改性鎂渣基充填材料的性能評價及其孔結構演變規律研究

徐明剛 劉立國

(1.江蘇聯合職業技術學院南京分院,江蘇 南京 210019;2.山東師范大學基建處,山東 濟南 250358)

隨著地下開采的發展,充填采礦引起了人們的廣泛關注,已成為地下采礦技術的主要發展方向。 充填采礦技術因其節省尾礦廢棄物儲存場所、減少環境污染、有效控制采空區地壓、保證安全生產等優點,被廣泛應用于地下礦山工程中[1-5]。

充填采礦技術的核心是充填材料,現有的膠結充填材料成本較高,其中凝膠材料的成本尤為突出,達到了充填成本的75%左右[6]。 近年來,學者們對凝膠材料以及充填材料開發及改性進行了大量的研究。如NGUYEN 等[7]在用高爐礦渣或粉煤灰部分代替水泥方面取得了一些重要發現。 CAI 等[8]針對回收傾倒在垃圾填埋場的鎂渣,將其作為一種膠凝材料代替水泥進行了研究。 HUANG 等[9]對膏體充填材料在動載荷作用下的抗壓強度變化規律進行了研究。 姚志全等[10]采用劈裂法對不同配比、濃度的充填體試樣進行了試驗,得到了不同條件下的峰值荷載、峰值位移和應力/應變曲線。 余偉健等[11]將成本較低、取材方便的紅土代替粉煤灰制作膏體充填材料,并進行了坍落度、泌水率、擴展度和單軸抗壓試驗,分析了材料配比和干料質量分數對其性能的影響。 隨著我國金屬鎂產業的發展,鎂渣每年的排放量高達百萬噸[12],帶來了一系列環境問題,學者們對鎂渣處理提出了諸多思路,如煅燒水泥熟料[13]、代替部分水泥作為凝膠材料[14]、生產墻體材料[15]等。 鎂渣和粉煤灰都具有一定的膠凝性能,使其成為硅酸鹽水泥的潛在代替材料。 從固廢資源的實際利用方面看,與礦山充填結合能夠大規模處理鎂渣,既可以保護環境、節省土地資源,又符合國家可持續發展政策[12]。 改性鎂渣基充填體是一種新型的膠結充填材料,以鎂渣和粉煤灰代替水泥與一定比例的細骨料和水混合而成,經攪拌和振動形成的多相材料,用于礦山井下充填時,具有無污染、能耗低、頂板連接性能好等優點。 此外,隨著全球工業化進程加快,對礦產資源的需求不斷增加,開采速度不斷提高,尾礦累積量不斷增加[16]。 尾礦庫廢棄物的儲存不僅浪費了土地資源,還造成了日益嚴重的環境問題(水污染、空氣污染、地表塌陷、植被破壞等)[17],尾礦廢棄物處理是一項艱巨的任務。

目前對于改性鎂渣基充填材料的研究相對較少,本研究以尾砂作為細骨料配置改性鎂渣基充填材料進行塌落度試驗、單軸抗壓強度試驗和壓汞法試驗,分析不同齡期、粉煤灰摻量和尾砂含量對充填體流動性能、力學性能和孔結構演變的影響,探討鎂渣與尾砂實現高效利用的可行性,為釋放固廢占據的土地資源、實現清潔采礦提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗所用鎂渣為山西某鎂廠產出的改性鎂渣,為了提高其活性采用破碎機將其破碎研磨成粉末狀;粉煤灰為四川某工廠生產的F 類粉煤灰;細骨料采用某銅礦尾礦粒徑為0.5 mm 以下的尾砂;試驗用水為實驗室內的普通自來水;改性鎂渣(MS)、粉煤灰(FA)和尾砂(TL)的化學成分見表1。

表1 材料的化學成分Table 1 Chemical composition of material%

1.2 試樣制備

試驗中采用的膠凝材料為改性鎂渣粉以及粉煤灰,為研究MS ∶FA ∶TL 配比對充填體性能的影響,采用自來水、MS、FA、TL 制備了不同配比的樣品。 配合比設計如下:為研究粉煤灰摻量的影響,將凝膠材料與尾砂質量比定為1 ∶1,粉煤灰的摻量設置為凝膠材料的0%、10%、20%、30%、40%。 為了研究凝膠材料與尾砂質量比對充填體性能的影響,將粉煤灰的摻量定為20%,尾砂質量占比設為40%、50%、60%和70%,料漿質量濃度為72%。 按配合比進行混合攪拌制作料漿,將料漿倒入尺寸為直徑50 mm、高100 mm的模具中,成型后將混凝土試塊用保鮮膜覆蓋24 h后進行拆模,參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)要求將試塊放置在養護濕度≥95%、溫度保持在(20±2)℃養護室中進行為期28 d 的標準養護。

