大摻量粉煤灰膠結(jié)充填料漿的膠結(jié)性能研究

王 健，呂憲俊，胡術(shù)剛，金子橋

(山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266510)

目前，關(guān)于粉煤灰的綜合利用已被廣泛研究，其主要應(yīng)用在建材、環(huán)保、化工、水利、環(huán)境治理、高附加值物提取，但用量都很有限，利用率不足40%。采用粉煤灰作為充填材料，在解決控制地表沉陷，實現(xiàn)礦物充分開采的同時，能充分利用這一固體廢棄物，實現(xiàn)變廢為寶。運河煤礦是一年設(shè)計充填回采能力40萬t的中型煤礦，其周邊的運河電廠為其提供了豐富的粉煤灰資源。由于煤礦采空區(qū)的頂板大多不穩(wěn)定，為了實現(xiàn)邊開采邊充填，要求充填料漿短時間內(nèi)形成一定的支撐強度，通常要求4～8h內(nèi)充填體凝結(jié)強度達到0.15MPa以上。目前，以大摻量粉煤灰做為充填骨料的研究和應(yīng)用在國內(nèi)還較少，而以粉煤灰做為主要充填材料，能消耗掉大量的電廠所產(chǎn)生的粉煤灰。本文擬通過不同條件膠結(jié)和流變試驗，使充填膠結(jié)體的強度滿足充填要求，且配制的料漿具有較好的流變性，以適宜充填至井下。

1 試驗原料及試驗方法

1.1 試驗原料

根據(jù)運河煤礦周邊實際情況，其充填材料有運河電廠的粉煤灰、某鐵礦尾砂。對上述兩種材料進行了物化性能的測定，見表1～表3。

表1 充填材料密度

表2 主要充填材料粒級組成

表3 試驗材料化學(xué)成分

分析表1～表3可以看出：①粉煤灰的密度較小，其在充填材料中的添加，可以減少膠結(jié)劑的用量；②粉煤灰的平均粒徑0.054mm，安徽某鐵礦尾砂，平均粒徑0.154mm，可以根據(jù)級配，充分利用粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)。

1.2 試驗方法

對充填膠結(jié)體強度的測定，按GB/T17671-1999標(biāo)準(zhǔn)，采用電液式抗壓抗折試驗機進行：將配制好的料漿經(jīng)行星式水泥砂漿攪拌機充分?jǐn)嚢韬蟮谷肽＞邇?nèi)，放振實臺振實、成型。之后，放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護至規(guī)定齡期后脫模，測定其抗壓強度。

鑒于膠結(jié)體強度受料漿濃度、尾砂摻量和灰砂比多個變量因素多個水平的影響。采用正交試驗只能用于因素較多而水平較少的試驗,對于多水平的因素來講，不僅安排試驗的難度提高，成本也會成比例增加，且這些因素間不完全存在顯著函數(shù)關(guān)系。應(yīng)用響應(yīng)面法來進行試驗設(shè)計與分析，能解決這些問題。本文以抗壓強度做為響應(yīng)值，以試驗中考查的三個因素(濃度、灰砂比、骨料配比)為變量，分析變量對強度這一響應(yīng)值的影響程度，為后續(xù)的流變性試驗提供參考。

制備出的料漿要想順利充填到井下采空區(qū)，須有良好的流變性，因此對大摻量粉煤灰膠結(jié)充填試驗進行了流變性試驗。實驗采用測定配制料漿的坍落度，來對料漿流變性進行表征，按照GB/T 50080-2002進行測量。坍落度值是衡量料漿稠度的一個重要指標(biāo)，坍落度的力學(xué)含義是料漿因自重流動，因內(nèi)部阻力而自動停止的最終變形值。測量坍落度的坍落桶一般高30 cm，上口徑10 cm，下口徑20 cm。將攪拌均勻的料漿裝入桶內(nèi)，提起坍落桶后，漿體由于自重作用使其向四周擴展流動，高度隨之下降，漿體坍落的高度即為坍落度。坍落度越大，說明料漿的流動性越好。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 大摻量粉煤灰膠結(jié)配比試驗

