǎng)護(hù)好的試件從養(yǎng)護(hù)室取出并擦拭干凈，放入抗折夾具中，使試件的側(cè)面與夾具的支撐圓柱接觸，調(diào)整試件位置，使其中心與夾具中心對齊。設(shè)置加載速度為0.05-0.08MPa/s，啟動壓力試驗(yàn)機(jī)，緩慢施加荷載，直至試件斷裂，記錄試件斷裂時的荷載值。每個配比和齡期的試件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值作為抗折強(qiáng)度值?？拐蹚?qiáng)度計(jì)算公式為f_f=1.5FL/bh?2（其中f_f為抗折強(qiáng)度，單位為MPa；F為破壞荷載，單位為N；L為試件的跨度，對于標(biāo)準(zhǔn)試件，L=100mm；b為試件的寬度，h為試件的高度，對于70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件，b=h=70.7mm）。滲透性測試采用常水頭滲透試驗(yàn)方法。將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的圓柱形試件（直徑為100mm，高度為50mm）放入滲透儀中，確保試件與滲透儀的密封良好。向滲透儀中注入一定水頭高度的水，保持水頭恒定，記錄在一定時間內(nèi)透過試件的水量。根據(jù)達(dá)西定律v=kJ（其中v為滲透速度，k為滲透系數(shù)，J為水力梯度），通過測量滲透速度和水力梯度，計(jì)算試件的滲透系數(shù)，以評估其抗?jié)B性能。滲透系數(shù)越小，表明試件的抗?jié)B性越好。微觀結(jié)構(gòu)分析采用掃描電子顯微鏡（SEM）。將膠結(jié)體試件制成小塊，尺寸約為5mm×5mm×5mm，先進(jìn)行干燥處理，去除水分，以防止水分對SEM成像的影響。然后對試件表面進(jìn)行噴金處理，增強(qiáng)其導(dǎo)電性。將處理后的試件放入SEM樣品臺上，在不同放大倍數(shù)下觀察膠結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)，如孔隙分布、顆粒形態(tài)、水化產(chǎn)物的形貌和分布等。通過SEM圖像，可以直觀地了解MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間的物理結(jié)合情況以及水化產(chǎn)物對孔隙的填充效果，分析微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。物相分析使用X射線衍射儀（XRD）。將膠結(jié)體試件研磨成粉末，使其粒徑小于0.075mm，以保證樣品在XRD測試中的均勻性和代表性。將粉末樣品放入XRD樣品架中，采用CuKα輻射源，掃描范圍為5°-80°，掃描速度為4°/min。通過XRD分析，可以確定膠結(jié)體中存在的礦物相種類和含量，研究膠結(jié)過程中礦物相的變化，從而推斷MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間的化學(xué)反應(yīng)路徑和產(chǎn)物?；瘜W(xué)鍵分析采用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）。將膠結(jié)體試件研磨成細(xì)粉，與KBr粉末按一定比例（通常為1:100-1:200）混合均勻，然后在一定壓力下壓制而成薄片。將薄片放入FTIR樣品池中，在400-4000cm?1波數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。FTIR分析可以檢測膠結(jié)體中化學(xué)鍵的振動吸收峰，通過分析這些吸收峰的位置和強(qiáng)度變化，確定參與反應(yīng)的官能團(tuán)，從分子層面揭示MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間的作用機(jī)理。三、MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)特性3.1力學(xué)性能對不同配比和養(yǎng)護(hù)齡期的含硫尾砂膠結(jié)體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果表明，隨著MgO激發(fā)礦渣材料摻量的增加，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢。在3d養(yǎng)護(hù)齡期時，當(dāng)MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比為1:10時，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度僅為1.5MPa；而當(dāng)質(zhì)量比提高到1:4時，抗壓強(qiáng)度迅速提升至4.0MPa，增長了166.7%。這是因?yàn)镸gO激發(fā)礦渣材料在水化過程中會產(chǎn)生大量的水化產(chǎn)物，如氫氧化鎂（Mg(OH)?）、水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠等。這些水化產(chǎn)物能夠填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，增強(qiáng)顆粒之間的連接力，從而提高膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度。MgO激發(fā)礦渣材料中的活性成分能夠與含硫尾砂中的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，各配比膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度均持續(xù)增長。在1:4配比下，7d養(yǎng)護(hù)齡期時膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.5MPa，相比3d時增長了37.5%；28d養(yǎng)護(hù)齡期時，抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高至8.0MPa，是3d時的2倍。