泡沫砂漿的研究及充填應用現狀

楊蔡君　王小敏　王　浩

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

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泡沫砂漿的研究及充填應用現狀

楊蔡君1,2,3王小敏1,2,3王浩1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

泡沫砂漿充填體因其獨特的結構特性,具有特殊的力學性能和使用性能，在礦山充填工程中被廣泛應用。綜述了泡沫砂漿的研究進展及應用現狀，提出了尾礦泡沫砂漿存在的問題及解決措施。

泡沫砂漿研究進展應用現狀

近幾年來，國家大力提倡建設“綠色礦山”的戰略目標，占據采選礦過程中產生的固體廢棄物約80%的尾砂和廢石的處理，成為礦山急需解決的問題。另外，由于淺部的礦產資源逐漸開采殆盡，世界各國大力發展深部開采技術。采礦充填法不僅能夠在確保安全的條件下保護環境，而且能夠最大程度的提高礦石回收率，現已成為主流的采礦方法。可是，傳統的充填采礦法成本較高，研制新型的充填材料，降低充填成本是現階段研究的主要方向。泡沫砂漿的研制成功，為采礦充填法帶來一種新的工藝和技術，為解決采礦充填法所面對的技術、經濟瓶頸，提供了一種新的解決途徑[1]。

泡沫砂漿充填體是將混凝土、集料(包括細戈壁集料、細河砂、棒磨砂、粉煤灰、尾砂等)、水、發泡劑形成的泡沫與一定比適的外加劑進行混合，經過物理化學作用，待脫水干燥硬化后形成含有一定空隙比率的、具有一定強度的充填新材料[2]。泡沫砂漿因其特殊的結構特性賦予其優異的物理力學性能和使用性能，其應用前景應十分廣闊。

1　尾礦泡沫砂漿的研究進展

1.1摻和料對尾礦泡沫砂漿的性能影響

李百年研究了高摻量粉煤灰泡沫砂漿的性能[3]，結果表明：粉煤灰作細集料，不考慮代替水泥用量的情況下，其用量對泡沫砂漿的強度有一定的影響，但不是很顯著。含有較多粉煤灰的砂漿漿體中，可用堿性物質激發其中的活性物質，砂漿強度能得到有效提高。曾珍，張雄研究了在泡沫砂漿中添加EPS顆粒和粉煤灰對泡沫砂漿性能的影響[4]，結果表明：加入適量的EPS顆粒可以優化級配，改善孔的結構；摻入10%左右的粉煤灰不僅可以提高泡沫-EPS保溫砂漿的密實度，提高其抗壓、抗折強度，且能降低成本，如果摻入的粉煤灰取代水泥量超過10%，就會影響砂漿強度。周小華也對粉煤灰摻量對泡沫砂漿的性能影響進行了研究[5]，其結果表明：摻入粉煤灰可以提高凈漿的工作性能，對摻入泡沫有利，但摻入量大于水泥量的20%以后，會影響砂漿的初凝，造成坍塌。除了粉煤灰，于顯強將再生建筑垃圾產生的細粉作為摻和料摻入到泡沫砂漿中，以此來研究其性能[6]，結果表明：再生磚粉摻量不宜超過40%，超過40%，泡沫砂漿的強度和軟化系數達不到《建筑保溫砂漿》要求；再生混凝土粉的摻量為40%時，泡沫砂漿的綜合性能最好。

1.2發泡劑及發泡技術的研究進展

目前，我國發泡劑可分為化學發泡劑、物理發泡劑和表面活性劑三大類，而制作泡沫輕質土主要有陰離子表面活性劑，松香皂類發泡劑，動植物蛋白類發泡劑。黃儉才等通過研究這三類發泡劑，對氣泡輕質土的性能和微觀結構的影響得出結論[7]：陰離子表面活性劑(十二烷基苯磺酸鈉)、松香皂類發泡劑、動物蛋白類發泡劑中，動物蛋白類發泡劑制備的氣泡輕質土的氣孔孔徑相對較小、氣孔形狀規整、孔壁較厚，氣孔不易破碎，因而形成連通孔的可能性降低，其抗壓強度高，吸水率低。李茂輝，高謙，南世卿在泡沫劑對充填材料強度和流變特性的影響方面進行了研究[8]，結果表明：通過強度和流變試驗對加入泡沫劑的新型尾砂充填膠結材料砂漿進行分析，發現泡沫劑的適當加入不僅不會降低充填材料強度，反而會提高材料強度，從而在相同條件下，降低了充填體原材料的用量，改善了料漿的流動性。劉佳奇,霍冀川,雷永林等研究了發泡劑的發展趨勢[9]，發泡劑在建材上的發展趨勢將會朝著高強度、高保坍能力、促使發泡材料具有更高的抗裂性和耐久性的方向發展；以松香熱聚物為主體進行的改性研究，為發泡劑研究的主要方向之一，而皂角類、蛋白類發泡劑的改進性研究，也會有良好的發展前景。