針對煤礦要求早強快硬的特點，結(jié)合粉煤灰的物化特性，采用硫鋁酸鹽類激發(fā)環(huán)境能達到要求，進行了以下試驗：

(1)普通水泥膠結(jié)試驗。對于粉煤灰膠結(jié)充填，先是采用了傳統(tǒng)的膠凝材料波特蘭水泥進行了膠結(jié)試驗，結(jié)果見表4。

表4 水泥膠結(jié)粉煤灰單軸抗壓強度試驗結(jié)果 MPa

通過表4的試驗結(jié)果可以看出，單一用水泥，膠結(jié)體在1d的強度為0.30MPa左右，短期內(nèi)(4h、8h)沒有強度。說明單獨采用水泥作為膠凝材料，難以滿足煤礦充填的要求。為此，在水泥中加入具有早強效果的KN膠凝材料進行以下試驗，以滿足早強的要求。

(2)尾砂復(fù)合骨料膠結(jié)試驗。響應(yīng)面法(RSM)是用來對響應(yīng)值受多個變量影響的問題進行建模和分析,其目的是優(yōu)化這個響應(yīng)值。響應(yīng)面是指響應(yīng)值y同一組輸入X1,X2,…,Xn之間存在函數(shù)關(guān)系式: y=f(X1,X2,…,Xn),則由y=f(X1,X2,…,Xn)所表示的曲面。響應(yīng)y代表三維空間中的一張曲面,為有利于目測響應(yīng)面的形狀,常畫出響應(yīng)面的等高線。在等高線圖中,每一條等高線對應(yīng)于響應(yīng)面的一個特定的高度,它有助于研究導(dǎo)致響應(yīng)面的形狀或高度改變時,輸入量X1,X2,…,Xn的水平。本試驗中響應(yīng)面分析因素與水平見表5。

以A料漿濃度X1，B尾砂摻入量X2，C灰砂比X3為自變量，以膠結(jié)體強度Y為響應(yīng)值，進行響應(yīng)面分析試驗，試驗結(jié)果見表6。

影響膠結(jié)體強度的一個重要因素是灰砂比，圖1、圖2分別是灰砂比和濃度、灰砂比和摻入量的交互作用，對養(yǎng)護24h膠結(jié)體強度(養(yǎng)護4h、8h的響應(yīng)面趨勢圖與此圖相同)的影響。

表5 響應(yīng)面分析因素水平表

表6 響應(yīng)面分析方案與試驗結(jié)果

圖1 灰砂比和濃度對抗壓強度(24h)影響

圖2 灰砂比和尾砂摻入量對抗壓強度(24h)影響

通過上面的響應(yīng)面圖和等高線圖，結(jié)合最陡坡分析法可以得知：灰砂比是對膠結(jié)體強度影響最為顯著的因素。同時，根據(jù)成本計算，在成本允許的情況下，灰砂比確定為20%。

在確定了灰砂比這一因素后，對料漿濃度及摻入量對膠結(jié)體強度的影響進行分析(圖3)。

圖3 濃度和尾砂摻入量對抗壓強度(24h)影響

對圖3進行分析可以看出：尾砂的摻入量在20%～30%之間時，膠結(jié)體4h抗壓強度能達到0.20MPa以上，尾砂的摻入量過高，會導(dǎo)致膠結(jié)體抗壓強度的下降。對膠結(jié)體8h和24h抗壓強度響應(yīng)面進行分析可以看出，尾砂摻入量的增長不利于抗壓強度，其摻入值在20%～30%時的效果，總體比較理想。

濃度條件也是影響膠結(jié)體抗壓強度的一個重要因素，但其不如灰砂比影響顯著(響應(yīng)面相對于圖1、圖2較為平緩)。隨著濃度增加，膠結(jié)體抗壓強度也在增加。由圖3可以看出，所進行的試驗條件中，并沒有取到膠結(jié)體抗壓強度的最高值(極值的條件應(yīng)在等高線面上的圓心處)，這是因為抗壓強度最高值對應(yīng)濃度，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了試驗條件范圍。但考慮到料漿進行井下充填要具有一定的流動性，并不能單單考慮強度這一因素，所以設(shè)計的試驗?zāi)軌蚍磻?yīng)出濃度的影響規(guī)律和影響程度即可，并不一定要取到最大值。根據(jù)響應(yīng)面圖結(jié)合接下來的坍落度試驗，可以確定出適合充填的料漿的濃度范圍。

