含硫酸盐废水对磷石膏胶结充填体材料性能的影响

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2024.03.168

摘要/Abstract

摘要：

鉴于矿山废水处理工艺具有一定的局限性，且磷石膏充填工艺需要消耗大量的水资源，将矿山含硫酸盐废水作为磷石膏充填用水并探讨其可行性。结果表明：废水中的硫酸盐能够促进磷石膏充填体的早期水化反应，进而提升充填体早期强度。当浓度从0增加至30 000 mg/L时，充填体7 d强度由0.46 MPa升高至0.63 MPa，提高了37%；14 d强度由0.64 MPa升高至1.03 MPa，提高了61%。这主要跟水化产物钙矾石（AFt）和水化硅酸钙（C-S-H）的形成有关；但随着养护时间的增长，充填体28，60，90 d强度均在硫酸盐浓度为15 000 mg/L时达到最高。过量的会干扰水化硬化过程，充填体后期强度因受到钙矾石的膨胀特性以及Na₂SO₄重结晶等影响而出现下降。研究结果可为矿山废水治理和磷石膏充填工艺优化提供新思路。

关键词: 环境影响, 硫酸盐废水, 磷石膏, 水化反应, 胶结充填, 抗压强度

Abstract:

Based on the limitation of mine wastewater treatment process and the large demand for water resources in phosphogypsum backfill process，the feasibility of using sulfate-containing mine wastewater as phosphogypsum backfill water was discussed.Results show that the sulfate present in the wastewater promoted the early hydration of the phosphogypsum-based cemented paste backfill，consequently enhancing its early strength.Specifically，as the sulfate concentration increased from 0 to 30 000 mg/L，the 7-day strength of the backfill samples increased from 0.46 MPa to 0.63 MPa，representing a 37% increase.The 14-day strength also exhibited a significant increase from 0.64 MPa to 1.03 MPa，indicating a 61% increase.This can mainly be attributed to the formation of hydration products such as ettringite and C-S-H.However，with the increase of the curing time，the 28-day，60-day，and 90-day strength of the backfill samples reach the highest values at a sulfate concentration of 15 000 mg/L.Excess sulfate ions can interfere with the hydration and hardening processes，and the long-term strength of the backfill is affected by the expansion caused by AFt and the recrystallization of Na₂SO₄ and other influences，resulting in a decrease in the strength of backfill samples.The results can provide a new insight into mine wastewater treatment and phosphogypsum-based cemented paste backfill technology.

Key words: environmental impact, sulfate-containing wastewater, phosphogypsum, hydration reaction, cemen-ted backfill, compressive strength

中图分类号:

TD803

石英, 聂锐洋, 周诗彤, 陆思成, 卿子萱. 含硫酸盐废水对磷石膏胶结充填体材料性能的影响[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(3): 416-424.

Ying SHI, Ruiyang NIE, Shitong ZHOU, Sicheng LU, Zixuan QING. Effect of Sulfate-Containing Wastewater on the Properties of Phosphogypsum-Based Cemented Paste Backfill[J]. Gold Science and Technology, 2024, 32(3): 416-424.