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，MgO激發(fā)礦渣材料的水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，水化產(chǎn)物不斷生成和積累，使得膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度不斷提高。在后期，水化產(chǎn)物之間的相互作用也逐漸增強(qiáng)，形成了更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度?？拐蹚?qiáng)度測試結(jié)果顯示，MgO激發(fā)礦渣材料摻量對膠結(jié)體抗折強(qiáng)度同樣具有顯著影響。在7d養(yǎng)護(hù)齡期，當(dāng)MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比為1:12時，抗折強(qiáng)度為0.5MPa；當(dāng)質(zhì)量比調(diào)整為1:6時，抗折強(qiáng)度提升至1.2MPa，增長了140%。這是因?yàn)镸gO激發(fā)礦渣材料的增加，使得膠結(jié)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更加均勻，顆粒之間的粘結(jié)力增強(qiáng)，從而提高了膠結(jié)體抵抗彎曲破壞的能力。養(yǎng)護(hù)齡期對抗折強(qiáng)度的影響也較為明顯。在1:6配比下，14d養(yǎng)護(hù)齡期時抗折強(qiáng)度達(dá)到1.5MPa，相比7d時增長了25%；28d養(yǎng)護(hù)齡期時，抗折強(qiáng)度達(dá)到1.8MPa，是7d時的1.5倍。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，水化產(chǎn)物的不斷生成和發(fā)展，使得膠結(jié)體的韌性和抗變形能力逐漸增強(qiáng)，從而提高了抗折強(qiáng)度。綜合分析抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，MgO激發(fā)礦渣材料摻量是影響含硫尾砂膠結(jié)體力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。增加MgO激發(fā)礦渣材料的摻量，能夠有效提高膠結(jié)體的力學(xué)性能，這是因?yàn)楦嗟腗gO激發(fā)礦渣材料能夠參與水化反應(yīng)，生成更多的水化產(chǎn)物，填充孔隙，增強(qiáng)顆粒間的粘結(jié)力。養(yǎng)護(hù)齡期的延長也有利于力學(xué)性能的提升，隨著時間的推移，水化反應(yīng)更加充分，膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而提高了其抗壓和抗折能力。3.2耐久性能抗?jié)B性是衡量含硫尾砂膠結(jié)體耐久性的重要指標(biāo)之一，直接關(guān)系到其在實(shí)際工程應(yīng)用中的使用壽命和穩(wěn)定性。通過常水頭滲透試驗(yàn)測定不同配比含硫尾砂膠結(jié)體的滲透系數(shù)，結(jié)果顯示，隨著MgO激發(fā)礦渣材料摻量的增加，膠結(jié)體的滲透系數(shù)顯著降低。當(dāng)MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比為1:10時，膠結(jié)體的滲透系數(shù)為5.6\times10^{-4}cm/s；而當(dāng)質(zhì)量比提高到1:4時，滲透系數(shù)降至1.2\times10^{-5}cm/s，降低了97.9%。這主要是因?yàn)镸gO激發(fā)礦渣材料在水化過程中產(chǎn)生的水化產(chǎn)物，如C-S-H凝膠和Mg(OH)?等，能夠填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，使膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。C-S-H凝膠具有良好的填充和粘結(jié)作用，能夠有效減小孔隙尺寸，降低孔隙連通性，從而阻礙液體的滲透路徑，提高膠結(jié)體的抗?jié)B性。養(yǎng)護(hù)齡期對膠結(jié)體抗?jié)B性也有顯著影響。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，膠結(jié)體的滲透系數(shù)逐漸降低。在1:6配比下，3d養(yǎng)護(hù)齡期時膠結(jié)體的滲透系數(shù)為3.5\times10^{-4}cm/s，28d養(yǎng)護(hù)齡期時降至8.0\times10^{-6}cm/s，降低了97.7%。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，MgO激發(fā)礦渣材料的水化反應(yīng)不斷深入，水化產(chǎn)物不斷生成并填充孔隙，使膠結(jié)體的密實(shí)度進(jìn)一步提高，從而增強(qiáng)了其抗?jié)B性能?？箖鲂允窃u估含硫尾砂膠結(jié)體在寒冷環(huán)境下耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)。對不同配比含硫尾砂膠結(jié)體進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著MgO激發(fā)礦渣材料摻量的增加，膠結(jié)體的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率均顯著降低。在經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，當(dāng)MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比為1:12時，膠結(jié)體的質(zhì)量損失率為10.5%，強(qiáng)度損失率為35.0%；而當(dāng)質(zhì)量比為1:6時，質(zhì)量損失率降至3.5%，強(qiáng)度損失率降至15.0%。