1.3外加劑對泡沫砂漿的性能影響

為了滿足泡沫砂漿的輸入和充填等某些特殊性能的要求，可以在泡沫砂漿中加入各種外加劑。如加入減水劑用來增加泡沫砂漿輸送過程中的和易性。

楊志強、王永前、高謙等通過泵送減水劑對充填體強度的研究表明：結合泵送減水劑對充填體強度、膏體和易性以及流變特性影響分析，并考慮膏體充填成本與采礦經濟效益，確定1%的泵送減水劑為比較合理的添加量[10]。歐陽仕元、杜向紅等為了解決巖溶動水環境條件下解決高濃度尾砂漿輸送困難、易離析、結石率低、堵水效果差等問題，在尾砂漿中加入可塑劑，形成一種“果凍”狀膏體料漿[11]。結果表明，“果凍”料漿滿足了巖溶動水條件下的注漿技術要求。曾珍、張雄在泡沫-EPS保溫砂漿中加入了丙烯酸乳液和纖維素醚研究對砂漿性能的影響[4]，試驗發現：在泡沫-EPS保溫砂漿中，丙烯酸乳液的最佳摻量為6%，小于該摻量時，砂漿的黏聚性和保水性顯著提高，當大于該摻量時，砂漿的抗壓、抗折強度迅速降低；在泡沫-EPS保溫砂漿中加入3%左右的纖維素醚，可使砂漿獲得適宜的保水性和稠度，有效提高材料的工作性能，防止砂漿分層。

2　泡沫砂漿充填技術的應用現狀

2.1泡沫砂漿的充填技術

泡沫砂漿具有突出的輕質性，易流動性、均衡性、抗離析性等特點，現主要用于充填工程中。陳忠平，翟淑花，高謙等為了將泡沫砂漿充填技術用于現場，首先對國內外關于泡沫充填體的力學特性研究結果進行分析，然后開展了泡沫充填體的試驗研究[2]。通過金川三礦區現場充填技術試驗：泡沫砂漿充填體具有流動性好、充填接頂率高、脫水率高等特點，能夠滿足遠距離高濃度自流輸送。張耀平，蘇曉萍，譚偉等通過在某公司三礦區F17以東采場進行試驗研究[12]，表明泡沫砂漿在充填過程中表現出了優于常規砂漿充填的輕質性、流動性、均衡性、抗離析性、經濟性、接頂率高等特點，與常規砂漿充填費用相比，具有良好的經濟效益，泡沫砂漿代替常規砂漿進行充填，是經濟可行的。翟淑花，高謙，張梅花等通過充填試驗和數值模擬，發現泡沫砂漿能夠自流到充填采場, 自流平穩，接頂率高[13]；經過室內及現場取樣檢測，泡沫砂漿充填體單軸抗壓強度達到設計指標；泡沫砂漿因含有泡沫，可以增大充填體體積，提高充填體的流動性和早期強度；泡沫砂漿充填體進入充填采場以后，因其含有泡沫，可造成充填體縫隙，進而造成地表的沉降比常規充填體大，但沒有發生地表位移突變的情況，充填效果穩定。田志剛，向軍通過室內配比試驗和現場的充填試驗，建立并應用于生產實踐，取得了良好的應用效果[14]。杜向紅針對全尾砂礦房充填達不到設計要求和攪拌后容易板結影響生產等問題，通過鉛鋅分級尾砂泡沫砂漿的各種物理性質的研究，開展了分級尾砂泡沫砂漿的充填試驗，提高了充填質量，降低了充填成本[15]。在泡沫砂漿的物理性質研究方面，李冬從損傷理論角度建立了充填體的損傷模型，來對充填體進行能量分析和穩定性研究[1]。

