堿激發(fā)膠凝材料在充填領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展★

周天璧，蔣 波，羅正東

(1.岳陽路橋集團(tuán)有限公司,湖南 岳陽 414000; 2.湘潭大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

0 引言

在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中,由于地下巖溶洞穴、土洞以及礦山采空區(qū)等空洞未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處治,通常會造成地面塌陷,從而導(dǎo)致建筑倒塌、道路中斷或地下水倒灌等問題的發(fā)生,嚴(yán)重威脅人們生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。近年來,針對上述孔洞處治問題,誕生了一系列行之有效的技術(shù)方法,最為常見的為充填法,其中主要包括干式充填法、水砂充填法和膠結(jié)充填法。相較于其他充填法,膠結(jié)充填法因其具有施工工藝簡單、充填效率快、固廢資源利用率高等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于空洞充填領(lǐng)域[2]。膠結(jié)充填法具體是指將膠凝材料、骨料和水按照一定比例均勻拌合,以自流或者泵送的形式運(yùn)送至待充填區(qū)域,通過膠凝材料、骨料和水發(fā)生一系列物理-化學(xué)作用形成具有一定承載力的充填體[3]。

目前,充填領(lǐng)域中最為常用的膠凝材料為水泥,但水泥的制備運(yùn)輸過程中存在高能耗、高污染、高碳排放等問題。相關(guān)研究表明,每生產(chǎn)1 t水泥熟料將排放約0.95 t的CO2,其中干法熟料能耗為3 300 kJ/kg,濕法熟料能耗高達(dá)5 500 kJ/kg[4]。此外,水泥費(fèi)用約占充填材料總成本的60%～80%[5]。為推進(jìn)落實(shí)綠色建造,實(shí)現(xiàn)我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的綠色可持續(xù)性發(fā)展,充填領(lǐng)域亟需研發(fā)成本低廉、低碳節(jié)能、生態(tài)環(huán)保的充填膠凝材料。

堿激發(fā)膠凝材料是指具有潛在火山灰活性的硅鋁酸鹽材料,在堿激發(fā)劑的激發(fā)活化作用下形成的具有水硬活性的無機(jī)硅鋁酸鹽膠凝材料,其具有性能優(yōu)異、耐久性好、綠色環(huán)保等特點(diǎn),被視為是普通硅酸鹽水泥的理想替代品[6]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者從其反應(yīng)機(jī)理、力學(xué)性能以及耐久性等方面對堿激發(fā)膠凝材料開展了大量的理論、試驗(yàn)研究工作。研究表明,與普通硅酸鹽水泥相比,堿激發(fā)膠凝材料具有早強(qiáng)快硬、耐酸堿腐蝕、耐凍融以及耐高溫[7]等優(yōu)點(diǎn)。此外,堿激發(fā)膠凝材料的制備過程無需高溫煅燒,其生產(chǎn)能耗僅為普通硅酸鹽水泥的10%,CO2排放量較硅酸鹽水泥也降低了90%[8]。

然而,目前的研究主要集中在堿激發(fā)膠凝材料本身力學(xué)性能或在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用,關(guān)于其在溶洞充填領(lǐng)域的研究還鮮見報(bào)道。鑒于此,本文首先對堿激發(fā)膠凝材料膠結(jié)尾砂的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了介紹,然后對近年來堿激發(fā)膠凝材料在充填領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),最后對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望,以期為堿激發(fā)膠凝材料在充填領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 堿激發(fā)膠凝材料膠結(jié)骨料反應(yīng)機(jī)理