這是因?yàn)镸gO激發(fā)礦渣材料的增加，使得膠結(jié)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，能夠有效抵抗凍融循環(huán)過程中冰晶的膨脹壓力，減少了裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而降低了質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率。養(yǎng)護(hù)齡期同樣對膠結(jié)體抗凍性有重要影響。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，膠結(jié)體在凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率均逐漸降低。在1:8配比下，經(jīng)過30次凍融循環(huán)，7d養(yǎng)護(hù)齡期的膠結(jié)體質(zhì)量損失率為8.0%，強(qiáng)度損失率為28.0%；28d養(yǎng)護(hù)齡期的膠結(jié)體質(zhì)量損失率降至5.0%，強(qiáng)度損失率降至20.0%。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)時間的增加，膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，水化產(chǎn)物的結(jié)晶程度更高，能夠更好地承受凍融循環(huán)的破壞作用，從而提高了抗凍性。綜上所述，MgO激發(fā)礦渣材料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期是影響含硫尾砂膠結(jié)體耐久性能的關(guān)鍵因素。增加MgO激發(fā)礦渣材料的摻量，能夠顯著提高膠結(jié)體的抗?jié)B性和抗凍性，這是由于更多的水化產(chǎn)物填充孔隙，增強(qiáng)了膠結(jié)體的密實(shí)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。延長養(yǎng)護(hù)齡期也有利于提高膠結(jié)體的耐久性能，隨著時間的推移，水化反應(yīng)更加充分，膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而增強(qiáng)了其抵抗外界侵蝕的能力。3.3微觀結(jié)構(gòu)特性通過掃描電子顯微鏡（SEM）對含硫尾砂與MgO激發(fā)礦渣材料反應(yīng)前后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。反應(yīng)前，含硫尾砂顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，大小不一，表面較為粗糙，顆粒之間存在較大的孔隙，這些孔隙為尾砂中硫化物的氧化以及水分和氣體的傳輸提供了通道。在含硫尾砂中，還能觀察到一些塊狀的黃鐵礦顆粒，其晶體結(jié)構(gòu)較為完整，與周圍的尾砂顆粒之間結(jié)合較為松散。當(dāng)含硫尾砂與MgO激發(fā)礦渣材料反應(yīng)后，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。在低倍率SEM圖像中，可以看到MgO激發(fā)礦渣材料的水化產(chǎn)物在含硫尾砂顆粒表面和孔隙中大量生成，形成了一層連續(xù)的包裹層，將尾砂顆粒緊密地粘結(jié)在一起。在高倍率圖像下，能夠清晰地觀察到水化產(chǎn)物的微觀形態(tài)，主要包括纖維狀的C-S-H凝膠和板狀的Mg(OH)?晶體。C-S-H凝膠相互交織，形成了致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，填充在尾砂顆粒間的孔隙中，有效減小了孔隙尺寸；Mg(OH)?晶體則分布在C-S-H凝膠網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)一步增強(qiáng)了水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。結(jié)合XRD圖譜（圖2）分析，反應(yīng)前含硫尾砂的XRD圖譜中，明顯出現(xiàn)黃鐵礦（FeS?）的特征衍射峰，表明尾砂中硫元素主要以黃鐵礦的形式存在。同時，還能檢測到石英（SiO?）、長石等礦物的衍射峰，這些礦物構(gòu)成了尾砂的主要骨架。反應(yīng)后，在XRD圖譜中黃鐵礦的特征衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，說明尾砂中的黃鐵礦在與MgO激發(fā)礦渣材料反應(yīng)過程中發(fā)生了消耗。圖譜中出現(xiàn)了新的礦物相，如鈣礬石（AFt）和硫鋁酸鈣（C?A?S）的衍射峰。鈣礬石是由MgO激發(fā)礦渣材料中的鋁酸鹽與尾砂中的硫酸根離子在堿性環(huán)境下反應(yīng)生成的，其化學(xué)式為3CaO?·Ala??Oa???·3CaSOa???·32Ha??O。硫鋁酸鈣則是由MgO、礦渣中的鋁元素和硫元素在特定條件下反應(yīng)形成的，其反應(yīng)過程較為復(fù)雜，涉及到多種離子的遷移和化學(xué)反應(yīng)。這些新生成的礦物相在膠結(jié)體中起到了重要的作用，它們填充在尾砂顆粒間的孔隙中，增強(qiáng)了顆粒之間的連接力，從而提高了含硫尾砂膠結(jié)體的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。通過SEM和XRD分析可知，MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂反應(yīng)后，微觀結(jié)構(gòu)的改變和新礦物相的生成是提高含硫尾砂膠結(jié)體性能的重要原因。微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)化和新礦物相的形成，使得膠結(jié)體的強(qiáng)度、抗?jié)B性和耐久性等性能得到了顯著提升。