堿對摻雜油頁巖灰渣高水充填材料性能的影響研究

李虎威 齊琦

摘要：高水材料在煤炭充填開采中得到一定的應用，但其較高的價格制約了其大范圍的應用。本文采用NaOH對工業廢料油頁巖灰渣進行改性研究，探索適合改性高水充填材料的堿用量。試驗結果表明：在油頁巖灰渣摻量為40%水灰比為1：1和NaOH含量為0.4%時摻雜油頁巖灰渣高水充填材料的強度較大。此外，可以通過調整PH值可以實現對油頁巖灰渣高水材料的凝結性能調整，降低充填成本具有重要的工程應用價值。

關鍵詞：高水充填材料;NaOH含量;抗壓強度;充填成本

中圖分類號：TQ172 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

高水速凝固結材料（簡稱高水材料）作為一種新型水硬性膠凝材料以其高水灰比、早強、速凝等技術優點，在礦上開采，特別是煤礦充填開采方面得到成功應用。與傳統的水泥基材料相比，高水材料成本相對較高，制約了其在煤礦充填開采過程中的大范圍應用。近年來，采用具有活性成分的工業廢料替代高水材料中的部分成分正逐步引起重視。相關研究結果表明：在保持高水材料基本物理力學性能相對穩定的條件下，采用工業廢料部分替代高水材料主要成分，不僅對降低充填成本、進一步擴大高水材料的推廣應用具有重要的意義。而且，通過可以實現工業廢料的有效應用，對發展循環經濟、延長企業生產鏈具有重要的作用[1]。

本文提出采用油頁巖灰渣作為高水材料替代成分，研發摻雜油頁巖灰渣的新型高水充填材料。盡管可以采用具有活性成分的工業廢料替代部分高水材料，但隨著摻量的增加，高水材料原有力學性質，特別是單軸壓縮強度呈現顯著變化。與工業廢料主要成分、配合比等影響因素相比，pH對于高水材料的固結影響作用最為明顯[2]。

1 實驗

1.1 原材料

本實驗主要包括工業廢料油頁巖灰渣和高水充填材料組成。實驗所用油頁巖灰渣（OSA）由新疆某油頁巖礦提供，主要成分SiO2占60%左右，Al2O3占20%左右，其他Fe2O3、MgO、CaO、SO3等占20%左右。

高水材料由甲料、乙料、甲添和乙添組成。甲料[硫鋁酸鹽水泥（SAC）]產地為江蘇某特種水泥廠，主要成分為Al2O3、CaO，還有少量的SiO3、SiO2，表1給出了甲料主要原材料的化學成分;乙料（石膏、石灰）由江蘇某廠提供;甲添和乙添由江蘇某廠提供，主要用作添加劑，控制高水材料的固結特性。

1.2 試樣制備

控制甲料（乙料）：甲添（乙添）為10的質量比，按照甲、乙料質量比為1的原則分別稱重適量樣品和純凈水，按照表2所示的質量比進行配置。其中，固定油頁巖灰渣分別替代甲料、乙料0%和40%，制備NaOH濃度變化（0，0.1%，0.2%，0.4%和0.6%）時的標準試樣。

按照圖1所示的工藝流程，將制備的標準試件脫模后放入濕度50%、溫度20 ℃的養護室中養護至測試當日。

2 結果與討論

2.1 不同NaOH含量對新型高水材料單軸抗壓強度的影響

由圖2可以看出，在相同水灰比的條件下，隨著NaOH含量的增加，改性高水充填材料的單軸抗壓強度呈現上升趨勢。當油頁巖灰渣摻量為40%，水灰比為1：1時候，采用0.4%的NaOH含量可以獲得最高的單軸抗壓強度。結果表明，NaOH含量與改性高水充填材料強度之間具有正向關聯作用，在實際配置改性高水材料過程中可以考慮控制NaOH含量的方法獲取合適的單軸抗壓強度[3]。

2.2 不同NaOH含量對新型高水材料微觀結構發育的影響

圖3為油頁巖灰渣高水材料在不同NaOH含量的堿性（0.1%、0.2%、0.4%、0.6%）溶液條件下固結產物的微觀結構。通過掃描電子顯微鏡下的微觀結構圖可以看出，隨著NaOH含量的增加，生成產物中鈣礬石的數量顯著增多。由于鈣礬石的存在是高水材料早強性能的主要原因，因此可以認為通過調節NaOH含量，可以獲取實際工程所需的早期強度。

同時，圖3a所示為摻雜油頁巖灰渣高水材料反應的產物的形貌，可以看出有少量結晶良好的鈣礬石柱狀晶體生成，但是油頁巖灰渣本身沒有參與化學反應，鈣礬石晶體主要由高水材料生成。隨著NaOH的使用，溶液的堿性顯著增強，油頁巖灰渣中的活性成分在堿性環境下與高水材料發生化學反應，更多的鈣礬石出現（圖3b、圖3c）。當反應溶液堿度過高時（圖3d），由于溶液容易吸附空氣中的CO2，與生成的鈣礬石產生化學反應，形成水化碳鋁酸鈣，原有的晶狀結構遭到破壞。

3 結論

（1）堿對摻雜油頁巖灰渣高水充填材料的相互反應有促進作用，隨著反應溶液堿度的提高，改性高水材料的單軸抗壓強度呈現上升趨勢，當NaOH含量在0.4%左右時，油頁巖灰渣高水材料抗壓強度較高。

（2）不同NaOH含量對摻雜油頁巖灰渣高水材料微觀結構變化產生影響，堿性環境加劇了油頁巖灰渣活性成分與高水材料有效成分的化學反應，其主要生成產物鈣礬石的數量和形態均發生較大變化。因此，可以通過改變NaOH含量調節改性高水材料的早期強度。

參考文獻

[1] 譚麗泉，胡相紅，余梅，等.油頁巖灰渣的應用研究進展[J].化學工程師，2016（10）：44-47.

[2] 季桂娟，楊春明，甘樹才，等.利用油頁巖灰渣制備通用硅酸鹽水泥[J].化學工程師，2012（7）：1173-1178.

[3] 張立棟，劉洪鵬，賈春霞，等.我國油頁巖綜合利用相關研究進展[J].化工進展，2012（11）：6-10.