粒徑對(duì)固廢在充填體材料中膠凝性的影響研究

摘要：利用膠凝固廢代替充填體材料中的水泥，不僅可以降低礦山充填成本，也可以減少環(huán)境污染。但是固廢的膠凝性受諸多因素影響，粒徑大小是一個(gè)重要因素。本研究開(kāi)展多區(qū)間粒徑固廢膠凝充填體材料的試驗(yàn)研究，以單軸抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)探究其影響規(guī)律，并根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)分析其機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的減小，不同齡期下充填體單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增加，固廢的膠凝性增強(qiáng)，并且后期充填體單軸抗壓強(qiáng)度增加明顯。微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)后期產(chǎn)生大量水化產(chǎn)物，并且水化產(chǎn)物與水泥的水化產(chǎn)物類似。研究結(jié)果可為礦山低成本高效充填提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：粒徑；固廢；膠凝性；充填材料；宏細(xì)觀特征；單軸抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TD853.34""""""""" 文章編號(hào)：1001-1277（2024）12-0053-03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20241210

引 言

礦山充填體材料對(duì)礦山具有重要意義，它不僅起到支撐采空區(qū)以防止地表塌陷的作用，還可以大量處理固廢，減少?gòu)U棄物的污染［1-3］。但是，充填體材料也有一個(gè)非常明顯的缺陷，即充填成本較高，主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)礦山充填體材料的膠凝材料采用水泥，水泥的大量使用導(dǎo)致充填成本居高不下。尋找水泥的替換物是礦山降低充填成本的主要途徑。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，發(fā)現(xiàn)許多固廢具有潛在的膠凝活性，常規(guī)使用的膠凝固廢有礦渣、鋼渣、粉煤灰、石膏和赤泥等［2-7］。其中，礦渣、鋼渣和石膏搭配使用效果最佳，也是最常用的固廢。利用以上固廢替代水泥也取得了大量研究成果。例如：梁凱圣等［8］利用不同摻量礦渣粉代替水泥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻入適量礦渣粉的混凝土單軸抗壓強(qiáng)度有所增加。但是，對(duì)于固廢活性的研究，尤其固廢粒徑對(duì)活性的影響研究甚少。

充填體材料在采空區(qū)主要起到支撐作用，因此力學(xué)特征是它的主要特征參數(shù)。大多數(shù)對(duì)充填體力學(xué)特征的研究都是研究其單軸抗壓強(qiáng)度［9-10］。李文臣等［10］研究了膠結(jié)劑、硫酸鹽對(duì)充填體早期單軸抗壓強(qiáng)度的影響。為了對(duì)充填體進(jìn)一步研究，有些學(xué)者利用掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的觀察［11-13］。例如：趙文華等［13］利用掃描電鏡技術(shù)研究了固廢在不同配比下的水化產(chǎn)物情況。通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的觀察可以深入探究固廢在充填體材料中的作用機(jī)理，因此掃描電鏡技術(shù)得到了廣泛的使用。

基于以上研究的基礎(chǔ)和不足，本研究利用尾砂為骨料，采用鋼渣、礦渣和磷石膏3種固廢代替水泥，研究固廢在不同粒徑范圍內(nèi)對(duì)充填體試樣宏細(xì)觀特征的影響規(guī)律。通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度和掃描電鏡圖對(duì)充填體材料宏細(xì)觀進(jìn)行表征，為礦山安全高效低成本進(jìn)行充填采礦提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)以礦山尾砂為骨料，水泥和固廢（鋼渣、礦渣、磷石膏）質(zhì)量比按照1∶1來(lái)制作膠凝物，采用料漿濃度75 %，膠砂比1∶4來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)。其中，利用激光粒度儀對(duì)尾砂進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果如圖1所示。采用X射線熒光光譜儀和X射線衍射儀對(duì)固廢化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。將研磨后的固廢利用100目、200目、300目和400目的網(wǎng)篩進(jìn)行篩分，分別記為A1、A2、A3和A4組。試樣制作和養(yǎng)護(hù)過(guò)程為：首先按照配比稱取各原料，將原料攪拌均勻再加水?dāng)嚢璩闪蠞{，然后注入標(biāo)準(zhǔn)圓柱模具中，待24 h后脫模，再將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，最后在第7天和第28天進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試。測(cè)試流程為：首先將養(yǎng)護(hù)好的試樣放在單軸壓縮機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，然后在壓碎的試樣中心選取1 cm2左右的碎片，將碎片放入烘干箱烘干，再在碎片上噴金，最后放在掃描電鏡儀上觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度特征

對(duì)不同組別的試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：不同齡期下充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨粒徑的減小逐漸增加，并且隨齡期的增長(zhǎng)，充填體單軸抗壓強(qiáng)度急劇增加。這一方面說(shuō)明，膠凝固廢粒徑越小，越容易發(fā)生水化反應(yīng)，這與其他學(xué)者的一些研究結(jié)果相類似［14-15］；另一方面也說(shuō)明，膠凝固廢在前期發(fā)生水化反應(yīng)不太明顯，到后期才大量的水化反應(yīng)，這也與一些研究結(jié)果相印證［16］。對(duì)比A1和A4組，7 d和28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別增加了58.93 %和16.29 %，說(shuō)明7 d時(shí)，粒徑對(duì)水化反應(yīng)影響較大。對(duì)比不同齡期下充填體單軸抗壓強(qiáng)度，A1組增加最大，增加了2.95倍。這也說(shuō)明隨著粒徑的增大，其水化反應(yīng)也在延緩，后期大粒徑固廢才發(fā)生水化反應(yīng)。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