2.2泡沫砂漿充填工藝的發展

近2a由于泡沫砂漿的影響增大，其充填工藝也有了一定程度的發展。杜向紅總結了充填工藝流程[15]，大致為骨料制備、骨料運輸、配砂、制漿、釆場充填、脫水等。田志剛、向軍發明了新型發泡混合裝置和砂漿制備系統[14]，發泡混合裝置能夠根據砂漿的流量調整泡沫流量，確保氣泡的含有率，同時能夠保證氣泡與砂漿充分混合。砂漿制備系統通過對砂、水泥、水用量的精確控制，確保對砂漿灰砂比、濃度及用量的精確控制。

3　存在的問題及解決措施

3.1理論研究方面

(1)對泡沫砂漿的摻合料研究主要集中于粉煤灰、聚苯乙烯等，摻和料的研究較為單一，應充分了解其他摻合料、泡沫砂漿性能的變化，對拓展其應用范圍和規模，具有積極的作用。因此，應加大泡沫砂漿摻和料的研究范圍，建立組成與性能相關的理論體系，推動其在工程中的應用。

(2)泡沫砂漿的微觀結構的研究較少，研究的系統性不夠。應加大微觀結構的研究力度，改善其物理性能，提高使用范圍。

3.2應用方面

(1)雖然泡沫砂漿具有常規砂漿難以比擬的優勢，但市場化應用范圍較小。應加大泡沫砂漿的市場推廣力度，使泡沫砂漿規模化，市場化。

(2)進一步降低采礦充填的技術成本，采用相應的技術措施來提高充填的經濟效益。如：采用相應的固化劑來降低水泥用量，節約成本。

(3)隨著礦產資源開采逐步向礦床的兩側進行，造成礦床的開采傾角變緩，水平走向距離遠，而開采面與充填站的水平走向大，垂直高差小，充填倍線大，從而引起管道輸送自流壓力小，易堵管等問題，給輸送帶來很大的困難，影響日常生產。因此，要研發水平輸送距離遠、垂直高差小的輸送系統，以解決管理輸送的問題。

[1]李冬.泡沫砂漿在金川礦區的應用研究[D]. 內蒙古：內蒙古農業大學，2010.

[2]陳忠平，翟淑花，高謙,等.泡沫砂漿充填體力學特性及其應用研究[J].金屬礦山，2010(8)：7-10.

[3]李百年.高摻量粉煤灰泡沫砂漿性能研究[J]. 山西建筑，2011(5)：103-104.

[4]曾珍,張雄.泡沫-EPS保溫砂漿的最佳配比及其性能研究[J]. 新型建筑材料，2005(12)：18-21.

[5]周小華.承重保溫型復合墻體的保溫與應用[D]. 廣東：華南理工大學，2011.

[6]于顯強.建筑垃圾再生細粉用于保溫砂漿的研究[D].北京：北京建筑大學，2014.

[7]黃儉才,徐浩,朱潔,等.發泡劑對氣泡輕質土的性能和微觀結構影響研究[J]. 新型建筑材料，2005(12)：18-21.

[8]李茂輝,高謙,南世卿.泡沫劑對充填膠結材料強度和流變特性的影響[J]. 金屬礦山，2012(9)：43-47.

[9]劉佳奇,霍冀川,雷永林,等.發泡劑及泡沫混凝土的研究進展[J]. 化學工業與工程，2010(1)：73-78.

[10]楊志強,王永前,高謙,等.泵送減水劑對尾砂棒磨砂膏體料漿和易性與充填體強度影響研究[J]. 福州大學學報，2015(2)：129-134.

[11]歐陽仕元,杜向紅.用于巖溶動水注漿的泡沫尾砂漿試驗研究[J]. 有色金屬，2015(5)：53-56.

[12]張耀平，蘇曉萍，譚偉,等.泡沫砂漿充填體的應用價值研究[J].金屬礦山，2013(10)：40-42.

[13]翟淑花，高謙，張梅花,等.高強輕質泡沫砂漿充填體在礦山的應用研究[J].IM&P化工礦物與加工，2010(12)：30-34.

[14]田志剛，向軍.泡沫砂漿新材料充填技術工藝研究及應用[J].采礦技術，2015(3)：34-38.

[15]杜向紅.鉛鋅礦尾砂綜合回收與利用[D].長沙：中南大學，2012.

2016-03-10)

楊蔡君(1980—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。