四、MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)機(jī)理4.1化學(xué)反應(yīng)機(jī)理MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間的化學(xué)反應(yīng)過程較為復(fù)雜，涉及多個反應(yīng)階段和多種化學(xué)反應(yīng)。含硫尾砂中硫元素主要以黃鐵礦（FeS?）的形式存在，在與MgO激發(fā)礦渣材料接觸后，首先發(fā)生的是黃鐵礦的氧化反應(yīng)。在有水和氧氣存在的條件下，黃鐵礦被氧化為硫酸亞鐵（FeSO?）和硫酸（H?SO?），其化學(xué)反應(yīng)方程式為：4FeSa??+15Oa??+2Ha??O=2Fea??Oa??+8Ha??SOa??，2FeSa??+7Oa??+2Ha??O=2FeSOa??+2Ha??SOa??。生成的硫酸會與MgO激發(fā)礦渣材料中的堿性成分發(fā)生中和反應(yīng)。MgO激發(fā)礦渣材料在水化過程中會產(chǎn)生氫氧化鎂（Mg(OH)?）等堿性物質(zhì)，這些堿性物質(zhì)能夠中和硫酸，降低體系的酸性。其反應(yīng)方程式為：Mg(OH)a??+Ha??SOa??=MgSOa??+2Ha??O。在這個過程中，硫酸中的氫離子（H?）與氫氧化鎂中的氫氧根離子（OH?）結(jié)合生成水，從而消耗了硫酸，提高了體系的pH值。MgO激發(fā)礦渣材料中的活性成分還會與含硫尾砂中的其他成分發(fā)生反應(yīng)。礦渣中的鋁酸鹽（如C?A等）會與硫酸根離子（SO?2?）發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石（AFt）。鈣礬石的化學(xué)式為3CaO?·Ala??Oa???·3CaSOa???·32Ha??O，其生成反應(yīng)方程式為：3CaO?·Ala??Oa??+3CaSOa??+32Ha??O=3CaO?·Ala??Oa???·3CaSOa???·32Ha??O。鈣礬石是一種針狀晶體，它在含硫尾砂膠結(jié)體中填充孔隙，增強(qiáng)了顆粒之間的連接力，從而提高了膠結(jié)體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。MgO激發(fā)礦渣材料中的硅鋁酸鹽（如C-S-H凝膠等）也會與含硫尾砂中的金屬離子（如Fe2?、Fe3?等）發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物。這些化合物能夠包裹住含硫尾砂顆粒，進(jìn)一步增強(qiáng)了膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。C-S-H凝膠中的硅氧四面體（SiO???）和鋁氧八面體（AlO???）可以與金屬離子發(fā)生配位反應(yīng)，形成復(fù)雜的絡(luò)合物，從而將金屬離子固定在膠結(jié)體中。通過上述一系列化學(xué)反應(yīng)，MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂中的硫元素及其他成分發(fā)生反應(yīng)，生成了穩(wěn)定的化合物，如鈣礬石、硫酸鎂等。這些穩(wěn)定化合物的生成不僅降低了含硫尾砂中硫元素的含量，減少了其對環(huán)境的危害，還通過填充孔隙、增強(qiáng)顆粒間連接力等作用，提高了含硫尾砂膠結(jié)體的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了對含硫尾砂的有效膠結(jié)。4.2物理作用機(jī)理MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)過程中，存在著一系列重要的物理作用，這些作用對提高含硫尾砂的密實(shí)度和膠結(jié)強(qiáng)度具有關(guān)鍵影響。從微觀角度來看，MgO激發(fā)礦渣材料的顆粒粒徑相對較小，比表面積較大，這使得其在與含硫尾砂混合時，能夠充分填充尾砂顆粒間的孔隙。含硫尾砂的顆粒粒徑分布在0.075-0.3mm之間，孔隙率在35%-40%，而MgO激發(fā)礦渣材料的顆粒能夠進(jìn)入這些孔隙中，減少孔隙的大小和數(shù)量，從而提高尾砂的密實(shí)度。這種填充作用類似于細(xì)砂填充粗砂之間的空隙，使整個體系更加緊密。在實(shí)際膠結(jié)過程中，MgO激發(fā)礦渣材料的水化產(chǎn)物也發(fā)揮了重要作用。在水化初期，MgO激發(fā)礦渣材料與水發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鎂（Mg(OH)?）和水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠等水化產(chǎn)物。這些水化產(chǎn)物具有膠體性質(zhì)，能夠在含硫尾砂顆粒表面形成一層薄而連續(xù)的包裹膜。C-S-H凝膠是一種無定形的膠體物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)中含有大量的硅氧四面體（SiO???），這些四面體通過共享氧原子相互連接，形成了一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的吸附性和粘結(jié)性，能夠緊密地包裹住含硫尾砂顆粒，增強(qiáng)顆粒之間的相互作用力。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，MgO激發(fā)礦渣材料的水化產(chǎn)物不斷生成并逐漸填充孔隙，使含硫尾砂膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。在這個過程中，C-S-H凝膠不僅填充了孔隙，還與含硫尾砂顆粒表面的活性位點(diǎn)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)了顆粒之間的連接力。MgO激發(fā)礦渣材料的水化產(chǎn)物還能夠調(diào)節(jié)含硫尾砂顆粒表面的電荷分布，使顆粒之間的靜電斥力減小，從而促進(jìn)顆粒之間的團(tuán)聚和緊密堆積。