掃描電鏡是直接觀察充填體材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)最常用的方法之一，它可以根據(jù)需要選取不同的倍率進(jìn)行觀察。通常情況下，高倍率用來(lái)觀察水化產(chǎn)物、孔隙形態(tài)等，低倍率用來(lái)觀察骨料、孔隙分布等。按照要求對(duì)試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：水化產(chǎn)物大部分為針狀物和棒狀物，還有絮狀物，他們錯(cuò)綜復(fù)雜地交織在一起。其中，針狀物填充在孔隙內(nèi)，絮狀物附著在固體上。根據(jù)相關(guān)研究，針狀物為鈣礬石（AFt），絮狀物為C-S-H［17］。從圖3還可以看出，28 d時(shí)水化產(chǎn)物較多，并且水化產(chǎn)物發(fā)育較好。由于膠凝固廢的成分與水泥相似，因此發(fā)生的水化反應(yīng)與水泥的類似，可用式（1）～（3）表示［18］。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出膠凝固廢主要在后期發(fā)生大量水化反應(yīng)，在這里也得到了印證。

2.3 孔隙特征

2.3.1 數(shù)字圖像處理技術(shù)

數(shù)字圖像處理技術(shù)是指對(duì)圖像中含有的圖形進(jìn)行特征參數(shù)提取。掃描電鏡圖在低倍率下可以呈現(xiàn)出孔隙分布特征，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以提取出掃描電鏡圖中孔隙特征參數(shù)。通常情況下，孔隙特征參數(shù)包括孔隙半徑、孔隙圓形度、孔隙周長(zhǎng)和孔隙面積。其中，孔隙圓形度表示孔隙與圓的近似度，其值越靠近1，說(shuō)明其與圓越相似，其表達(dá)式可表示為式（4）［19-20］。數(shù)字圖像處理技術(shù)過(guò)程大致可概括為：先將掃描電鏡圖轉(zhuǎn)化為二值化圖，然后利用分析軟件對(duì)二值化圖進(jìn)行參數(shù)提取，最后得出掃描電鏡圖的孔隙參數(shù)。

式中：C為孔隙圓形度；l為孔隙周長(zhǎng)（mm）；A為孔隙面積（mm2）。

2.3.2 充填體材料孔隙分析

孔隙特征是充填體材料的重要特征，其對(duì)充填體材料各項(xiàng)性能均有影響。根據(jù)上述求解方法對(duì)充填體材料的孔隙特征參數(shù)進(jìn)行提取，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：隨著粒徑的減小，孔隙的平均直徑、圓形度、周長(zhǎng)和面積都在逐漸減小。這是因?yàn)殡S著粒徑的減小，膠凝固廢的水化反應(yīng)越來(lái)越多，生成的水化產(chǎn)物也越來(lái)越多，充填體材料內(nèi)的孔隙被產(chǎn)物填充，導(dǎo)致孔隙變小，因此，充填體材料的孔隙特征參數(shù)逐漸變小。從圓形度上可以看出，其值越來(lái)越小，越來(lái)越接近1，說(shuō)明其孔隙越來(lái)越接近圓形，也從側(cè)面說(shuō)明孔隙越小，其形態(tài)越規(guī)則，越接近圓形。

3 機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，可以了解到膠凝固廢的粒徑對(duì)其膠凝性的影響機(jī)理為：前期粒徑越小越容易發(fā)生水化反應(yīng)，但水化反應(yīng)量較少，隨著時(shí)間的增加，膠凝固廢的水化反應(yīng)開(kāi)始劇烈，水化產(chǎn)物也在大量產(chǎn)生，并且較大顆粒也進(jìn)行了水化反應(yīng)。膠凝固廢由于成分與水泥類似，其水化反應(yīng)和水化產(chǎn)物也與水泥相類似。

4 結(jié) 論

1）不同齡期下充填體材料的單軸抗壓強(qiáng)度隨著粒徑的減小逐漸增加，并且隨著齡期的增長(zhǎng)，充填體單軸抗壓強(qiáng)度急劇增加。這說(shuō)明膠凝固廢粒徑越小，越容易發(fā)生水化反應(yīng)，并且在前期發(fā)生水化反應(yīng)不太明顯，到后期才發(fā)生大量的水化反應(yīng)。

2）膠凝固廢的水化產(chǎn)物主要為針狀物的鈣礬石（AFt）和絮狀物的C-S-H，該產(chǎn)物與水泥的水化產(chǎn)物類似，這可以從膠凝固廢的成分與水泥相似來(lái)解釋。

3）隨著粒徑的減小，膠凝固廢的水化反應(yīng)越來(lái)越多，生成的水化產(chǎn)物也越來(lái)越多，充填體材料內(nèi)的孔隙被產(chǎn)物填充，導(dǎo)致孔隙變小，并且水化反應(yīng)越徹底，孔隙的形態(tài)越規(guī)則，越接近圓形。

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Study on the effect of particle size on the cementitious properties of solid waste in backfill materials

Abstract：Replacing cement in backfill materials with cementitious solid waste can reduce mine backfilling costs and mitigate environmental pollution.However，the cementitious properties of solid waste are influenced by various factors，among which particle size is a crucial one.This study conducted experimental research on backfill materials using" solid waste with different particle size ranges，using uniaxial compressive" strength as the evaluation index to explore the impact mechanism.Microscopic structure analysis was performed to understand the underlying mechanism.Results show that as particle size decreases，the uniaxial compressive strength of the filling body increases at different curing ages，enhancing the cementitious properties of the solid waste.Notably，the uniaxial compressive strength of filling body" increases significantly at later stages.Microscopic analysis reveals the formation of a large number of hydration products in the later stages，which are similar to those of cement hydration products.

Keywords：particle size;solid waste;cementitious properties;backfill materials;macro-micro characteristics;uniaxial compressive strength