礦用充填材料粉煤灰活性激發(fā)的研究

＊史筆鋒

（汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦洗煤廠 山西 033300）

膠結(jié)充填材料研究存在著很多問題，粉煤灰是主要的充填膠結(jié)料，因此，粉煤灰的活化對于充填技術(shù)而言至關(guān)重要，現(xiàn)階段有關(guān)粉煤灰活性激發(fā)及其在充填材料配比中的性能研究較少，若能找出能使粉煤灰活性最有效得到激發(fā)的活化劑和激發(fā)劑的比例，使粉煤灰膠結(jié)性能達(dá)到最合適強(qiáng)度，既有助于充填開采技術(shù)的推廣，還可以降低成本，使企業(yè)獲得更好的效益。水泥作為主要的輔助充填膠結(jié)料，其費(fèi)用占整個(gè)充填成本較大比重。通過實(shí)驗(yàn)室研究增加其他膠結(jié)材料（粉煤灰）等工業(yè)廢棄物的比例，從而降低充填成本。

膠結(jié)充填開采通過控制上覆巖層移動(dòng)，減小地面沉陷，避免含水層破壞，達(dá)到對“三下”煤層的安全開采的技術(shù)要求，為此，監(jiān)測充填體、上覆巖層、地面建筑形變等相關(guān)技術(shù)的研究，對于了解、改善充填工藝，確保充填效果顯得尤為重要。

1.粉煤灰的特性及礦物組成

粉煤灰有十分復(fù)雜的礦物組成，其波動(dòng)范圍也比較大。從物相上可以分為兩類，即晶體礦物與非晶體礦物。礦物組成中的晶體礦物通常主要有石英、無水石膏、生石灰、氧化鎂及莫來石等，其中的非晶體礦物主要是指玻璃體，其含量占一半以上，此外還有一部分次生褐鐵礦或者無定形碳。粉煤灰的主要礦物組成如表1所示。

表1 粉煤灰中主要礦物成分

試驗(yàn)分別選用兩個(gè)礦的粉煤灰FA1與粉煤灰FA2，F(xiàn)A1灰為II級低鈣粉煤灰，外觀與水泥相似，風(fēng)干后顏色為中度灰色，細(xì)度為35～65μm，顯微鏡下觀察多為不規(guī)則多孔玻璃碎屑體，松散密度為0.69g/cm3；FA2灰雖然同屬于II級低鈣粉煤灰，顏色卻比FA1灰淺一些，松散密度比FA1灰領(lǐng)略大一些，值為0.77g/cm3。

粉煤灰的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3、CaO、K2O等。其中SiO2、TiO2來自黏土與巖頁；Fe2O3、FeO來自黃鐵礦；CaO來自相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽類礦物。由圖1可以得到FA1粉煤灰的含鈣量（CaO）、燒失量（L.O.I）都不如FA2粉煤灰的值高。其他的組分MgO、K2O、Na2O兩種粉煤灰的含量相差不多。

圖1 粉煤灰的主要化學(xué)成份含量

根據(jù)前面對兩種粉煤灰的分析，雖然粉煤灰（FA1）含鈣量較低，燒失量（L.O.I）也跟FA2粉煤灰相差50%以上，但是運(yùn)輸成本較低。為了最大幅度地降低充填成本，實(shí)驗(yàn)選用粉煤灰（FA1）。FA1粉煤灰外觀呈現(xiàn)灰褐色，使用45μm方孔篩得到的通過率為26.25%，由統(tǒng)計(jì)出的粉煤灰粒徑分布可以得到，粒徑在0.075mm～0.15mm的占比在80%以上，粉煤灰FA1的主要化學(xué)組成，如表2。

表2 粉煤灰的主要化學(xué)成份比例及物理性質(zhì)

2.加入激發(fā)劑對材料性質(zhì)的影響

常用的活化方法有水溶劑法與有機(jī)溶劑法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料性質(zhì)我們采用水溶劑法。常溫下將一定量的活化劑加入100g的粉煤灰中，劇烈攪拌后靜置，觀察粉煤灰沉浮情況，下沉者是親水的，上浮者是疏水的。用水浮實(shí)驗(yàn)考察粉煤灰的疏水性，結(jié)果表明未活化的粉煤灰是親水的，加入水中立即下沉。粉煤灰漿液加入活化劑之后，活化劑結(jié)合在粉煤灰表面上，粉煤灰表面完全變?yōu)槭杷?，從而增?qiáng)粉煤灰的懸浮能力及活性。

實(shí)驗(yàn)采用的激發(fā)劑為硅酸鈉和元明粉。無激發(fā)劑的情況下水與粉煤灰攪拌后放置時(shí)間長短對組分配方早期抗壓強(qiáng)度影響均不大，所以將復(fù)摻時(shí)無激發(fā)劑的配方（H11、H31）對比標(biāo)準(zhǔn)，選單、復(fù)摻時(shí)3d內(nèi)最高的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行總結(jié)。