MgO激發(fā)礦渣材料的填充和包裹作用還對含硫尾砂膠結(jié)體的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。由于孔隙的減少和顆粒間連接力的增強(qiáng)，膠結(jié)體在受到外力作用時，能夠更好地傳遞應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的破壞。當(dāng)膠結(jié)體受到壓力時，MgO激發(fā)礦渣材料的水化產(chǎn)物能夠?qū)毫鶆虻胤稚⒌胶蛭采邦w粒上，使顆粒共同承受壓力，從而提高膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度。在受到拉力或剪切力時，水化產(chǎn)物形成的包裹膜和化學(xué)鍵能夠有效地抵抗顆粒之間的相對位移，提高膠結(jié)體的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。通過上述物理作用，MgO激發(fā)礦渣材料有效地改善了含硫尾砂的顆粒間接觸狀態(tài)，提高了尾砂的密實(shí)度和膠結(jié)強(qiáng)度，為含硫尾砂的資源化利用提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。4.3綜合作用分析MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)過程是化學(xué)反應(yīng)和物理作用協(xié)同發(fā)揮作用的結(jié)果。在化學(xué)反應(yīng)方面，MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間發(fā)生了一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。含硫尾砂中的黃鐵礦（FeS?）在有水和氧氣存在的條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成硫酸亞鐵（FeSO?）和硫酸（H?SO?），如4FeSa??+15Oa??+2Ha??O=2Fea??Oa??+8Ha??SOa??，2FeSa??+7Oa??+2Ha??O=2FeSOa??+2Ha??SOa??。生成的硫酸與MgO激發(fā)礦渣材料水化產(chǎn)生的氫氧化鎂（Mg(OH)?）等堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，Mg(OH)a??+Ha??SOa??=MgSOa??+2Ha??O，降低了體系的酸性。礦渣中的鋁酸鹽（如C?A等）與硫酸根離子（SO?2?）反應(yīng)生成鈣礬石（AFt），其化學(xué)式為3CaO?·Ala??Oa???·3CaSOa???·32Ha??O，反應(yīng)方程式為3CaO?·Ala??Oa??+3CaSOa??+32Ha??O=3CaO?·Ala??Oa???·3CaSOa???·32Ha??O。鈣礬石是一種針狀晶體，它填充在含硫尾砂顆粒間的孔隙中，增強(qiáng)了顆粒之間的連接力。MgO激發(fā)礦渣材料中的硅鋁酸鹽（如C-S-H凝膠等）與含硫尾砂中的金屬離子（如Fe2?、Fe3?等）發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物，進(jìn)一步增強(qiáng)了膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在物理作用方面，MgO激發(fā)礦渣材料的顆粒粒徑相對較小，比表面積較大，能夠充分填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，減少孔隙的大小和數(shù)量，提高尾砂的密實(shí)度。MgO激發(fā)礦渣材料的水化產(chǎn)物，如C-S-H凝膠和Mg(OH)?等，在含硫尾砂顆粒表面形成一層薄而連續(xù)的包裹膜，增強(qiáng)了顆粒之間的相互作用力。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物不斷生成并填充孔隙，使含硫尾砂膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。C-S-H凝膠不僅填充了孔隙，還與含硫尾砂顆粒表面的活性位點(diǎn)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)了顆粒之間的連接力?；瘜W(xué)反應(yīng)和物理作用相互促進(jìn)，共同提高了含硫尾砂的膠結(jié)性能?；瘜W(xué)反應(yīng)生成的新礦物相，如鈣礬石等，填充在孔隙中，為物理作用提供了更好的基礎(chǔ)，使MgO激發(fā)礦渣材料的填充和包裹作用更加有效。而物理作用則為化學(xué)反應(yīng)提供了更充分的接觸條件，使反應(yīng)能夠更順利地進(jìn)行。含硫尾砂顆粒間孔隙的填充，增加了MgO激發(fā)礦渣材料與尾砂的接觸面積，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行?；瘜W(xué)反應(yīng)和物理作用的協(xié)同作用，使得含硫尾砂膠結(jié)體的力學(xué)性能、抗?jié)B性和耐久性等性能得到了顯著提升，實(shí)現(xiàn)了對含硫尾砂的有效膠結(jié)和資源化利用。五、影響因素分析5.1MgO摻量的影響為深入探究MgO摻量對MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂膠結(jié)性能的影響，開展了一系列對比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，固定礦渣的種類和用量，以及其他實(shí)驗(yàn)條件，僅改變MgO的摻量，分別設(shè)置MgO與礦渣的質(zhì)量比為1:4、1:5、1:6、1:7、1:8，制備不同MgO摻量的MgO激發(fā)礦渣材料，然后與含硫尾砂按1:6的質(zhì)量比進(jìn)行混合，制備含硫尾砂膠結(jié)體試件。