1.3 試驗方法

(1)坍落度測試。 坍落度試驗反映了料漿的黏聚力和摩擦阻力,是衡量料漿可移動性的重要指標。在實踐中,100 mm 的坍落度值是充填采礦的最低要求,充填體的坍落度大于160 mm(微型坍落度為71 mm),可運輸性較好[18]。 為節省試驗材料,采用微型坍落度錐來測量充填體的微型坍落度值。 其中,錐體的頂部直徑為50 mm,底部直徑為100 mm,高度150 mm。 微型坍落度試驗按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T 50080—2002)進行。 所有的微型坍落度試驗重復3 次,并使用微型坍落度平均值進行進一步分析。

(2)力學性能。 當充填體試樣達到相應的養護時間后,采用液壓萬能試驗機進行單軸抗壓強度測試。 對試樣進行位移加載,加載速度為1 mm/min。為了分析充填體試樣的早期和中期強度,測定了養護3、7、14、28 d 后的單軸抗壓強度。 所有試驗重復3次,計算單軸抗壓強度的平均值供進一步分析。

(3)孔隙結構。 孔隙結構是混凝土在評價孔隙度和輸運性能時最重要的參數值。 本研究采用壓汞法(MIP)分析改性鎂渣基充填體的孔隙結構。 MIP試件是小塊的膠凝膏,質量為2～3 g,且試件需要用異丙醇停止水合作用。

2 試驗結果與分析

2.1 坍落度

凝膠材料與細骨料質量比為1 ∶1 時,不同類型充填體的微坍落度值變化特征如圖1 所示。 由圖1 可知:粉煤灰摻量為0%時的微坍落度值為114 mm,當粉煤灰摻量增加到10%時漿體的微坍落度值急劇增加到152 mm;隨著摻量增加到20%,微坍落度值為157,增加幅度減小;隨著粉煤灰摻量繼續增加,漿體微坍落度值有所減小,但總的來說,粉煤灰有效增加了充填體料漿的微坍落度值。 為保證充填體有效通過管道輸送,坍落度合理取值范圍為152～255 mm,對應的微坍落度值為68～113 mm。 ZHOU 等[18]研究表明:微型坍落度值大于71 mm 時,充填體材料具有良好的運輸性能。 因此,本研究制備的充填體材料的最小微型坍落度值可以滿足工程應用要求。

圖1 微型坍落度與粉煤灰摻量的關系Fig.1 Relationship between mini-slump and fly ash content

2.2 單軸抗壓強度

不同養護齡期的改性鎂渣基充填體在粉煤灰摻量和尾砂含量影響下的單軸抗壓性能變化特征分別如圖2 和圖3 所示。 隨著養護齡期增加,單軸抗壓強度顯著增加,因為齡期的增加表明具有充足的時間發生水化作用,可以產生更多的水化產物,使顆粒結合在一起。 未摻粉煤灰的樣品在3、7、14、28 d 時的單軸抗壓強度值分別為0. 61、0. 95、1. 37、2. 63 MPa。分析結果表明:改性鎂渣單獨具有一定的膠凝性能,這可能是由于其CaO 含量較高所致,即改性鎂渣內部有一些CaO,當溶于水時,它可以作為自身的活化劑。 由于改性鎂渣中較高的CaO 作為活化劑,因此額外添加的粉煤灰作為膠凝材料有利于激發鎂渣顆粒的水化活性,顯著提高了充填體的單軸抗壓強度。以粉煤灰摻量10%時為例,3、7、14、28 d 的單軸抗壓強度分別為1.05、1.86 、2.65、4.96 MPa,與未摻粉煤灰時相比分別提高了0.44、0.91、1.28、2.33 MPa,單軸抗壓強度與粉煤灰摻量總體呈正相關,這與LANGAN 等[19]的研究結果一致。

圖2 抗壓強度與粉煤灰摻量的關系Fig.2 Relationship between compressive strength and fly ash content

圖3 抗壓強度與尾砂含量的關系Fig.3 Relationship between compressive strength and tailings content

另一個值得注意的是,低粉煤灰含量的充填體在早期強度發展是緩慢的,而高粉煤灰含量的充填體的強度發展較快。 例如,未摻粉煤灰的充填體7 d 抗壓強度比3 d 抗壓強度提高了55.7%;粉煤灰摻量40%時,充填體的7 d 抗壓強度比3 d 抗壓強度提高了90.1%。 一方面,細小的粉煤灰顆粒具有良好的致密填充效果,提高了強度;另一方面,添加的粉煤灰可以為改性鎂渣提供額外的活化劑,從而減少改性鎂渣發生水化作用的時間。 此外,粉煤灰具有良好的火山灰活性(即SiO2和Al2O3),能產生穩定的水化產物。

細骨料含量對于充填體的抗壓強度有著顯著影響,由圖3 可知,改性鎂渣基充填體在不同齡期的抗壓強度均隨著尾砂含量增加而減小。 尾砂含量為40%時,充填體的28 d 抗壓強度為6.61 MPa,當尾砂含量增加到50%、60%、70%時,28 d 抗壓強度分別為5. 37、4. 05、3. 14 MPa, 抗壓強度分別降低了18.75%、38.72%、52.49%。 這是因為隨著尾砂含量增大,鎂渣基充填體中的膠凝材料占比減小,鎂渣和粉煤灰的水化產物降低,膠凝效果較差,內部孔隙結構較差,間隙較大,從而致使充填體的單軸抗壓強度減小。

