粉煤灰-石膏-鋼渣復摻充填料漿制備與性能研究

朱麗麗 王一光

(1.內蒙古交通職業技術學院建筑工程系,內蒙古 赤峰 024000;2.鄭州大學水利與土木工程學院,河南 鄭州 450001)

充填采礦法不僅能夠高效回采地下礦體資源,而且能夠有效處理地表堆存的固體廢棄物,具有十分廣闊的應用前景[1-2]。該方法通常采用地表堆存的固體廢棄物(尾砂,廢石等)與水泥搭配制備成流動性能優良的充填體置換采場礦體,因此充填體的力學性能對于整體采礦方法而言至關重要,若充填體強度過高則會導致充填成本增加,強度過小則無法有效保證采場穩定[3-4]。因此,如何制備出強度高、成本低的充填體受到業內學者和工程技術人員的廣泛關注。近年來,采用礦物摻合料及冶煉廢料代替部分水泥制備新型綠色充填材料的成果多有報道,采用礦物摻和料及冶煉廢料代替部分水泥不僅能夠降低采礦成本,也有利于保護環境。李勝輝等[5]通過礦渣基膠結充填體力學性能試驗,得出礦渣的合理摻入能夠在一定程度上改善充填體的力學性能。王永定等[6]通過復摻粉煤灰和礦渣,得出摻入礦物摻和料后,充填成本與采用普通硅酸鹽相比降低了70%左右。李宏業等[7]通過開展摻入磷石膏和礦渣的充填體配比優化試驗,得出摻入兩種礦物摻和料后,充填體的早期強度雖有降低,但后期抗壓強度則明顯增大[7]。黃篤學等[8]通過開展礦渣基充填材料的配比優化試驗,得出礦渣的摻入也能夠在一定程度上改善充填體的力學性能。吳凡等[9]通過開展鋼渣摻量對膏體早期強度試驗,得出摻入適量的鋼渣后,充填體的力學強度表現出增大趨勢。李召峰等[10]通過開展多固廢基注漿材料試驗研究,得出合理調配多元固廢材料的配比參數能夠有效提高注漿材料的力學性能。王宏宇等[11]通過開展鋼渣基多固廢摻和料制備水泥砂漿的試驗,得出復合摻入多元固廢材料后能更好地改善水泥砂漿的力學性能。本研究在上述成果的基礎上,以國內某礦山為工程背景,利用鋼渣、粉煤灰及石膏等為材料,開展綠色膠凝材料的尾砂膠結充填體強度性能研究,揭示固廢材料摻量及添加方式對充填體強度的影響。

1 試驗材料

試驗采用的充填骨料為全尾砂,其化學成分見表1,粒徑分布特征參數見表2。鋼渣取自于某冶煉廠的鋼渣,其粒徑分布特征參數見表3。其他膠凝材料如石膏和粉煤灰均取自于某建材公司,對其進行測試得到粉煤灰的細度為3.4%。由表1和表2可知:尾砂的化學成分并沒有對充填體強度不利的化學元素,并且尾砂的曲率和不均勻系數均在參數合理取值范圍內,說明尾砂適合作為充填骨料制備充填體。通過表3可知,鋼渣的細度(+45 μm)含量較多,說明鋼渣較粗,適合與尾砂搭配使用。

表1 尾砂的化學成分測試結果Table 1 Chemical composition test results of tailings %

表2 尾砂顆粒粒徑分布特征Table 2 Distribution characteristics of particle size

表3 其他材料的顆粒粒徑分布特征Table 3 Distribution characteristics of particle size of other materials

2 試驗方案

本研究試驗方案主要包括粉煤灰和礦渣的單摻和復摻試驗,并且與采用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料的充填體進行強度對比分析,進一步說明綠色膠凝材料的可替代性。試驗設計粉煤灰的摻量為5%、10%、15%及20%,鋼渣摻量設計為10%、20%、30%及40%,石膏摻量設計為4%～12%。此外,為更好地激發出材料的膠凝效果,添加99%分析純級顆粒NaOH作為激發劑,摻量取為膠凝材料總質量的2%。試驗首先開展材料的單摻試驗,在確定出各自最佳的摻量水平后,開展復合摻入的試驗研究,從而揭示出摻入兩種材料下的充填體強度變化特征,以期為礦山的充填體配比參數設計提供指導。試驗設計充填體的灰砂比為1∶4,料漿質量濃度為68%。