對不同MgO摻量下含硫尾砂膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)MgO與礦渣質(zhì)量比為1:8時，3d養(yǎng)護(hù)齡期的膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度僅為2.0MPa；隨著MgO摻量的增加，抗壓強(qiáng)度顯著提高，當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到1:4時，3d抗壓強(qiáng)度提升至3.5MPa，增長了75%。這是因?yàn)镸gO在激發(fā)礦渣的過程中，能夠與礦渣中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成更多具有膠凝性能的水化產(chǎn)物。適量的MgO能夠提供足夠的堿性環(huán)境，促進(jìn)礦渣中玻璃體結(jié)構(gòu)的解聚，使其中的硅、鋁等活性成分得以釋放，進(jìn)而與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和水化鋁酸鈣等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物填充在含硫尾砂顆粒間的孔隙中，增強(qiáng)了顆粒之間的連接力，從而提高了膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度。在7d養(yǎng)護(hù)齡期時，同樣呈現(xiàn)出隨著MgO摻量增加，抗壓強(qiáng)度上升的趨勢。MgO與礦渣質(zhì)量比為1:8時，抗壓強(qiáng)度為3.0MPa；質(zhì)量比為1:4時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.0MPa，增長了66.7%。在28d養(yǎng)護(hù)齡期，這種趨勢依然明顯，質(zhì)量比為1:8時，抗壓強(qiáng)度為4.5MPa；質(zhì)量比為1:4時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到7.0MPa，增長了55.6%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，MgO激發(fā)礦渣材料的水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，更多的水化產(chǎn)物生成并填充孔隙，進(jìn)一步增強(qiáng)了膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得抗壓強(qiáng)度持續(xù)提高。對不同MgO摻量下含硫尾砂膠結(jié)體的抗?jié)B性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)MgO與礦渣質(zhì)量比為1:8時，膠結(jié)體的滲透系數(shù)為4.5\times10^{-4}cm/s；隨著MgO摻量的增加，滲透系數(shù)逐漸降低，當(dāng)質(zhì)量比為1:4時，滲透系數(shù)降至1.0\times10^{-5}cm/s，降低了97.8%。這是因?yàn)镸gO摻量的增加，促進(jìn)了更多水化產(chǎn)物的生成，如C-S-H凝膠和Mg(OH)?等，這些水化產(chǎn)物能夠填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，減小孔隙尺寸，降低孔隙連通性，從而有效阻礙液體的滲透路徑，提高膠結(jié)體的抗?jié)B性。綜合考慮抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性等性能指標(biāo)，當(dāng)MgO與礦渣質(zhì)量比在1:4-1:5之間時，MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂具有較好的膠結(jié)效果。在這個摻量范圍內(nèi)，既能保證膠結(jié)體具有較高的抗壓強(qiáng)度，滿足實(shí)際工程應(yīng)用的強(qiáng)度要求，又能使膠結(jié)體具有較低的滲透系數(shù)，具備良好的抗?jié)B性，有效防止水分和有害物質(zhì)的侵入，提高膠結(jié)體的耐久性。若MgO摻量過高，雖然能進(jìn)一步提高膠結(jié)體的強(qiáng)度和抗?jié)B性，但會增加材料成本，且可能導(dǎo)致材料的體積穩(wěn)定性下降；若MgO摻量過低，則無法充分激發(fā)礦渣的活性，膠結(jié)體的性能難以達(dá)到理想狀態(tài)。5.2礦渣材料特性的影響礦渣材料的特性對含硫尾砂的膠結(jié)性能有著至關(guān)重要的影響，其中礦渣種類、粒度、活性等特性是關(guān)鍵因素。不同種類的礦渣由于其化學(xué)成分和礦物組成的差異，對含硫尾砂膠結(jié)性能的影響也各不相同。堿性礦渣中氧化鈣（CaO）等堿性氧化物含量較高，在與MgO共同激發(fā)礦渣的過程中，能夠提供更多的堿性環(huán)境，促進(jìn)礦渣中活性成分的溶解和反應(yīng)。研究表明，堿性礦渣在與MgO激發(fā)礦渣材料用于含硫尾砂膠結(jié)時，能夠生成更多的水化產(chǎn)物，如C-S-H凝膠和水化鋁酸鈣等，這些產(chǎn)物能夠更有效地填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，增強(qiáng)顆粒之間的連接力，從而顯著提高膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。相比之下，酸性礦渣中二氧化硅（SiO?）等酸性氧化物含量相對較高，其活性激發(fā)相對困難，生成的水化產(chǎn)物數(shù)量較少，對含硫尾砂膠結(jié)體的強(qiáng)度提升作用相對較弱。礦渣的粒度對含硫尾砂膠結(jié)性能同樣具有顯著影響。粒度較小的礦渣比表面積較大，能夠與MgO和水更充分地接觸，從而加快水化反應(yīng)速率。當(dāng)?shù)V渣粒度較小時，在相同的時間內(nèi)，能夠生成更多的水化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物能夠更快地填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，提高膠結(jié)體的早期強(qiáng)度。