20世紀(jì)40年代,比利時(shí)科學(xué)家Purdon[9]首次闡述了堿激發(fā)材料的反應(yīng)機(jī)理,指出高爐礦渣中的硅鋁酸鹽礦物組分在NaOH激發(fā)作用下溶解形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉,隨后與鈣組分水化后的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化鋁酸鈣(C-A-H)和水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠。20世紀(jì)60年代,前蘇聯(lián)科學(xué)家Glukhovsky[10]提出了基于低鈣硅鋁酸鹽材料的堿激發(fā)反應(yīng)Glukhovsky模型,該模型將堿激發(fā)反應(yīng)分為三個(gè)階段,分別為解構(gòu)-重構(gòu)階段、重構(gòu)-凝聚階段、凝聚-結(jié)晶階段。20世紀(jì)80年代,法國材料學(xué)家Davidovits[11]針對偏高嶺土材料,將堿激發(fā)反應(yīng)過程分為溶解、解聚和縮聚三個(gè)階段,即在堿激發(fā)劑的作用下,偏高嶺土中的硅鋁酸鹽礦物組分發(fā)生溶解,Si-O鍵和Al-O鍵發(fā)生解聚,再聚合形成以-Si-O-Al-為骨架的高分子聚合物。綜上可知,目前就堿激發(fā)反應(yīng)機(jī)理還尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識,但普遍認(rèn)同的結(jié)論是堿激發(fā)膠凝材料的反應(yīng)過程分為溶解、解聚、縮聚和固化四個(gè)階段。

堿激發(fā)膠凝材料對骨料的膠結(jié)過程為富含鋁酸鹽礦物組分的原料,在堿激發(fā)劑的激發(fā)活化作用下發(fā)生硅氧鍵、鋁氧鍵溶解,然后解聚為單聚體,之后縮聚為硅鋁酸鹽凝膠。一部分硅鋁酸鹽凝膠將離散的骨料膠結(jié)包裹并填充在骨料殘留的孔隙中形成團(tuán)聚體,其余的硅鋁酸鹽凝膠凝結(jié)硬化形成外部支撐骨架并將獨(dú)立的團(tuán)聚體聯(lián)結(jié)成相互連通、結(jié)構(gòu)致密的空間結(jié)構(gòu)體系,以此提高充填體的宏觀承載性能[12]。總體而言,目前關(guān)于堿激發(fā)膠凝材料和骨料的反應(yīng)機(jī)理研究報(bào)道較少,主要原因是不同礦區(qū)的骨料理化性質(zhì)不同,采用相同的堿激發(fā)膠凝材料膠結(jié)骨料也可能會表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。針對上述問題,今后應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的充填要求,考慮到堿激發(fā)膠凝材料性能的差異性,建立與之匹配的堿激發(fā)-骨料體系反應(yīng)機(jī)理模型。

2 堿激發(fā)膠凝材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

自從Purdon提出“堿活化”理論以來,關(guān)于堿激發(fā)膠凝材料的研究迅速發(fā)展,并取得了一系列重大研究進(jìn)展。以下就幾種典型的堿激發(fā)膠凝材料在充填領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

2.1 礦渣基堿激發(fā)膠凝材料

礦渣是煉鐵過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)物,經(jīng)淬冷成粒后粉磨制成。礦渣主要由非晶態(tài)玻璃質(zhì)組成,非晶態(tài)物質(zhì)的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般在80%以上,其主要成分為CaO,SiO2,Al2O3,MgO等[13]。由于礦渣獨(dú)特的化學(xué)成分和空間結(jié)構(gòu),使其具有較高的潛在膠凝活性。

Cihangir等[14]以礦渣為硅鋁質(zhì)原材料,研究了不同類型堿激發(fā)劑(氫氧化鈉和液體水玻璃)對充填材料強(qiáng)度的影響,并與普通硅酸鹽水泥充填材料進(jìn)行比較,結(jié)果表明不同類型堿激發(fā)礦渣基充填材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于普通硅酸鹽水泥充填材料。張少鵬等[15]研究發(fā)現(xiàn),堿激發(fā)礦渣基充填體強(qiáng)度明顯高于水泥基膠結(jié)充填體,其強(qiáng)度是水泥對照組的2.2倍～3.4倍;在流動性能方面,堿激發(fā)礦渣基充填體相較于水泥基也表現(xiàn)得更為優(yōu)異。除此之外,堿激發(fā)礦渣基膠凝材料表現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。任磊等[16]對堿激發(fā)礦渣基充填材料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了詳細(xì)分析,研究表明,堿激發(fā)礦渣基充填材料成本普遍低于水泥基充填材料,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢。

2.2 粉煤灰基堿激發(fā)膠凝材料

粉煤灰是煤經(jīng)過高溫煅燒冷卻之后形成的粉狀固體廢棄物,其化學(xué)組成主要為SiO2,Al2O3和Fe2O3,三者總量約占70%[17]。粉煤灰主要物相為硅鋁玻璃體和少量的石英、莫來石等礦物,其中大量的硅鋁玻璃體是粉煤灰膠凝活性的主要來源[18]。

