礦渣粉摻量對高水材料物理力學性能的影響研究

吳美蘇 劉長武(1.水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065))

高水材料是以鋁礬土、石灰和石膏等為原料，經磨細、均化等工藝制成甲、乙兩料，并由甲、乙兩料混和凝固而形成的高含水結石體[1]。高水材料作為一種新型礦山充填材料，具有高含水、可泵性好和速凝等特點，其充填效果明顯優于普通膠結材料充填體，因能有效提高資源的回收率而被廣泛應用于煤礦采空區的充填[2-3]。

自高水材料問世以來，關于其組成[4]、宏觀力學性能和微觀結構的研究者眾多[5]，近來又出現了關于摻入粉煤灰和黏土等[6-7]對高水材料進行改性及二次改性的研究。針對目前傳統的高水材料成本較高、強度較低的問題，馮光明、Li Hongjie等[8-9]研究了水體積分數高達97%的超高水材料，雖然充填成本有所降低，但充填體強度亦有所下降。

礦渣是礦石選冶過程中產生的廢料，含有一定量的活性成分。我國每年產出礦渣高達數億噸，這些礦渣的開發利用，對減少土地占用和環境污染具有重要意義。目前，已有研究者利用礦渣粉的微集料效應和形態效應將其摻入水泥中，以改善水泥的性能[10]。本研究將具有活性的堿性礦渣粉摻入高水材料中，力圖實現固體廢棄物的有效利用，并改善高水材料的力學性能，降低礦山充填成本，實現礦山的綠色、經濟開采。

1 試驗原料與試驗方法

高水材料由A料、A-A料、B料和B-B料組成，將A料和A-A料的混合漿液稱為甲料，B料和B-B料的混合漿液稱為乙料；礦渣粉購于鞏義市元亨凈水材料廠，主要化學成分有CaO(37.95%)、SiO2(31.90%)、Al2O3(9.10%)、Fe2O3(3.42%)、MgO(8.52%)，屬堿性礦渣粉，具有活性。

高水材料試件制備按照《水利水電工程巖石試驗規范》進行，全過程包括原料稱量、加水混合、入模、脫模以及養護編號等環節，以礦渣粉和高水材料的質量比為5%、10%、15%和20%摻入礦渣粉。高水材料試件制備的水灰比為6∶1，所制備試件的徑高比為1∶2(φ50 mm×100 mm)，將試件放在溫度為20±2 ℃的純水環境中養護7 d(確保試件完全淹沒在水中，以防止試件在空氣中風化)，試件配比見表1。

表1 試樣配比表Table 1 Mixing ratio of the sample

2 試驗結果與分析

2.1 摻礦渣粉對高水材料物理參數影響分析

2.1.1 礦渣粉對初凝時間的影響

以高水材料甲、乙漿液及礦渣粉混合均勻為初凝起始時間，以混合漿液失去塑性流動為初凝完成時間，不同摻量礦渣粉高水材料料漿初凝時間見表2。

表2 試樣初凝時間表Table 2 Initial setting time of the sample

從表2可看出，與水泥等普通膠結材料相比，高水材料具有速凝性(普通水泥的初凝時間不低于45 min)，初凝時間隨礦渣粉摻量的增加而縮短，且都小于純高水材料初凝時間，故而礦渣粉的摻入提高了高水材料的速凝性。這是由于礦渣粉中氧化鈣含量較高，水化放出大量的熱，促進水化反應的進行，因而縮短了高水材料的初凝時間。

2.1.2 礦渣粉對含水率的影響

由甲、乙漿液混合制備的高水材料試件的主要水化產物為鈣礬石晶體，分子式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，其結構分子中含有大量結晶水，孔隙結構中亦含有大量自由水，含水率對高水材料力學變形性質有著重要的影響。內部孔隙越少，含水率越低，其變形越小。

測定試件含水率的變化，有利于分析力學性質變化。采用烘干法計算試件的含水率。試驗將烘干溫度設置為108 ℃，烘干試件至2次稱量結果一致。需要說明的是此處測定的是孔隙中自由水的含水率，結晶水性質相對較穩定，108 ℃下結晶水呈穩定狀態，存在于晶體分子中。礦渣粉摻量對高水材料試件含水率的影響見表3。

表3 含水率變化情況Table 3 Water content of the sample

由表3可看出，隨著礦渣粉摻量的增加，高水材料試件含水率小幅下降，這說明礦渣粉作為一種小粒徑材料，摻入高水材料中填充了結構的部分孔隙，置換出孔隙中的自由水，使自由水含量降低，大孔隙結構減少，增加了結構的密實性，且隨著礦渣粉摻量的增加，置換出的孔隙水增加，含水率逐漸降低。