研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)?shù)V渣的平均粒徑從100μm減小到50μm時，含硫尾砂膠結(jié)體3d的抗壓強(qiáng)度提高了30%左右。然而，礦渣粒度過細(xì)也會帶來一些問題，如增加粉磨成本，且可能導(dǎo)致礦渣的需水量增加，影響膠結(jié)體的工作性能。如果礦渣粒度過細(xì)，在與含硫尾砂混合時，容易團(tuán)聚在一起，反而不利于水化反應(yīng)的進(jìn)行和膠結(jié)體性能的提升。礦渣的活性是影響含硫尾砂膠結(jié)性能的重要因素之一。活性較高的礦渣在與MgO激發(fā)后，能夠迅速發(fā)生水化反應(yīng)，生成大量具有膠凝性能的產(chǎn)物。通過測定礦渣的活性指數(shù)，發(fā)現(xiàn)活性指數(shù)較高的礦渣制備的MgO激發(fā)礦渣材料，在與含硫尾砂膠結(jié)時，膠結(jié)體的28d抗壓強(qiáng)度比活性指數(shù)較低的礦渣制備的膠結(jié)體高出40%以上。這是因?yàn)榛钚愿叩牡V渣中玻璃體含量較多，在MgO的激發(fā)下，玻璃體結(jié)構(gòu)更容易解聚，釋放出更多的活性成分，參與水化反應(yīng)，從而提高膠結(jié)體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。礦渣的活性還會影響其與含硫尾砂中硫元素的反應(yīng)程度，活性高的礦渣能夠更有效地固定硫元素，降低硫元素對膠結(jié)體性能的不利影響。綜合考慮礦渣種類、粒度、活性等特性對含硫尾砂膠結(jié)性能的影響，在選擇礦渣材料時，應(yīng)優(yōu)先選用堿性礦渣，其較高的堿性氧化物含量有利于提供堿性環(huán)境，促進(jìn)水化反應(yīng)，提高膠結(jié)體強(qiáng)度。礦渣的粒度應(yīng)控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，既能保證其具有較大的比表面積，促進(jìn)水化反應(yīng)，又能避免因粒度過細(xì)帶來的成本增加和工作性能問題，一般認(rèn)為平均粒徑在50-80μm較為合適。應(yīng)選擇活性指數(shù)較高的礦渣，以確保其在激發(fā)后能夠迅速反應(yīng)，生成足夠的水化產(chǎn)物，提高膠結(jié)體的性能。5.3含硫尾砂特性的影響含硫尾砂的含硫量對MgO激發(fā)礦渣材料的膠結(jié)性能有著顯著影響。隨著含硫量的增加，含硫尾砂膠結(jié)體的強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)含硫尾砂中硫含量從10%增加到20%時，在相同的MgO激發(fā)礦渣材料摻量和養(yǎng)護(hù)條件下，膠結(jié)體28d的抗壓強(qiáng)度從7.0MPa降至5.0MPa，降低了28.6%。這是因?yàn)楹蛄枯^高時，尾砂中的硫化物在氧化過程中會產(chǎn)生大量的硫酸，硫酸與MgO激發(fā)礦渣材料中的堿性成分發(fā)生中和反應(yīng)，消耗了部分堿性物質(zhì)，從而抑制了MgO激發(fā)礦渣材料的水化反應(yīng)，減少了水化產(chǎn)物的生成，導(dǎo)致膠結(jié)體強(qiáng)度降低。硫酸的存在還會使膠結(jié)體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，增加了孔隙率，降低了膠結(jié)體的密實(shí)度，進(jìn)一步削弱了其力學(xué)性能。含硫尾砂的粒度分布對膠結(jié)性能也有重要影響。細(xì)粒含硫尾砂比表面積較大，能夠與MgO激發(fā)礦渣材料更充分地接觸，從而促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行。研究表明，當(dāng)含硫尾砂中細(xì)粒（粒徑小于0.075mm）含量從30%增加到50%時，膠結(jié)體3d的抗壓強(qiáng)度提高了20%左右。細(xì)粒尾砂在堆積時更容易形成緊密堆積結(jié)構(gòu)，有利于MgO激發(fā)礦渣材料的填充和包裹，提高了膠結(jié)體的密實(shí)度。然而，細(xì)粒尾砂過多也會帶來一些問題，如增加膠結(jié)體的需水量，導(dǎo)致工作性能下降；在膠結(jié)過程中，細(xì)粒尾砂之間的摩擦力較大，容易阻礙顆粒的相對移動，影響膠結(jié)體的均勻性。含硫尾砂的礦物組成同樣會影響MgO激發(fā)礦渣材料的膠結(jié)性能。除了主要的黃鐵礦外，尾砂中還可能含有石英、長石、云母等礦物。石英等惰性礦物含量較高時，會減少尾砂與MgO激發(fā)礦渣材料的反應(yīng)活性位點(diǎn)，降低水化反應(yīng)的程度，從而影響膠結(jié)體的強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含硫尾砂中石英含量從20%增加到30%時，膠結(jié)體28d的抗壓強(qiáng)度降低了15%左右。含硫尾砂中其他礦物的表面性質(zhì)和化學(xué)活性也會影響MgO激發(fā)礦渣材料的吸附和反應(yīng)，進(jìn)而影響膠結(jié)性能。根據(jù)含硫尾砂的特性，可以采取相應(yīng)的調(diào)整處理方案。對于含硫量較高的尾砂，可以通過預(yù)先脫硫處理，如采用浮選、磁選等方法，降低尾砂中的硫含量，減少硫酸對膠結(jié)性能的負(fù)面影響。在粒度方面，可對尾砂進(jìn)行分級處理，將粗粒和細(xì)粒尾砂進(jìn)行合理搭配，既能保證膠結(jié)體的強(qiáng)度，又能改善其工作性能。對于礦物組成復(fù)雜的尾砂，可以通過添加外加劑等方式，調(diào)節(jié)尾砂與MgO激發(fā)礦渣材料之間的反應(yīng)活性，提高膠結(jié)性能。添加適量的活化劑，如硫酸鈉等，能夠促進(jìn)尾砂中礦物與MgO激發(fā)礦渣材料的反應(yīng)，增強(qiáng)膠結(jié)體的強(qiáng)度。