由于堿激發(fā)粉煤灰基膠凝材料的早期強(qiáng)度低,因而單純以堿激發(fā)粉煤灰基膠凝材料制備充填材料的研究報(bào)道較少。為了保證堿激發(fā)劑膠凝材料的早期力學(xué)性能,通常以堿激發(fā)粉煤灰-礦渣復(fù)合充填膠凝材料為主[19]。孫曉剛等[20]采用堿激發(fā)礦渣-粉煤灰制備充填材料,充填材料試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d,28 d的抗壓強(qiáng)度分別為2.12 MPa和6.84 MPa,抗壓強(qiáng)度均滿足充填要求。王麗娟等[21]以礦渣、粉煤灰為硅鋁原材料,水玻璃為堿激發(fā)劑制備充填材料,研究了不同粉煤灰摻量對充填材料流動性及力學(xué)性能的影響,研究表明,具備球形玻璃體結(jié)構(gòu)的粉煤灰能夠發(fā)揮其“滾珠效應(yīng)”,有利于改善料漿的和易性,提高充填材料的流動性。

2.3 尾礦基堿激發(fā)膠凝材料

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國的尾礦和廢石累積堆存量已接近600億t,其中尾礦堆存量為146億t,尾礦通常具有較大的腐蝕性和污染性,大量尾礦的簡單堆埋處置不僅對生態(tài)環(huán)境造成了不可修復(fù)的危害,還存在難以估量的安全隱患[22]。尾礦的化學(xué)組成較為復(fù)雜,我國尾礦的礦物成分以石英、長石、石灰石等為主,其化學(xué)成分主要為SiO2,Al2O3與天然火山灰類似,具有潛在的膠凝活性[23]。

近年來,大量研究學(xué)者利用尾礦制備堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用于充填領(lǐng)域。李峰等[24]以鉬尾礦為原料制備堿激發(fā)膠凝材料作為充填采礦的膠凝材料,通過干法加堿煅燒活化方式來激發(fā)鉬尾礦的膠凝活性,研究表明,當(dāng)灰砂質(zhì)量比為1∶4、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%時(shí),充填材料不同齡期的抗壓強(qiáng)度均滿足充填要求,并且具有良好的環(huán)境相容性。董猛等[25]利用煤礦煤層伴生的硬質(zhì)高嶺土為硅鋁原材料,以煤礦開采和洗滌過程中的主要固體廢棄物煤矸石為骨料,采用堿激發(fā)的方式制備充填材料,對充填體強(qiáng)度、流動性與環(huán)境性進(jìn)行研究,研究表明,當(dāng)堿激發(fā)劑Na2SiO3與NaOH的配比為1∶1,偏高嶺土與煤矸石的配比為3∶7時(shí),充填體力學(xué)性能和流動性均可以滿足充填要求,且碳排放指標(biāo)低至0.257。

2.4 有色金屬冶煉渣基堿激發(fā)膠凝材料

有色金屬冶煉渣是有色金屬礦物在冶煉過程中產(chǎn)生的廢渣,其中在鉛、鋅或銅礦的冶煉過程中會產(chǎn)生大量有色金屬廢渣。通常,有色金屬廢渣中均含有潛在的有毒金屬和類金屬(如砷、銻),其具有成分復(fù)雜、環(huán)境危害大等特點(diǎn),屬大宗工業(yè)固體廢物[26]。

有色金屬冶煉渣種類繁多,大都具有潛在膠凝活性,近年來研究學(xué)者利用其制備堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用于充填領(lǐng)域。朱茂蘭等[27]以銅渣為研究對象,石灰為堿激發(fā)劑制備充填材料,研究表明,采用堿激發(fā)銅渣基膠凝材料與尾砂調(diào)配,可制備出適用于充填的材料,充填體標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度滿足充填要求。吳愛祥等[28]為了實(shí)現(xiàn)銅爐渣的大規(guī)模利用,通過堿激發(fā)的方式制備銅爐渣基充填膠凝材料,結(jié)果表明,充填材料標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度達(dá)到了1.0 MPa,適用于井下充填。陳青[29]以鉛鋅渣為研究對象,采用堿激發(fā)方式制備充填材料,并與現(xiàn)用P.O42.5水泥的基本性能進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明,在料漿濃度均為75%的條件下,灰砂質(zhì)量比為1∶6的堿激發(fā)鉛鋅渣基膠凝材料灰可代替灰砂質(zhì)量比為1∶4的現(xiàn)用P.O42.5水泥,可有效降低充填成本。