2.1.3 礦渣粉對容重的影響

本試驗測定的是7 d養護齡期試件的容重，根據式(1)計算試件容重。試件容重與礦渣粉摻量的關系見表4。

(1)

式中，γ為試件容重，N/cm3；M為試件質量，g；d為試件直徑，mm；h為試件高度，mm。

由表4知，隨著礦渣粉摻量的增加,高水材料試件的容重增大，當摻量超過10%以后，容重增幅微弱。這是因為礦渣粉填充在孔隙結構中，增加了結構密實度，在宏觀上表現為試件容重增大，但當摻量達到一定值后，結構中的大孔隙已被完全填充，多余的礦渣粉只能填充在微小孔隙中，且礦渣粉與高水材料甲、乙料之間發生復雜的水化反應，消耗了部分礦渣粉，使試件容重總體上增加不大。

表4 試件容重變化表Table 4 Unit weight of the sample

2.2 礦渣粉對試件微觀結構的影響

為探究摻礦渣粉對高水材料試件微觀結構的影響，采用四川大學分析測試中心的SEM掃描電鏡對高水材料試件的微觀結構進行了分析，有利于后續從微觀層面解釋高水材料試件力學性質的變化機理。根據高水材料試件水化機理可知，甲、乙漿液混合后立即發生水化反應，生成大量的鈣礬石晶體，原料中的CaO作為礦渣粉的堿性激發劑，與礦渣粉反應生成絨球狀的水化硅酸鈣凝膠，分布于晶體結構和孔隙之間，鈣礬石晶體及絨球狀水化硅酸鈣凝膠在空間上相互交錯搭接形成高水材料試件獨特的空間網狀結構。純高水材料試件及摻量為10%和20%礦渣粉的高水材料試件的微觀結構見圖1～圖3。

圖1 純高水材料試件的SEM圖片Fig.1 SEM of pure high-water material

對比圖1～圖3可知，摻入礦渣粉的高水材料試件基本晶體空間結構未改變，但促進了高水材料試件的水化，生成了更多的鈣礬石晶體，同時促進了水化硅酸鈣凝膠的生成。純高水材料試件水化反應生成的鈣礬石晶體形貌以短棒狀、針狀為主，晶體直徑較小，大孔隙分布較多；礦渣粉的摻入使大直徑晶體數量增加，絨球狀的水化硅酸鈣凝膠增加，晶體形貌由短棒狀發展為細長的針棒狀、枝網狀，晶體分叉現象明顯。在礦渣粉摻量為20%時，絨球狀的水化硅酸鈣凝膠附著在鈣礬石晶體之間，包裹著鈣礬石晶體，形態更為明顯。針棒狀及枝網狀的晶體更有利于形成交錯搭接的網狀結構，未反應完的殘留物質及水化生成的硅酸鈣凝膠填充在鈣礬石晶體結構孔隙中，減小了大孔隙的分布，增加了空間結構的致密性，提高了晶體之間的搭接強度。這說明了高水材料試件微觀結構的改變在宏觀上表現為力學性質的改善，從微觀上解釋了高水材料試件力學性能的變化機理。

圖2 摻10%礦渣粉的高水材料試件的SEM圖片Fig.2 SEM of high-water material mixed with 10% slag powder

圖3 摻20%礦渣粉的高水材料試件的SEM圖片Fig.3 SEM of high-water material mixed with 20% slag powder

2.3 摻礦渣粉對高水材料試件力學性質的影響

為探究礦渣粉的摻入對高水材料試件力學性能的影響，采用四川大學微機控制電子萬能試驗機對養護好的試件進行單軸抗壓強度試驗，對高水材料試件變形特點及強度變化進行分析，試驗加載速率為3 mm/min。

2.3.1 應力—應變關系分析

試件的應力—應變關系曲線定性地反應了試件在加載過程中的變形特點，不同摻量礦渣粉的高水材料試件的應力—應變關系曲線見圖4。

圖4 應力—應變關系曲線Fig.4 Stress-strain curves of the sample

圖4表明，摻入礦渣粉的高水材料試件與純高水材料試件具有相似的應力—應變關系，均經歷了孔隙壓密、彈性變形、屈服變形、應變平穩發展以及試件破壞5個階段。分析高水材料變形過程可知，較脆性巖石而言，高水材料塑性較大，試件承載力達峰值后，應力沒有立即減小，而是出現一個水平段，且高水材料試件殘余強度可達峰值強度的30%～70%，使高水材料試件在破壞后仍具有相對較高的承載力，這也進一步說明高水材料適合做礦山采空區充填材料。

