粉煤灰基可控低強度充填材料制備及其性能研究

殷景閣 李端樂 陳 雷 鄭大鵬 任才富 崔 勇 王棟民

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院＆混凝土與環境材料研究所 北京 100083)

1 引言

充填開采是煤礦綠色開采技術體系的主要內容之一，但傳統的充填開采方法，受充填系統、充填效率和充填成本的制約，未能得到大規模工程應用。而可控低強度材料(Controlled Low Strength Material，CLSM)是取代傳統充填開采材料的有效途徑之一。CLSM 是一種主要用于替代夯實填土回填的自密實水泥質材料。因其高流動性、自密實、自流平及低強度的特性被廣泛應用于礦井充填、路基回填及管道填充等回填工程，是替代砂石或土壤等傳統回填材料的有效途徑之一。CLSM 不僅可解決傳統回填材料填充不密實或存在結構死角等問題，也是大量利用粉煤灰等大宗固體廢棄物的有效途徑之一，實現工業廢棄物的資源化利用［1］。本文主要以粉煤灰為原料制備CLSM，并對其工作性及力學性能進行相應的研究。

2 實驗原料及方法

2.1 實驗原料

2.1.1 水泥

本論文所用水泥為山西省孝義市水泥廠生產的普通硅酸鹽42.5 型水泥，化學成分如表2.1 所示，礦物組成如表2.2 所示，物理性能如2.3 所示，XRD 如圖2.1 所示。

表2.1 水泥的化學組成，wt%

表2.2 水泥礦物組成，wt%

表2.3 水泥的主要物理性能

圖2.1 粉煤灰的粒徑分布

2.1.2 粉煤灰

本論文所用粉煤灰為汾西礦業(集團)下屬電廠生產的粉煤灰，化學成分如表2.4 所示，粒徑分布如圖2.2 所示，能譜分析如圖2.3 所示。

表2.4 粉煤灰的化學組成，wt%

2.1.3 煤矸石

本實驗所用煤矸石為汾西礦業(集團)新陽礦矸石山的原狀矸石，經過二級鄂式破碎機制，被破碎成為最大粒徑＜15mm 的矸石顆粒。對破碎后的煤矸石進行了篩分分析，發現破碎后的煤矸石中＞4.75mm 的顆粒含量僅占30.6%，而在＜4.75mm 的破碎煤矸石中，粒徑＜0.15mm 的顆粒含量高達10.1%。煤矸石的篩分實驗及結果如表2.5、表2.6 所示。

圖2.2 粉煤灰的能譜分析圖

圖2.3 煤矸石的能譜分析圖

表2.5 煤矸石的篩分分析表

表2.6 煤矸石砂的篩分分析表

表2.7 煤矸石的化學組成，wt%

2.2 實驗方法

(1)CLSM 坍落度、擴展度、泌水率及凝結時間的測試按照GB/T 50080 -2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行;

(2)CLSM 抗壓強度的測試按照GB/T 50081 -2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行;

(3)破碎煤矸石的篩分分析、表觀密度、堆積密度的測試按照JGJ 52 -2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》進行。

3 實驗結果與討論

粉煤灰目前已成為混凝土等水泥基材料中用量最大的礦物摻合料，據統計，粉煤灰僅在混凝土行業中的年用量已超過1 億噸［2］。粉煤灰在水泥基材料中的作用主要體現在三個方面:改善漿體的流動性、降低水化熱及在保證強度的情況下降低水泥基材料成本［3］。本文在膠集比為0.6，水膠比為0.8 條件下，研究不同粉煤灰摻量對CLSM 材料坍落度、擴展度、泌水率和抗壓強度的影響，實驗配合比如表3.1所示。

表3.1 粉煤灰摻量變化配合比(Kg/m3)

3.1 流動度和泌水

不同粉煤灰摻量對CLSM 工作性的影響規律如表3.2 及圖3.1 所示。

表3.2 粉煤灰摻量對充填材料工作性能的影響表

從表3.2 及圖3.1 中可看出，當水泥與粉煤灰總量保持不變，同時用水量及集料用量保持不變時，隨著粉煤灰摻量的提高，CLSM 的坍落度、擴展度及泌水率均呈逐漸降低趨勢。當粉煤灰的摻量增大至1:2 時CLSM 的坍落度、擴展度及泌水率幾乎呈線性遞減的趨勢，減少率增加。當粉煤灰摻量達到1:3時，CLSM 的坍落度與擴展度分別為130mm 和420mm，CLSM 的流動性處于較差狀態，粉煤灰的加入并沒有使CLSM 的流動性得到改善。這主要是因為汾西礦業(集團)下屬電廠生產的粉煤灰燒失量較大，粉煤灰顆粒大多呈現多孔型蜂窩狀結構，且其比表面積較高，使粉煤灰吸附水量較大或需水量較大。此外，實驗所用的粉煤灰中球型顆粒含量較少，并不能在CLSM 中起到潤滑作用和軸承作用以減少集料之間及集料與水泥漿之間的摩擦從而改善流動性。隨著粉煤灰摻量的提高，粉煤灰對CLSM 中的水量吸附增大，導致CLSM 中毛細孔水含量降低，自由水含量降低，因此，CLSM 的流動性隨粉煤灰摻量的增大而降低。