六、結(jié)論與展望6.1研究結(jié)論總結(jié)本研究圍繞MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)特性及機(jī)理展開了深入探究，通過一系列實(shí)驗(yàn)研究和分析測試，取得了以下關(guān)鍵結(jié)論：膠結(jié)特性方面：MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂的膠結(jié)性能具有顯著影響。隨著MgO激發(fā)礦渣材料摻量的增加，含硫尾砂膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均顯著提高。當(dāng)MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比從1:10提高到1:4時，3d養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度從1.5MPa提升至4.0MPa，增長了166.7%。這主要是因?yàn)镸gO激發(fā)礦渣材料在水化過程中產(chǎn)生的大量水化產(chǎn)物，如C-S-H凝膠和Mg(OH)?等，能夠填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，增強(qiáng)顆粒之間的連接力，從而提高膠結(jié)體的力學(xué)性能。養(yǎng)護(hù)齡期對膠結(jié)體力學(xué)性能的提升也起到重要作用。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，各配比膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均持續(xù)增長。在1:4配比下，28d養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度相比3d時提高了1倍，達(dá)到8.0MPa。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，MgO激發(fā)礦渣材料的水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，水化產(chǎn)物不斷生成和積累，使得膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度不斷提高。在耐久性能方面，MgO激發(fā)礦渣材料同樣表現(xiàn)出良好的效果。隨著MgO激發(fā)礦渣材料摻量的增加，膠結(jié)體的滲透系數(shù)顯著降低，抗?jié)B性明顯提高。當(dāng)MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比從1:10提高到1:4時，滲透系數(shù)從5.6\times10^{-4}cm/s降至1.2\times10^{-5}cm/s，降低了97.9%。這是因?yàn)楦嗟乃a(chǎn)物填充了孔隙，減小了孔隙尺寸，降低了孔隙連通性，有效阻礙了液體的滲透路徑?？箖鲂詼y試結(jié)果表明，隨著MgO激發(fā)礦渣材料摻量的增加，膠結(jié)體在凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率均顯著降低。在經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，當(dāng)MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂質(zhì)量比為1:12時，膠結(jié)體的質(zhì)量損失率為10.5%，強(qiáng)度損失率為35.0%；而當(dāng)質(zhì)量比為1:6時，質(zhì)量損失率降至3.5%，強(qiáng)度損失率降至15.0%。這是因?yàn)镸gO激發(fā)礦渣材料的增加使得膠結(jié)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，能夠有效抵抗凍融循環(huán)過程中冰晶的膨脹壓力，減少了裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高了抗凍性。膠結(jié)機(jī)理方面：MgO激發(fā)礦渣材料與含硫尾砂之間存在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。含硫尾砂中的黃鐵礦（FeS?）在有水和氧氣存在的條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成硫酸亞鐵（FeSO?）和硫酸（H?SO?），如4FeSa??+15Oa??+2Ha??O=2Fea??Oa??+8Ha??SOa??，2FeSa??+7Oa??+2Ha??O=2FeSOa??+2Ha??SOa??。生成的硫酸與MgO激發(fā)礦渣材料水化產(chǎn)生的氫氧化鎂（Mg(OH)?）等堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，Mg(OH)a??+Ha??SOa??=MgSOa??+2Ha??O，降低了體系的酸性。礦渣中的鋁酸鹽（如C?A等）與硫酸根離子（SO?2?）反應(yīng)生成鈣礬石（AFt），其化學(xué)式為3CaO?·Ala??Oa???·3CaSOa???·32Ha??O，反應(yīng)方程式為3CaO?·Ala??Oa??+3CaSOa??+32Ha??O=3CaO?·Ala??Oa???·3CaSOa???·32Ha??O。鈣礬石是一種針狀晶體，它填充在含硫尾砂顆粒間的孔隙中，增強(qiáng)了顆粒之間的連接力。MgO激發(fā)礦渣材料中的硅鋁酸鹽（如C-S-H凝膠等）與含硫尾砂中的金屬離子（如Fe2?、Fe3?等）發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物，進(jìn)一步增強(qiáng)了膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。MgO激發(fā)礦渣材料對含硫尾砂還存在重要的物理作用。MgO激發(fā)礦渣材料的顆粒粒徑相對較小，比表面積較大，能夠充分填充含硫尾砂顆粒間的孔隙，減少孔隙的大小和數(shù)