如圖2所示，活化時(shí)間的長短對各齡期的強(qiáng)度沒有顯著的影響，單摻硅酸鈉時(shí)，其最佳摻量是0.3%（表中的百分?jǐn)?shù)均是激發(fā)劑與粉煤灰的質(zhì)量百分比），陳放4h與8h強(qiáng)度區(qū)別不大，與未陳放相比，8h、3d抗壓強(qiáng)度提高不明顯，24h強(qiáng)度提高最明顯，且陳放時(shí)間越長初凝時(shí)間越短；元明粉單摻0.5%為最佳摻量，陳放4h與8h強(qiáng)度仍區(qū)別不大，但與未陳放比3d內(nèi)抗壓強(qiáng)度均有明顯提高，但初凝時(shí)間隨陳放時(shí)間逐漸縮短，最短為112min，仍滿足現(xiàn)場泵送要求。由此可知，單摻一種激活劑的條件下，硅酸鈉的單摻效果不如元明粉的激發(fā)效果。

圖2 不摻激發(fā)劑時(shí)活化時(shí)間長短對各齡期強(qiáng)度的影響

復(fù)摻0.1%硅酸鈉和0.5%元明粉比單摻硅酸鈉或元明粉在各齡期強(qiáng)度都有一定幅度的提高，尤其是經(jīng)過活化一段時(shí)間之后，表現(xiàn)的尤為明顯。當(dāng)復(fù)摻0.1%硅酸鈉和0.5%元明粉時(shí)，陳放8h與0h、4h相比，強(qiáng)度8h強(qiáng)度增大不多，但與未放置相比，24h和72h強(qiáng)度都有了很大的提高，初凝時(shí)間隨放置活化時(shí)間的增加而縮短，但初凝時(shí)間最短為106min仍符合現(xiàn)場材料泵送的要求。如圖3所示。

圖3 復(fù)摻激發(fā)劑時(shí)活化時(shí)間長短對各齡期強(qiáng)度的影響

綜上所述，復(fù)摻0.1%硅酸鈉和0.5%元明粉為最佳摻量，這個(gè)比例能夠最大限度的激發(fā)活化劑的效果，使粉煤灰的早期活性得到激發(fā)，進(jìn)而使3d內(nèi)材料的早期強(qiáng)度大幅度地提高，同時(shí)初凝時(shí)間一般在108min左右，能夠滿足現(xiàn)場工作人員操作和泵送漿液時(shí)間的要求。由以上分析摻激發(fā)劑的活化劑得到的最優(yōu)配方是：

粉煤灰:水:水泥:石灰:石膏:早強(qiáng)劑:J90:硅酸鈉:元明粉=4000:4490:500:125:75:15:10:4:20。

3.活化溫度對材料性質(zhì)的影響

探究不同活化溫度對試塊性質(zhì)的影響試驗(yàn)步驟如下：

①將活化劑、自來水、粉煤灰按照配方中的比例用電動(dòng)攪拌器攪拌8min后倒入10個(gè)塑料盆，然后將其放入水溫為4℃、6℃、8℃、10℃、12℃、14℃、16℃、18℃、20℃、22℃的水浴養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行陳放8h。

②到達(dá)規(guī)定陳放時(shí)間后將粉煤灰漿從養(yǎng)護(hù)箱取出，將稱好的干料全部混入粉煤灰漿中，用電動(dòng)攪拌器充分?jǐn)嚢?0min后，倒入10套7.07cm×7.07cm×7.07cm三聯(lián)試模，并用刮刀將上面抹平后，在上面鋪一層塑料紙（其目的是防止水份蒸發(fā)），將10套試模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

③養(yǎng)護(hù)箱的條件完全模擬井下采空區(qū)的環(huán)境，溫度設(shè)為17℃，濕度設(shè)為78%，到達(dá)養(yǎng)護(hù)時(shí)間后將試模從養(yǎng)護(hù)箱取出，將試模底部的木塞拔出后，用氣泵、脫模槍進(jìn)行脫模，然后在YAW-300B萬能壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫在實(shí)驗(yàn)記錄本上。

為了研究活化溫度對最終強(qiáng)度的影響，活化時(shí)間定為8h，先取以前的經(jīng)驗(yàn)配方作為基本配方，按基本配方制的漿料倒入9套試模在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中的養(yǎng)護(hù)90d，剩下漿料測凝結(jié)時(shí)間，總共做12組實(shí)驗(yàn)，選取其中9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到以下規(guī)律：活化溫度越低則各齡期的試塊單軸抗壓強(qiáng)度越小，初凝時(shí)間也越長，試塊的初凝時(shí)間越短則其前期單軸抗壓強(qiáng)度越大，但在活化溫度在16℃以上后，漿液的凝結(jié)時(shí)間開始有所減少，但是時(shí)間縮短的趨勢不十分明顯，如圖4。

圖4 不同活化溫度對強(qiáng)度的影響

4.結(jié)論

文中在前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交重復(fù)實(shí)驗(yàn)摸索出適用于粉煤灰的活性激發(fā)劑的最佳配比、活化溫度及活化時(shí)間對膠結(jié)材料性質(zhì)的影響規(guī)律，找出了粉煤灰活化的最佳溫度，確定了活化劑及其他添加劑的最佳配比，為合理確定工作面充填材料提供依據(jù)。