粉煤灰—礦渣—水泥基鋼渣膠結充填料試驗研究

江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

關健詞：粉煤灰；鋼渣；膠結；充填

無煤柱開采可以提高煤炭資源采出率，從而提高礦井經濟效益，采用沿空留巷技術可以很好的解決無煤柱開采的難題［1-2］。巷旁支護材料的選擇是沿空留巷技術的關鍵。目前最為先進的巷旁充填體主要是采用高水材料或水泥作為膠凝性充填材料來構筑，其中大多數充填材料都存在成本高或充填體固化慢的缺點，而充填成本的高低直接影響著礦山經濟效益［3］。因此，制備價格低廉、性能良好的礦山充填材料是非常有必要的。

本實驗采用固體廢棄物為主要原料來制備礦山充填材料，解決礦山充填成本高以及固廢大量堆積的問題。礦渣是礦石冶煉后的殘余物。粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，大量研究結果表明二者皆具有水硬特性［4-6］。鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣，時中華［7］、梁建軍［8］、張鈞林［9］等人研究了利用鋼渣等體積全部或部分替代普通混凝土中的集料進行鋼渣混凝土配制，并對其力學性能進行了試驗研究。因此，針對以上材料的特點，本文利用粉煤灰、礦渣為主要膠凝組分，鋼渣為充填集料制備充填材料進行研究。

1 實驗

1.1 原材料

實驗所用粉煤灰由山東鄒平電廠提供，比表面積為350m2/kg；鋼渣取自濟南鋼鐵集團，95%的顆粒粒徑小于0.63mm，30%的顆粒粒徑小于0.08mm；礦渣采用濟南鮑德爐料公司生產的礦渣微粉，比表面積為459 m2/kg；水泥熟料由山水集團提供；石膏為市場所購買；激發劑為實驗室自制；水為自來水。其主要化學成分見表1。

表1 原材料化學組成 wt%

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗過程

設計正交表進行試驗，其因素水平見表2。將礦渣、粉煤灰、熟料和石膏按一定的比例（如表3 所示）混合均勻后放入球磨機中粉磨20min 制得膠凝材料，再加水、激發劑和鋼渣后混合攪拌制得鋼渣膠結充填料。基于前期實驗的探索，選取水膠比為1.2，激發劑摻量為膠凝材料總量的1%，膠凝材料與鋼渣比為1：5。采用40 mm×40 mm×160mm砂漿試模成型，標準養護至規定齡期測定其力學性能。

表2 正交試驗因素水平

1.2.2 物理性能實驗

比表面積和膠砂強度試驗按國家相關標準來進行。

用FEI Quanta 250 場發射掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣的水化產物形貌進行觀察。

2 結果與分析

2.1 實驗結果

表3 是充填料不同實驗配比方案及其物理力學性能測定結果。

2.2 早期強度分析

由表4 分析可知：對1d 抗壓強度影響最大的是熟料摻量，影響最小的是石膏摻量。在各影響因素中，熟料摻量的3 水平所對應的充填料抗壓強度最高，且摻量越大，1d 強度越高；粉煤灰摻量的1 水平所對應的充填料抗壓強度最高，且摻量越小，1d 強度越高。這主要是因為粉煤灰和礦渣相對于熟料而言，在水化1d 時，其水化活性很低，充填料的強度主要是由熟料水化提供的。熟料摻量越大越能在早期生成大量的C-S-H 凝膠，為充填料提供了早期強度。由極差分析可知，各因數對充填料1d 抗壓強度影響的顯著程度為：熟料＞礦渣＞粉煤灰＞石膏，最佳摻量為礦渣40 份，粉煤灰20 份，熟料15 份，石膏5 份，即礦渣50%，礦渣25%，熟料18.7%，石膏6.3%。最優方案為A1B3C3D3。

表3 實驗配比方案及物理性能測定結果

表4 1d、3d 和28d 極差分析

水化3d 后，對3d 抗壓強度影響最大的是熟料摻量，影響最小的是石膏摻量。相對于水化1d 時，礦渣和石膏對充填料抗壓強度影響的顯著程度有所增加，這主要是因為隨著水化齡期的延長，在石膏充足的情況下，礦渣逐漸水化生成鈣釩石晶體為充填體提供強度。由極差分析可知，各因數對充填料3d 抗壓強度影響的顯著程度為：熟料＞礦渣＞粉煤灰＞石膏，最佳摻量為礦渣36.4%，粉煤灰36.4%，熟料13.6%，石膏13.6%。最優方案為A1B1C3D1。

綜合充填體1d 和3d 強度的極差分析得出，對充填體早期強度影響最大的是熟料摻量，隨著養護齡期的延長，其他因素對充填體強度的影響逐漸增強。

2.3 后期強度分析

由表4 分析可知：對充填體28d 抗壓強度影響最大的是石膏摻量，其次是熟料摻量。同時，合適的石膏摻量對充填體后期強度的提高是有益的，當石膏摻量過高時，反而會降低充填體后期強度。熟料和礦渣摻量的3 水平所對應的充填料抗壓強度最高，且28d 強度隨著摻量增大而增高。同時分析得出，對充填體28d 抗壓強度影響的最大的是石膏摻量，其次是熟料摻量，再之是礦渣摻量，最小是粉煤灰摻量。最優方案為A1B1C3D2，各材料占比分別為粉煤灰38.1%，礦渣38.1%，熟料14.3%，石膏9.5%。

2.4 最佳方案確定

根據試驗結果分析可知，高熟料摻量可以提高充填體的早期強度，合適石膏的摻量可保證充填體的后期強度。綜合充填體各齡期強度和成本，優選出充填膠凝材料的最佳配方，各材料占比為礦渣42.1%，粉煤灰31.6%，熟料15.8%，石膏10.5%。其試驗結果如表5 所示。

表5 最佳配比實驗結果

2.5 最佳配比方案試樣微觀形貌分析

圖1 是最佳配比方案試樣的1d、3d 和28d 的SEM 照片。

圖1 不同水化齡期試樣的SEM 照片

圖1（a）是試樣水化1d 的SEM 照片，可以看出：試樣的主要水化產物是C-S-H 凝膠以及未水化的粉煤灰和礦渣顆粒，充填體結構比較疏松。圖1（b）是試樣水化3d 的SEM 照片，可以看出：相比1d 試樣，試樣的主要水化產物出現了少量針狀的鈣釩石晶體，且C-S-H 凝膠量增加，充填體結構較為致密。圖1（c）是試樣水化28d 的SEM 照片，可以看出：水化28d 后，試樣的主要水化產物是C-S-H 凝膠以及大量針狀的鈣釩石晶體，水化產物相互交結將粉煤灰和礦渣顆粒包裹在一起，使得充填體結構更為致密，從而提高充填體的強度。

4 結論

（1）確定了充填膠凝材料中各原材料的最佳摻量，充填體性能滿足充填要求。

（2）對充填體的早期強度影響較大的是熟料和礦渣摻量；隨著粉煤灰的摻量增加，充填體的早期強隨之降低；合適石膏的摻量對充填體的后期強度非常關鍵。

（3）充填料的最佳配比是粉煤灰40 份，礦渣30 份，熟料15 份，石膏10 份。該充填料性能良好，其1d、3d 和28d 抗壓強度分別達到3.8MPa、6.1 MPa和27.3 MPa，滿足礦山充填要求。