3 堿激發(fā)膠凝充填材料未來發(fā)展趨勢

近年來,圍繞堿激發(fā)膠凝材料在充填領(lǐng)域的應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者對此展開了大量的研究,為促進(jìn)堿激發(fā)膠凝材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用,未來可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究:

1)力學(xué)性能:堿激發(fā)膠凝材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能,其中包括抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等,但目前對以堿激發(fā)劑膠凝材料制備的充填體力學(xué)性能的研究,主要集中在后期強(qiáng)度上,而關(guān)于早期強(qiáng)度的研究還鮮見報(bào)道。充填體早期強(qiáng)度對施工過程具有重要的影響,早期強(qiáng)度高不僅可縮短充填時(shí)間,提高充填效率,還可確保安全生產(chǎn)。因此,今后應(yīng)對充填體的早期力學(xué)性能開展進(jìn)一步的研究。

2)耐久性:堿激發(fā)膠凝材料相較于普通硅酸鹽水泥具有良好的耐久性,其中包括耐酸堿侵蝕性、抗凍融性、抗干濕性等,但目前關(guān)于堿激發(fā)膠凝材料制備充填體的耐久性研究還鮮見報(bào)道。充填體耐久性是非常重要的指標(biāo),同時(shí)也是體現(xiàn)充填體能否長期應(yīng)用的關(guān)鍵所在,充填體通常位于地下,難以避免地會受到地下水中各類化學(xué)離子的侵蝕作用。在受到化學(xué)離子侵蝕后,充填體的各項(xiàng)性能將會大打折扣,從而影響其長期正常使用性能,因此,充填體耐久性的研究可作為下一步的研究重點(diǎn)。

3)前驅(qū)體種類:堿激發(fā)膠凝材料前驅(qū)體種類繁多,其中包括高爐礦渣、粉煤灰、偏高嶺土、尾礦、有色金屬廢渣等。不同前驅(qū)體種類制備的充填體性能差異性較大,且目前關(guān)于堿激發(fā)充填膠凝材料的研究多為一元或二元體。因此,未來可根據(jù)前驅(qū)體原料各自特點(diǎn)取長補(bǔ)短,協(xié)同使用各類原料,發(fā)揮前驅(qū)體性質(zhì),研究堿激發(fā)多元充填膠凝材料的制備,提升充填材料的性能。

4)堿激發(fā)劑種類:堿激發(fā)膠凝材料中堿激發(fā)劑是提升充填體強(qiáng)度的重要因素,同時(shí)也是堿激發(fā)充填膠凝材料的主要經(jīng)濟(jì)投入點(diǎn)。堿激發(fā)劑種類繁多,其中包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、硅酸鈉等,但其使用成本較高。因此,未來可探索利用成本低廉且具有堿激發(fā)作用的工業(yè)廢棄物如堿渣、電石渣等作為堿激發(fā)劑制備堿激發(fā)膠凝材料的可行性。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對酸激發(fā)、鹽激發(fā)膠凝材料等開展研究,以此來提高激發(fā)劑應(yīng)用的廣度和深度,降低造價(jià)。

4 結(jié)語

堿激發(fā)膠凝材料作為一種新型綠色膠凝材料,其力學(xué)性能好、耐久性優(yōu)異,且生產(chǎn)使用過程具備低碳、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn),其原材料的選擇與利用來源更加廣泛,可有效替代普通硅酸鹽水泥制備充填膠凝材料應(yīng)用于充填領(lǐng)域。今后對堿激發(fā)充填膠凝材料的研究可向著改善充填體早期強(qiáng)度、提高充填體耐久性、擴(kuò)大前驅(qū)體原料和堿激發(fā)劑種類的方向繼續(xù)進(jìn)一步發(fā)展。堿激發(fā)膠凝材料在充填領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義,可貫徹落實(shí)綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,實(shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。