图/表 9

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参考文献 0

	Baldermann A， Rezvani M， Proske T，et al，2018.Effect of very high limestone content and quality on the sulfate resistance of blended cements［J］.Construction and Building Materials，188：1065-1076.
	Bisone S， Gautier M， Chatain V，et al，2017.Spatial distribution and leaching behavior of pollutants from phosphogypsum stocked in a gypstack：Geochemical characterization and modeling［J］.Journal of Environmental Management，193：567.DOI：10.1016/j.jenvman.2017.02.055 . doi: 10.1016/j.jenvman.2017.02.055
	Cheng Haiyong， Wu Aixiang， Wu Shunchuan，et al，2022.Research status and development trend of soild waste backfill in metal mines［J］.Chinese Journal of Engineering，44（1）：11-25.
	Fall M， Pokharel M，2010.Coupled effects of sulphate and temperature on the strength development of cemented tailings backfills：Portland cement-paste backfill［J］.Cement and Concrete Composites，32（10）：819-828.
	Fu J Y， Jones A M， Bligh M，et al，2020.Mechanisms of enhancement in early hydration by sodium sulfate in a slag-cement blend—Insights from pore solution chemistry［J］.Cement and Concrete Research，135：106110.DOI：10.1016/j.cemconres.2020.106110 . doi: 10.1016/j.cemconres.2020.106110
	Guan W， Zhao X，2016.Fluoride recovery using porous calcium silicate hydrates via spontaneous Ca²⁺ and OH^- release［J］.Separation and Purification Technology，165：71-77.
	Long Hai， Bao Rongtao， Tan Shilin，et al，2023.Experimental study on the mechanical properties of layered tailing sand cemented backfill and optimization［J］.Gold Science and Technology，31（5）：763-772.
	Jiao J W， Shen X P， Ding H，et al，2022.Study on the hydration and properties of multiphase phosphogypsum synergistically activated by sodium sulfate and calcium sulfate whisker［J］.Construction and Building Materials，355：129225.DOI：10.1016/j.conbuildmat.2022.129225 . doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129225
	Komljenović M M， Baščarević Z， Marjanović N，et al，2012.Decalcification resistance of alkali-activated slag［J］.Journal of Hazardous Materials，233/234：112-121.DOI：10.1016/j.jhazmat.2012.06.063 . doi: 10.1016/j.jhazmat.2012.06.063
	Li W， Fall M，2016.Sulphate effect on the early age strength and self-desiccation of cemented paste backfill［J］.Construction and Building Materials，106：296-304.
	Li X B， Zhou Y N， Shi Y，et al，2023.Fluoride immobilization and release in cemented PG backfill and its influence on the environment［J］.Science of the Total Environment，869：161548.
	Li Xibing， Liu Bing， Yao Jinrui，et al，2018.Theory and practice of green mine backfill with whole phosphate waste［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，28（9）：1845-1865.
	Li Yifan， Zhang Jianming， Deng Fei，et al，2005.Experimental study on strength characteristics of tailings cement backfilling at deep-seated mined-out area［J］.Rock and Soil Mechanics，（6）：865-868.
	Liu Yefan， Shi Ying，2022.Study on dynamic mechanical characteristics of phosphogypsum cemented filling body［J］.Gold Science and Technology，30（4）：574-584.
	Millán-Becerro R， Pérez-López R， Macías F，et al，2019.Assessment of metals mobility during the alkaline treatment of highly acid phosphogypsum leachates［J］.Science of the Total Environment，660：395-405.
	Najjar M F， Nehdi M L， Soliman A M，et al，2017.Damage mechanisms of two-stage concrete exposed to chemical and physical sulfate attack［J］.Construction and Building Materials，137：141-152.
	Pokharel M， Fall M，2013.Combined influence of sulphate and temperature on the saturated hydraulic conductivity of hardened cemented paste backfill［J］.Cement and Concrete Composites，38：21-28.
	Rashad A M，2017.Phosphogypsum as a construction material［J］.Journal of Cleaner Production，166：732-743.
	Ren T Y， Xi R， Yang J K，2017.Influence of autoclaved pretreatment on the properties of phosphogypsum-based composite binders［J］.IOP Conference Series Earth and Environmental Science，81（1）：12-15.
	Song Libo，2020.Composition Feature of Microbial Communities in Acid Mine Drainage from Yangquan Mining Area and Its Impact on Water Quality Downstream［D］.Taiyuan：Shanxi University.
	Sugiyama D，2008.Chemical alteration of calcium silicate hydrate （C-S-H） in sodium chloride solution［J］.Cement and Concrete Research，38（11）：1270-1275.
	Wang J J， Wang Y L， Yu J，et al，2022.Effects of sodium sulfate and potassium sulfate on the properties of calcium sulfoaluminate （CSA） cement based grouting materials［J］.Construction and Building Materials，353：129045..
	Wang Xiaoqing， Feng Qiyan， Gong Min，et al，2022.Research pro-gress on treatment methods of wastewater with high sulfate mines［J］.Applied Chemical Industry，51（8）：2355-2361.
	Wu S， Yao X L， Ren C Z，et al，2020.Recycling phosphogypsum as a sole calcium oxide source in calcium sulfoaluminate cement and its environmental effects［J］.Journal of Environmental Management，271：110986.DOI：10.1016/j.jenvman.2020.110986 . doi: 10.1016/j.jenvman.2020.110986
	Xia Liangliang， Wang Ling， Yang Guohua，et al，2023.Research progress on leaching of rare earth element from phosphogypsum［J］.Metal Mine，52（2）：126-134.
	Xu Jinhui， Shao Longyi， Hou Haihai，et al，2023.Review of environmental impact of comprehensive utilization of phosphogypsum［J］.Journal of Mining Science and Technology，8（1）：115-126.
	Yang Haoqi， Wu Fade， Zhu Ganyu，et al，2023.The effect and mechanism of natural aging procedure on the physicochemical properties of phosphogypsum［J］.New Building Materials，50（5）：99-105.
	Ye Limei， Li Changliang，2016.Assessment on the underground water quality of Lingtai mining area in Gansu Province［J］.Shaanxi Coal，35（6）：27-30.
	Yelatontsev D， Mukhachev A，2021.Utilizing of sunflower ash in the wet conversion of phosphogypsum—A comparative study［J］.Environmental Challenges，5：100241.DOI：10.1016/j.envc.2021.100241 . doi: 10.1016/j.envc.2021.100241
	Zheng Lei， Chen Hongkun， Wang Huaili，et al，2017.Comprehensive utilization status and development suggestions of phosphogypsum in China［J］.Phosphate & Compound Fertilizer，32（3）：33-35.
	Zhou S T， Li X B， Zhou Y N，et al，2020.Effect of phosphorus on the properties of phosphogypsum-based cemented backfill［J］.Journal of Hazardous Materials，399：122993..
	Zhou X S， Lin X， Huo M J，et al，1996.The hydration of saline oil-well cement［J］.Cement and Concrete Research，26（12）：1753-1759.
	Zhu Gengjie， Zhu Wancheng， Qi Zhaojun，et al，2023.Step optimization of a solid waste-based binder for backfill and a study on hydration and cementation mechanism［J］.Chinese Journal of Engineering，45（8）：1304-1315.
	Zong Weiqin， Zhao Baofeng，2023.Groundwater chemical characteristics and forming reasons of Yuanyanghu mining area［J］.Safety in Coal Mines，54（8）：161-167.
	程海勇，吴爱祥，吴顺川，等，2022.金属矿山固废充填研究现状与发展趋势［J］.工程科学学报，44（1）：11-25.
	海龙，鲍荣涛，谭世林，等，2023.分层尾砂胶结充填体力学特性及优化试验研究［J］.黄金科学技术，31（5）：763-772.
	李夕兵，刘冰，姚金蕊，等，2018.全磷废料绿色充填理论与实践［J］.中国有色金属学报，28（9）：1845-1865.
	李一帆，张建明，邓飞，等，2005.深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究［J］.岩土力学，（6）：865-868.
	刘业繁，石英，2022.磷石膏胶结充填体动态力学特性研究［J］.黄金科学技术，30（4）：574-584.
	宋立博，2020.阳泉矿区酸性矿水微生物群落特点及对下游水质影响分析［D］.太原：山西大学.
	王晓青，冯启言，宫敏，等，2022.高硫酸盐矿山废水的处理方法研究进展［J］.应用化工，51（8）：2355-2361.
	夏亮亮，王玲，杨国华，等，2023.磷石膏中稀土元素溶解浸出研究进展［J］.金属矿山，52（2）：126-134.
	许金辉，邵龙义，侯海海，等，2023.磷石膏综合利用背景下的环境影响研究现状［J］.矿业科学学报，8（1）：115-126.
	杨皓奇，武发德，朱干宇，等，2023.天然陈化对磷石膏理化性质的影响及作用机理研究［J］.新型建筑材料，50（5）：99-105.
	冶丽梅，李常亮，2016.基于新旧规范的甘肃灵台矿区地下水水质评价［J］.陕西煤炭，35（6）：27-30.
	郑磊，陈宏坤，王怀利，等，2017.我国磷石膏综合利用现状与发展建议［J］.磷肥与复肥，32（3）：33-35.
	朱庚杰，朱万成，齐兆军，等，2023.固废基充填胶凝材料配比分步优化及其水化胶结机理［J］.工程科学学报，45（8）：1304-1315.
	宗伟琴，赵宝峰，2023.鸳鸯湖矿区地下水化学特征与成因分析［J］.煤矿安全，54（8）：161-167.

