碱性添加剂调控高硫尾矿胶结充填体性能的协同强化机制与工程应用

为解决高硫尾矿(SCPB)因酸性环境导致的胶结充填体强度不足、重金属离子迁移等问题，中国研究人员通过添加CaO等碱性添加剂开展系统研究。结果表明30wt% CaO使28天无侧限抗压强度(UCS)提升280%至1.82 MPa，有害孔隙(>200 nm)减少78%，Zn2+ 固定率达98.6%，同步实现力学性能提升与环境风险控制，为矿山安全回填提供关键技术支撑。

　　

矿山开采产生的尾矿处理一直是环境与安全领域的重大挑战。其中，富含硫化物的高硫尾矿因其特殊的矿物组成，在传统处理方式下会产生比普通尾矿高5-10倍的酸性矿山排水(AMD)，导致严重的地下水污染和土壤酸化。更棘手的是，这类尾矿用于地下采空区回填时，其酸性环境会阻碍水泥水化反应，造成胶结充填体(CPB)强度不足，直接威胁采矿安全。现有技术虽能通过提高水泥用量暂时解决问题，但经济成本高昂且无法根本解决重金属离子迁移风险。如何实现高硫尾矿安全、经济、环保的回填利用，成为制约矿业可持续发展的关键瓶颈。

针对这一难题，北京科技大学的研究团队在《Environmental Research》发表研究，首次系统探究了碱性添加剂对高硫尾矿胶结充填体(SCPB)性能的调控机制。研究采用多尺度实验方法，包括流变测试分析浆体输送性能，力学试验评估无侧限抗压强度(UCS)，压汞法(MIP)表征孔隙结构，扫描电镜(SEM)观测微观形貌，以及重金属浸出实验和成本效益分析。所有实验均采用中国某铅锌矿的高硫尾矿样本，其颗粒粒径小于37μm的比例超过72%，硫化物含量显著高于常规尾矿。

流变特性与管道输送特征
研究发现，添加30wt% CaO可显著改善SCPB浆体的流变性能，使屈服应力降低42%，这主要归因于CaO提供的碱性环境促进了颗粒表面电荷分布优化。相比之下，飞灰(FA)虽能减少开裂，但无法满足强度要求。

力学性能提升机制
微观分析揭示，CaO通过双重作用提升强度：一方面将体系pH值提升至12.5，促进钙硅水合物(C-S-H)和氢氧化钙(CH)大量生成；另一方面固定硫酸根离子，减少石膏结晶导致的膨胀开裂。压汞数据显示，CaO使有害大孔(>200 nm)体积减少78%，形成更致密的凝胶结构。

环境风险控制
重金属固定实验显示，CaO-CPB对Zn²⁺
、Pb²⁺
、Cu²⁺
和Fe³⁺
的固定率分别达到98.6%、93.2%、89.1%和85.4%。这种优异性能源于氢氧化物沉淀与C-S-H晶格取代的协同作用，其中Zn²⁺
因离子半径与Ca²⁺
相近，更易进入C-S-H结构被固定。

经济可行性验证
成本分析表明，CaO添加剂使SCPB的水泥用量减少40%，每吨充填材料成本降低15-20美元，同时满足矿山安全要求的1 MPa强度阈值。

该研究首次建立了高硫尾矿"吸附-稳定化"理论框架，阐明CaO通过"pH调控-孔隙优化-离子固定"的协同作用机制。实践层面，研究为矿山提供了一种兼顾安全、环保与经济的高硫尾矿处置方案，其提出的碱性添加剂配比已在中国多个铅锌矿推广应用。理论层面，研究突破传统CPB技术对普通尾矿的局限，为特殊成分尾矿的资源化利用开辟新途径。未来研究可进一步探索MgO等缓释碱性添加剂在长期强度维持方面的潜力，以及复杂地质条件下SCPB的长期稳定性。