充填膠結(jié)體要有足夠的強度(4h抗壓強度高于0.15MPa)這是料漿配制的前提條件。經(jīng)過基于響應(yīng)面的膠結(jié)試驗可以得出：灰砂比是影響強度的最主要因素，結(jié)合成本考慮其值確定為20%能滿足充填要求；尾砂摻入量將導(dǎo)致膠結(jié)體強度降低，其可接受范圍為20%～30%；濃度的提高能增強膠結(jié)體強度(不如灰砂比顯著)，但需結(jié)合料漿流變性綜合考慮。

2.2 充填料漿流變性試驗

單一粉煤灰骨料料漿流變試驗。一般情況下，充填料漿濃度增大，用于配制料漿的水量減少，膏體料漿變稠，坍落度變小。為了考查單一粉煤灰條件下，料漿濃度對料漿的坍落度影響程度，進行了以下一組實驗。實驗中，粉煤灰濃度范圍51%～66.5%，灰砂比為20%。試驗結(jié)果見圖4。

圖4 單一粉煤灰料漿濃度與坍落度的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著粉煤灰濃度的增加，坍落度隨之降低，在濃度從51%到63.8%，坍落度從29.5cm降到24.5cm，漿體明顯變稠，料漿的坍落度的突變點在61%左右，此值前后料漿的坍落度發(fā)生較明顯改變。當(dāng)濃度到66.5%，坍落度降為19cm，膠砂流動性很差。為了保證輸送效率和料漿的流動性，若采用單用粉煤灰作骨料，濃度應(yīng)控制在58.5%～62%。

混合骨料料漿流變試驗。采用粉煤灰加尾砂為混合骨料后，料漿的流變性發(fā)生明顯改善，為了表征料漿的流變性，對混合骨料配制的料漿進行了坍落度試驗。為了考查尾砂摻入量對流變性能的影響，實驗中粉煤灰與尾砂的比例采用了三個配比：8∶2(20%)，7∶3(30%)，5∶5(50%)。料漿濃度范圍為55%～70%，灰砂比為20%，試驗結(jié)果混合料漿料濃度與坍落度的關(guān)系與圖4相似。

從圖4中可以看出：①隨著尾砂摻入量的增加，料漿流變性明顯得到改善：粉煤灰∶尾砂為5∶5時，料漿濃度到70%時坍落度為25cm，且未達到其坍落度的突變點。②隨著尾砂摻入量的增加，料漿坍落度的突變點對應(yīng)的料漿濃度明顯變高：配比為8∶2時，突變點濃度在65%；配比為7∶3時，突變點濃度在66%；配比為5∶5時，料漿濃度到70%仍未到其突變點。③結(jié)合圖4可以看出，尾砂的摻入能夠改善料漿的流變性。

流變性是順利充填至井下的保證，料漿順利充填必須要有足夠好的流變性。通過坍落度試驗可以得出：單一粉煤灰條件下，料漿在低濃度下(<60%)流變性較好，坍落度突變點對應(yīng)料漿濃度在61%左右；摻入尾砂后，料漿流變性得到改善；隨尾砂摻入量的增加，坍落度對于濃度的突變點逐步升高。

經(jīng)膠結(jié)試驗，結(jié)合流變性試驗對料漿配制提出最優(yōu)條件：灰砂比確定為20%；尾砂在骨料中的摻入量控制在20%～30%；料漿濃度控制在60%～66%之間，隨著尾砂摻入量的增加，濃度可在這一范圍內(nèi)適當(dāng)增加。在這一控制范圍內(nèi)配制的料漿，充填膠結(jié)體4h抗壓強度達到0.40MPa以上，24h抗壓強度達0.69MPa，料漿在坍落度在24cm以上，流變性較好。

3 結(jié) 論

本文以基于響應(yīng)面法的膠結(jié)試驗得出，對抗壓強度這一響應(yīng)值，灰砂比對其的影響最為顯著，結(jié)合實際，考慮將其確定為20%；粉煤灰摻入量的增長有利于抗壓強度，但其對料漿的流變性能不利。坍落度實驗表明，當(dāng)粉煤灰摻入量在70%～80%，濃度在60%～66%時，料漿具有較好

的流變性能。經(jīng)上述實驗確定出來的料漿，在保證強度的前提下，料漿具有較好的流變性能。同時，粉煤灰做為充填材料其在骨料中的配比可達80%，實現(xiàn)了粉煤灰的大量利用。

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