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化学成分	磷石膏/%	胶凝剂/%
SO₃	55.00	5.40
CaO	37.69	51.44
P₂O₅	2.61	1.58
SiO₂	1.76	23.31
F	1.40	1.00
Al₂O₃	0.47	4.97
MgO	0.41	1.70
Fe₂O₃	0.25	2.60
K₂O	0.05	0.97

[1]	虞云林,侯克鹏,杨八九,程涌,卢泰宏,张楠楠. 云锡高峰山矿段矿柱回采方案研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(3): 445-457.
[2]	海龙, 鲍荣涛, 谭世林, 房祥龙. 分层尾砂胶结充填体力学特性及优化试验研究[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(5): 763-772.
[3]	陆思成, 黄仁东, 石英. 黄金尾矿两种无害化处理方案生命周期评价[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(5): 845-855.
[4]	苏华友,王永定,谭宝会,龙卫国,杨宁,张志贵,陈星明. 大面积胶结充填体诱导冒落机理及其发展过程研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(5): 713-723.
[5]	刘业繁,石英. 磷石膏胶结充填体动态力学特性研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(4): 574-584.
[6]	徐先锋,邢鹏飞,汪泳,王岁红. 基于L型回弹仪的岩石力学特性试验研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(4): 550-558.
[7]	何建元,李宏业,高谦,尹升华. 采矿废石—尾砂混合骨料在下向分层进路胶结充填采矿中应用的试验研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(4): 564-572.
[8]	赵鑫,海龙,徐博,程同俊. 电厂灰渣制备井下膏体充填材料试验研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(4): 582-592.
[9]	海龙,徐博,赵鑫. 建筑垃圾制备膏体充填材料骨料级配优化[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(4): 573-581.
[10]	黄仁东,李哲. 基于正交试验的细尾砂—分级尾砂充填体强度研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(2): 256-265.
[11]	郭利杰, 张雷, 李文臣. 有色冶金渣制备胶凝材料研究现状与展望[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(5): 621-636.
[12]	张雷, 郭利杰, 李文臣. 基于铜镍冶炼渣制备充填胶凝材料试验研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(5): 669-677.
[13]	宋春辉, 李祥龙, 王建国, 宋飞. 矿柱爆破回采对胶结充填体损伤影响试验研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(4): 558-564.
[14]	黄照东,张德明,刘一锴,张钦礼,王浩. 柠檬酸浸法预处理对磷石膏充填体性能的影响[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(1): 97-104.
[15]	粟著,张德明,张钦礼. 金矿尾矿胶结充填试验及环境效应研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 912-919.