3 試驗結果與分析

3.1 單摻粉煤灰對充填體強度的影響

結合試驗設計的粉煤灰摻量,開展不同粉煤灰摻量下的充填體強度試驗,從而揭示出單摻粉煤灰對充填體強度的影響規律。不同粉煤灰摻量下充填體強度的變化特征如圖1所示。由圖1可知:隨著粉煤灰摻量增加,充填體的強度表現出先增大后減小趨勢,并且都在粉煤灰摻量為15%時達到最大值,說明粉煤灰摻量存在臨界值現象。由圖1(a)可以看出,當粉煤灰摻量從0%增加至15%時,充填體的3 d強度增加了63.8%,而當粉煤灰摻量從15%增加至20%時,充填體的3 d強度則下降了6.9%,但3 d強度值仍高于未摻粉煤灰充填體的強度值;通過圖1(b)可以看出,當粉煤灰摻量從0%增加至15%時,充填體的7 d強度增加了75.1%,而當粉煤灰摻量從15%增加至20%時,充填體的7 d強度則下降了11.9%,但7 d強度值仍要高于未摻粉煤灰充填體的7d強度值;通過圖1(c)可知,當粉煤灰摻量從0%增加至15%時,充填體的28 d強度增加了47.6%,而當粉煤灰摻量從15%增加至20%時,充填體的28 d強度則下降了14.5%,但28 d強度值仍高于未摻粉煤灰充填體的28 d強度值。因此,隨著粉煤灰摻量從0%增加至15%,充填體的3、7、28 d抗壓強度均表現出不同程度的增加,其中早期抗壓強度遞增最為明顯,但摻入過量的粉煤灰也會降低粉煤灰對充填體強度的改善效果。在堿性環境下,粉煤灰中會解離出活性SiO2和Al2O3,這些物質參與水化反應,從而能夠更有效地提高充填體的早期抗壓強度[12]。

圖1 單摻粉煤灰下充填體強度的變化特征Fig.1 Variation characteristics of backfill strength under single fly ash

3.2 單摻鋼渣對充填體強度的影響

結合試驗設計的鋼渣摻量,開展不同鋼渣摻量下的充填體強度試驗,不同鋼渣摻量下充填體強度的變化特征如圖2所示。由圖2可知:隨著鋼渣摻量增加,充填體的強度表現出先增大后減小趨勢,并且都在鋼渣摻量為30%時達到最大值,說明鋼渣摻量也存在臨界值的現象。由圖2(a)可知:當鋼渣摻量從0%增加至30%時,充填體的3 d強度增加了60.1%,而當鋼渣摻量從30%增加至40%時,充填體的3 d強度則下降了3.9%,但3 d強度值仍高于未摻鋼渣充填體的強度值;由圖2(b)可知:當鋼渣摻量從0%增加至30%時,充填體的7 d強度增加了65%,而當鋼渣摻量從30%增加至40%時,充填體的7 d強度則下降了5.05%,但7 d強度值仍高于未摻鋼渣的充填體7 d強度值;由圖2(c)可知:當鋼渣摻量從0%增加至30%時,充填體的28 d強度增加了40.5%,而當鋼渣摻量從30%增加至40%時,充填體的28 d強度則下降了6.80%,但28 d強度值仍高于未摻鋼渣充填體的28 d強度值。因此,隨著鋼渣摻量從0%增加至30%,充填體的3、7、28 d抗壓強度均表現出不同程度增加,其中早期抗壓強度遞增最為明顯,但摻入過量的鋼渣同樣也會降低鋼渣對充填體強度的改善效果。在堿性環境下,鋼渣中也會解離出活性SiO2和Al2O3,這些物質參與水化反映,從而能夠有利于充填體強度的形成[13]。

圖2 單摻鋼渣下充填體強度的變化特征Fig.2 Variation characteristics of backfill strength under single steel slag

3.3 石膏摻量對充填體強度的影響

結合試驗設計的石膏摻量,開展了不同石膏摻量下的充填體強度試驗。粉煤灰摻量為15%時,充填體抗壓強度隨石膏摻量的變化特征如圖3所示。鋼渣摻量為30%時,充填體抗壓強度隨石膏摻量的變化特征如圖4所示。由圖3可知:當粉煤灰摻量為15%時,充填體3、7、28 d抗壓強度均隨著石膏摻量增加而增大,說明添加適量的石膏能夠有效提高粉煤灰充填體的抗壓強度;當石膏摻量從0%增加至8%,單摻粉煤灰的充填體3、7、28 d抗壓強度分別提高了18.3%、14.6%及14.3%,說明石膏的摻入不僅能夠提高充填體的強度,而且更有利于提高單摻粉煤灰充填體早期強度。由圖4可知:單摻鋼渣時,充填體的抗壓強度與石膏摻量間表現出了明顯的正相關關系,即單摻鋼渣的充填體3、7、28 d抗壓強度隨著石膏摻量增加均表現出增大趨勢,說明添加適量的石膏也能夠有效提高鋼渣基充填體的抗壓強度;當鋼渣摻量為30%時,隨著石膏摻量從0%增加至8%,單摻鋼渣的充填體3、7、28 d抗壓強度分別提高了17.9%、19.7%及13.5%,說明石膏的摻入不僅能夠提高充填體的強度,而且同樣更有利于提高單摻鋼渣充填體的早期強度。此外,進一步分析圖3和圖4可知:當石膏摻量從8%增加至12%時,單摻鋼渣和粉煤灰的充填體強度基本沒有表現出明顯增大趨勢,說明此時石膏摻量增加對充填體強度的提升效果開始弱化,因此石膏的合理摻量應控制在12%以內。