2.3.2 強度變化分析

高水材料試件的應力—應變關系曲線定性地反映了高水材料具有相似的變形過程，但摻量的不同，試件也呈現著不同的強度特點。試件的峰值抗壓強度代表了試件的最大承載力，而殘余強度則體現了試件在達到峰值強度以后的承載力大小，高水材料作為采空區充填材料，直接與采空區上覆巖層接觸作用，研究峰值承載強度和殘余強度的變化規律對其穩定性具有重要意義。礦渣粉摻量對高水材料峰值強度和殘余強度的影響規律見表5。

從表5可知，隨著礦渣粉摻量的增加，試件的峰值強度和殘余強度均先減小后增大，摻量為20%時，峰值強度和殘余強度均達到最大值，與純高水材料試件相比，峰值強度和殘余強度分別增加了13.33%和84.62%。但在礦渣粉摻量為10%時，高水材料試件的峰值強度和殘余強度均達到最小，不利于材料強度的發展。因此，在工程應用中，應避免使用10%摻量這一不利配比。

表5 不同摻量礦渣粉高水材料強度對比表Table 5 Compressive strength of the sample mixed with different content slag powder

與純高水材料試件的SEM圖片比較，摻10%礦渣粉的試件的微觀結構中，雖然鈣礬石晶體數量增加，大直徑晶體也有所增加，但晶體形貌發展為細長的針棒狀，且晶體多向一個方向生長發育，細長的針棒狀減小了材料的剛度，使試件在相同的受力狀態下更容易折斷破壞，且生長方向的有序化不利于形成空間網狀結構，導致10%摻量礦渣粉高水材料試件的承載力低于純高水材料試件和其他摻量的試件；而摻入20%礦渣粉的高水材料試件，鈣礬石晶體發育茂盛，且水化生成的大量硅酸鈣凝膠充填于結構孔隙及晶體之間，增加了晶體結構的致密性，在宏觀上表現為抗壓強度的提高。綜合以上可知，高水材料宏觀力學性質的變化是微觀結構改變的結果，且受晶體發育形貌、直徑、發育方向、水化硅酸鈣凝膠數量以及空間結構的致密性等多因素控制，但以晶體結構的致密狀態為主導作用。

3 抗壓強度相關關系分析

3.1 含水率與抗壓強度相關關系分析

利用二次回歸方程得出高水材料試件含水率與抗壓強度的相關關系曲線見圖5。

圖5 含水率與抗壓強度的相關關系曲線Fig.5 Water content and compressive strength′s correlation relationship curve

由圖5可知，含水率與抗壓強度之間具有高度二次相關性，R2=0.9833，且在含水率為82.67%時，抗壓強度達最小值，而摻10%礦渣粉的高水材料試件的含水率為82.20%，靠近曲線最低點，在宏觀上表現為抗壓強度最低。在工程應用中應考慮含水率對材料強度發展的影響，選用合適的水灰比進行充填。

3.2 容重與抗壓強度相關關系分析

容重在宏觀上反映了試件的密實狀態，根據容重與抗壓強度的相關關系擬合的曲線見圖6。

圖6 容重與抗壓強度相關關系曲線Fig.6 Unit weight and compressive strength′s correlation relationship curve

圖6表明，容重與抗壓強度具有較好的二次相關關系，其R2=0.8436，且在容重為11.05 N/cm3時，峰值抗壓強度達最小值，而摻10%礦渣粉的高水材料試件的容重為11.08 N/cm3，接近擬合曲線最低點，其峰值強度在摻量范圍內達最低值。因此，在實際工程應用中，應充分振搗料漿，排除料漿間的氣泡，使制得的充填體料漿更密實，從而提高材料的抗壓承載力。

4 結論與展望

(1)隨著礦渣粉摻量的增加，初凝時間縮短，試件含水率逐漸減小，容重值逐漸增大；含水率與峰值抗壓強度及容重與峰值抗壓強度均具有較好的二次相關關系，其相關系數分別為0.983 3和0.843 6。

(2)摻入礦渣粉改變了高水材料試件晶體的微觀結構，促進了晶體的生長發育，且摻入20%礦渣粉促進了大量水化硅酸鈣的生成，增加了晶體空間結構的密實性，在宏觀上表現為力學性能的提高。

(3)在試驗摻量范圍內，摻20%礦渣粉的高水材料試件能有效提高峰值抗壓強度和殘余強度，與純高水材料相比，其增幅分別為13.33%和84.62%。但摻10%礦渣粉的高水材料試件的峰值抗壓強度和殘余強度在試驗摻量范圍內均達最小值，不利于填充體的穩定，在實際工程應用中應避免采用此摻量配比。

(4)本試驗只探究了摻入0～20%礦渣粉對高水材料充填體的物理力學性質，后續應探究礦渣粉更高摻量對高水材料充填體物理力學性質的影響，并加強理論創新研究。

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