随着国家的快速发展,对矿产资源的需求量不断增大。由矿山开采导致的问题如采空区塌陷、尾矿坝溃坝事故以及尾砂地表堆存产生的各种环境污染越来越严重。基于可持续发展理念,国家大力推行绿色采矿技术,而胶结充填采矿技术因为在缓解尾砂堆存的危害同时还能降低采空区地表坍塌的风险,成为被大量矿山企业采用的绿色采矿技术,备受相关学者的关注。其中,尾砂固化剂的开发研究是胶结充填技术领域的一个重要研究方向。在尾砂胶结充填技术中,尾砂固化剂的应用主要受到成本和性能的双重限制。现有的矿山充填技术条件下,充填成本普遍偏高,尤其是对于高含水率超细尾砂,在选择固化剂时成本大幅上涨。尾砂的含水量和细颗粒含量过高时,会给固化剂与尾砂制备的浆体的工作性能和稳定性带来显著的负面影响。采用一般的固化剂胶结固化高含水率超细尾砂时胶结固化强度很低,无法满足矿山充填开采的要求。本文针对高含水率超细铁矿尾砂,设计、优化了适用于该尾砂的固化剂胶凝体系,并对优化后的尾砂固化剂进行改性,提高固化剂性能,设计开发出高性能尾砂固化剂,阐明了固化剂对浆体的工作性能的改善机理以及胶结固化尾砂的硬化机制,为高性能尾砂固化剂的设计与优化指明了方向。本文主要研究内容包括以下几个方面。(1)设计、优化了适用于尾砂的固化剂胶凝体系。为了寻找适用于高含水率超细尾砂的固化剂胶凝体系,对尾砂的物理化学性能进行了表征,基于固化剂性能评价体系,选择了三种常见的固化剂胶凝体系进行尾砂胶结试验,综合评价并优选出了适用于该尾砂的矿渣基固化剂胶凝体系。调整固化剂胶凝体系中各配比参数,对矿渣基固化剂胶凝体系进行优化,提高矿渣基固化剂的性能,其固化砂体的3d、7d和28d抗压强度达到0.32MPa、0.52MPa和0.72MPa,浆体的工作性能和稳定性较好。(2)对固化剂进行物理、化学改性,设计开发了两种高性能矿渣基固化剂。为进一步提高矿渣基固化剂的性能,通过颗粒级配调控以及外加剂化学激发两种改性思路进行改性研究。在固化剂中外掺粗颗粒粒度材料陶砂和高吸水树脂、中颗粒粒度材料磨细石英砂和细颗粒粒度材料膨润土以及固化剂本身的胶凝材料水泥与矿渣超细化调控材料的颗粒级配。其中,矿渣超细化的方法能够显著提高浆体的稳定性与固化砂体的力学性能。通过在固化剂中内掺生石灰、硫酸钠等外加剂的方式对固化剂进行化学激发。硫酸钠对矿渣基固化剂具有较好的激发效果,而脱硫石膏能够提高固化砂体的早期抗压强度。据此提出了高性能矿渣基固化剂的设计思路,开发出两种高性能矿渣基固化剂,该固化剂制备的固化砂体具有优异的力学性能,满足了高含水率超细尾砂用于矿山胶结充填时的抗压强度要求,浆体的工作性能和稳定性较好,固化剂的性价比较高。(3)分析了浆体和固化砂体的微观组成和结构与宏观性能的联系,阐明矿渣基固化剂对浆体的工作性能的改善机理以及胶结固化尾砂的硬化机制。表征了浆体体系的Zeta电位以及电阻率,研究其对浆体的工作性能和稳定性的影响。浆体体系中掺入Zeta电位的正负性与尾砂相同的矿渣基固化剂,能够改善浆体的工作性能和稳定性,有利于改善固化砂体的力学性能。表征了固化剂的水化进程、水化产物组成以及固化砂体的微观结构与形貌,建立其与固化砂体的力学性能的联系。固化砂体中矿渣基固化剂发生水化反应生成大量C-S-H凝胶、钙矾石和氢氧化钙等水化产物,这些水化产物与尾砂颗粒之间相互搭接、交联,形成微观网络结构,提高了固化砂体的抗压强度。本文针对高含水率超细铁矿尾砂以及浆体制备时低灰砂比(1:8)的要求,设计制备了高性能矿渣基固化剂,阐明了矿渣基固化剂改善浆体的工作性能和稳定性的机理以及胶结固化尾砂的硬化机制。该研究可为大宗量利用高含水率超细尾砂进行胶结充填奠定理论基础和技术支持,有效推动绿色矿山开采,具有重要的经济、生态和环保效益。