圖3.1 粉煤灰摻量對充填材料工作性能的影響

3.2 凝結時間

凝結時間是評價CLSM 性能的關鍵性能之一，如將CLSM 用于公路底基層或人行道建造，澆灌24 小時后允許交通正常進行是至關重要的。因此，CLSM材料需在24 小時內能夠達到足以支撐交通荷載的強度。一般情況下，經過3h～5h 后，CLSM 就可達到理想的硬固狀態。若工程緊急，也添加早強劑、速凝劑等外加劑，減少CLSM 的硬化時間。

粉煤灰摻量對CLSM 凝結時間的影響如圖3.2所示。由圖3.2 可知，CLSM 的凝結時間隨著粉煤灰摻量的增加而降低。當粉煤灰的摻量增加至2:1時，凝結時間低至8h，這是滿足施工要求的，并能實現自立。而當粉煤灰的摻量繼續增加，其凝結時間減小率降低，幾乎沒有變化。這是因為隨著粉煤灰用量的增加，其需水量增加，而在恒定需水量的條件下，CLSM 的流動度降低，大量的粉煤灰顆粒可以填充CLSM 漿體的空隙，從而使CLSM 的凝結時間降低。因此，粉煤灰摻量增加至2:1 時，其摻量增加對CLSM 凝結時間的影響不大。

圖3.2 粉煤灰摻量對CLSM 凝結時間的影響

3.3 抗壓強度

不同粉煤灰摻量對CLSM 工作性的影響規律如表3.3 及圖3.3 所示。從表3.3 及圖3.2 中可知，CLSM 的抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增大而降低。盡管粉煤灰在水泥基材料中的三大效應:“活性效應”、“形態效應”及“微集料效應”已越來越被認可［4］，粉煤灰的二次火山灰反應［i］能夠消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，而這種Ca(OH)2為六方板片狀晶體，不僅表面積較小，范德華力較弱，而且其取向結構提供了劈裂的位置，屬于水泥基材料中界面過渡區的最薄弱環節。顯然，粉煤灰的加入，能夠改善CLSM 的界面過渡區，從而提高強度。此外，粉煤灰的加入能夠促使高鈣硅比的水化硅酸鈣向低鈣硅比的水化硅酸鈣轉化，而后者強度更高［5］。但由于粉煤灰的摻量增大，相應的水泥的用量減小，水泥作為主要的膠凝材料，所能提供的強度相應減少［6］，由于水泥用量的減少帶來的強度降低要大于粉煤灰活性效應所帶來的強度增加，因此粉煤灰摻量增大的總效應表現為CLSM 的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而減小。

表3.3 粉煤灰摻量對充填材料抗壓強度的影響

圖3.3 粉煤灰摻量對充填材料抗壓強度的影響

綜上所述，隨粉煤灰摻量的增大，CLSM 的流動性降低，泌水率降低，離析泌水沉降等和易性問題逐漸改善，抗壓強度逐漸降低。但當粉煤灰摻量大于1:2 時，CLSM 的流動性相對較差，而粉煤灰摻量低于1:2 時，雖然CLSM 的流動性較好，但相應的水泥用量較大，CLSM 成本較高。從環保及經濟角度出發，爭取最大限度的利用粉煤灰等大宗固體廢棄物。綜合考慮認為粉煤灰摻量為1:2 較合適。

4 結論

(1)CLSM 坍落度、泌水率隨粉煤灰摻量增大而降低，增至67%摻量時，坍落度及泌水率減少率增加，而此時的坍落度和泌水率分別為240mm 和6.9%;

(2)CLSM 的凝結時間隨著粉煤灰摻量的增加而降低，當增至2:1 時，CLSM 的凝結時間低至8h，粉煤灰繼續增加對CLSM 的凝結時間影響不大。

(3)CLSM 的抗壓強度摻量增大逐漸降低，但仍在CLSM 的最佳范圍之內。其3d、7d、28d 強度仍滿足需求，為了大量利用粉煤灰，從環保和節約成本的角度出發，認為粉煤灰摻量為1:2 較合適。

［1］張宏，凌建明，錢勁松.可控性低強度材料(CLSM)研究進展［J］.華東公路，2012(6):49 -54.

［2］閻培渝.粉煤灰在復合膠凝材料水化過程中的作用機理［J］.硅酸鹽學報，2007，8(35).

［3］吳中偉.高性能混凝土［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［4］牟善彬.粉煤灰的微觀形態及其在水泥中水化［J］.新世紀水泥導報，2002，2:31 -33.

［5］呂林女等.鈣硅比對水化硅酸鈣形貌和結構的影響［C］.中國硅酸鹽學會水泥分會首屆學術年會論文集，2009.

［6］高丹盈等.水泥用量對塑性混凝土強度的影響［J］.水利水電技術，2008，9.

［7］牟善彬.粉煤灰的微觀形態及其在水泥中水化［J］.新世紀水泥導報，2002，2:31 -33