圖3 粉煤灰摻量為15%時充填體抗壓強度與石膏摻量的關系Fig.3 Relationship between compressive strength of backfill and gypsum content when fly ash content is 15%

圖4 鋼渣摻量為30%時充填體抗壓強度與石膏摻量的關系Fig.4 Relationship between compressive strength of backfill and gypsum content when steel slag content is 30%

3.4 復摻粉煤灰和鋼渣對充填體強度的影響

通過前述分析可知,單摻粉煤灰和鋼渣時,最佳的摻入量分別為15%和30%,并且石膏的最佳摻量為8%。因此在單摻粉煤灰和鋼渣的試驗結果基礎上開展了粉煤灰和鋼渣的復摻試驗,試驗方案見表4。依據表4所示方案開展試驗,所得復摻粉煤灰和鋼渣下的充填體強度變化特征如圖5和圖6所示。

圖5 粉煤灰摻量為15%時不同鋼渣摻量下的充填體強度變化特征Fig.5 Variation characteristics of backfill strength under different steel slag content when fly ash content is 15%

圖6 鋼渣摻量為30%時不同粉煤灰摻量下的充填體強度變化特征Fig.6 Variation characteristics of backfill strength under different fly ash content when steel slag content is 30%

表4 粉煤灰和鋼渣的復摻設計方案Table 4 Design schemes of fly ash and steel slag %

由圖5可知:當粉煤灰固定為15%時,充填體的抗壓強度與鋼渣摻量表現出明顯的正相關關系,即充填體的3、7、28 d抗壓強度隨著鋼渣摻量增加而不斷增大,說明鋼渣摻量的增加能夠改善充填體的力學性能。分析圖6可知:當鋼渣摻量為30%時,充填體的抗壓強度與粉煤灰摻量間也表現出明顯的正相關關系,即充填體的3、7、28 d抗壓強度也隨著粉煤灰摻量增加而不斷增大,說明粉煤灰摻量的增加能夠改善充填體的力學性能。因此,綜合圖5和圖6的充填體強度變化可知,固定粉煤灰或鋼渣摻量不變時,隨著鋼渣或粉煤灰摻量增加,充填體強度均表現出逐漸增大趨勢,說明兩種材料發揮了正向協同作用,有利于充填體強度形成。此外,為進一步分析復摻粉煤灰和鋼渣對充填體力學性能的改善效果,將復摻和單摻粉煤灰或鋼渣下的充填體強度進行了對比分析,復摻粉煤灰和鋼渣與單摻粉煤灰或鋼渣下的充填體強度隨養護齡期的變化特征如圖7所示。由圖7可知:不論單摻還是復摻粉煤灰和鋼渣,充填體的抗壓強度隨著養護齡期延長均表現出不斷增大趨勢,并且復摻粉煤灰和鋼渣的充填體強度均高于單摻粉煤灰或鋼渣的充填體強度,進一步說明復摻粉煤灰鋼渣對充填體力學性能的改善效果明顯于單摻粉煤灰或鋼渣對充填體力學性能的改善效果,反映出兩種固廢材料之間存在正向協同作用,從而進一步提高了充填體的強度[14-15]。

圖7 復摻與單摻粉煤灰和鋼渣下的充填體強度隨養護齡期的變化特征Fig.7 Variation characteristics of backfill strength with curing age under mixed and single fly ash and steel slag

4 結 論

(1)通過開展單摻粉煤灰對充填體強度試驗,發現隨著粉煤灰摻量增加,充填體的強度表現出先增大后減小的趨勢,并且都在粉煤灰摻量為15%時達到最大值。

(2)通過開展單摻鋼渣對充填體強度試驗反映出,隨著鋼渣摻量增加,充填體的強度表現出先增大后減小的趨勢,并且都在鋼渣摻量為30%時達到最大值。

(3)當石膏摻量從0%增加至8%時,單摻粉煤灰或鋼渣下的充填體抗壓強度隨著石膏摻量增加表現出不斷增大趨勢,并且石膏摻量增加更有利于提高充填體的早期抗壓強度。此外,當石膏摻量從8%增加至12%時,單摻鋼渣和粉煤灰的充填體強度基本沒有表現出明顯增大趨勢,說明石膏的合理摻量應控制在12%以內。

(4)復摻粉煤灰和鋼渣下,充填體抗壓強度也得到了顯著提高,并且復摻粉煤灰和鋼渣的充填體強度均高于單摻粉煤灰或鋼渣的充填體強度,進一步說明復摻粉煤灰鋼渣對充填體力學性能的改善效果顯著于單摻粉煤灰或鋼渣。