根據充填體的預期功能,需要不同的抗壓強度值,以保證井下開采作業安全。 在典型的地下開采作業中,28 d 時水泥漿充填體單軸抗壓強度一般為0.7～2.0 MPa 才能提供較好的支撐[20]。 未摻粉煤灰的改性鎂渣基充填體28 d 抗壓強度最低達到2.63 MPa,力學性能良好,其主要缺點是早期強度較低,可以通過添加粉煤灰來改善。 總之,改性鎂渣和粉煤灰混合可以為地下充填提供足夠的膠凝性能,作為細骨料的尾砂含量也可以根據充填需求進行選擇。

2.3 孔結構變化規律

與水泥基材料類似,改性鎂渣基充填體的孔結構是多尺度的,孔內尺寸由納米級擴散到毫米級,若水化產物在水化反應過程中沒有充分發揮充填作用,彌補顆粒和骨架之間的空隙,則會影響改性鎂渣基充填體的力學性能。 圖4 為不同粉煤灰摻量的充填體在28 d 的孔徑分布結果,曲線中的峰值點為臨界孔徑。分析可知:不摻粉煤灰的充填體臨界孔徑最大,為2.830 μm,FA-10、FA-20、FA-30 和FA-40 的臨界孔徑分別為2.318、2.252、1.839、1.504 μm。 可見隨著粉煤灰摻量增加,臨界孔徑逐漸變小,摻量越大臨界孔徑減小的幅度越大,孔隙結構變得精細。 不同尾砂含量的充填體在28 d 的孔徑分布結果如圖5 所示。 由圖5 可知:尾砂含量40%時充填體的臨界孔徑最小,為1.417 μm,尾砂含量50%、60%和70%時臨界孔徑分別為2.249、2.374、3.306 μm,與隨著粉煤灰摻量變化的規律相反,臨界孔徑隨著尾砂含量增加逐漸變大,尾砂含量從40%增至70%時,臨界孔徑增加了1.33 倍。 該現象表明隨著尾砂含量增加,相應的凝膠材料含量減少,粉煤灰不能充分發揮出火山灰效應,水化產物中的凝膠生成受到了制約,孔隙無法有效填充,基質由于顆粒之間缺乏黏聚力而趨于松散。

圖4 不同粉煤灰摻量下充填體孔徑分布Fig.4 Pore size distribution of backfill under different fly ash content

圖5 不同尾砂含量下充填體孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of backfill under different tailings content

孔隙率能夠直接反映充填體的密實程度,是多孔介質力學的重要參數,不同粉煤灰摻量和不同尾砂含量的充填體在28 d 的孔隙率分布結果如圖6 所示。由圖6 可知:改性鎂渣基充填體的孔隙率隨著粉煤灰摻量增加而減小,隨著尾砂含量增大而增大。 不同粉煤灰摻量下充填體孔隙率的變化范圍為25.88%～38.94%,不同尾砂量下充填體孔隙率的變化范圍為20.13%～38.15%。 粉煤灰的增加增大了微集料的充填效應,從而使充填體的密實性增大,孔隙率降低,當粉煤灰摻量增加到40%,充填體孔隙率與粉煤灰摻量為30%時相差無幾。 這表明粉煤灰不能無限制降低孔隙率,甚至當粉煤灰含量過高時會因為對水化活性和凝膠效果的抑制作用而增大孔隙結構。 尾砂含量越大則粒度在不斷增大,尾砂作為細骨料并不參與水化反應,凝膠材料的含量相對減小,微集料不能發揮填充效應,降低了充填體的密實性,生成的水化產物也在減少,孔隙結構的填充效果較差,這與孔徑分布規律相吻合。

圖6 孔隙率隨粉煤灰摻量和尾砂含量的變化特征Fig.6 Variation characteristics of porosity with fly ash content and tailing content

3 結 論

(1)粉煤灰的添加對于改性鎂渣基充填體的流變性能具有顯著影響,微型坍落度值隨著粉煤灰摻量增加先增大后減小,在試驗范圍內,粉煤灰摻量為20%時,充填體的流動性最好。

(2)隨著養護齡期延長和粉煤灰含量增加,充填體的單軸抗壓強度增加;隨著尾砂含量增加,充填體的單軸抗壓強度降低。 低粉煤灰含量的充填體在早期強度發展緩慢,高粉煤灰摻量的充填體早期強度發展較快。

(3)隨著粉煤灰摻量增加,臨界孔徑逐漸變小,摻量越大臨界孔徑減小的幅度越大;隨著尾砂含量增加,臨界孔徑逐漸變大,孔隙率的變化特征與孔徑分布相吻合。

(4)在試驗范圍內,綜合考慮改性鎂渣基充填體的流動性能、力學性能和孔結構變化,粉煤灰摻量為20%、尾砂含量為40%時最佳。