磷石膏基灌漿填充料配制技術(shù)試驗研究

陳嘉康，劉寧，陳兵

（上海交通大學(xué)土木工程系，上海 201100）

磷石膏基灌漿填充料配制技術(shù)試驗研究

陳嘉康，劉寧，陳兵

（上海交通大學(xué)土木工程系，上海 201100）

以工業(yè)廢棄物磷石膏作為基礎(chǔ)材料，制備了一種新型灌漿填充材料。研究了硅酸鹽水泥、微硅粉、速凝劑和減水劑對灌漿填充料流動性、凝結(jié)時間和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：減水劑的摻入有效地改善了填充料的流動性；速凝劑能使填充料的凝結(jié)硬化速度達(dá)到工程要求；在硅酸鹽水泥、微硅粉及生石灰的激活下，磷石膏基灌漿填充料的后期強(qiáng)度大大提高。通過優(yōu)化配比，可以制備出初始流動度達(dá)到300 mm、在4 h內(nèi)凝結(jié)硬化且28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到20.0 MPa以上的灌漿填充料。

磷石膏；灌漿填充料；化學(xué)添加劑；工作性；力學(xué)性能

采礦工業(yè)中形成的采空區(qū)和磷石膏堆場中形成的溶洞都有導(dǎo)致地面塌陷、開裂、失穩(wěn)的可能，同時極易引發(fā)泥石流，危害十分嚴(yán)重。膠結(jié)充填法是處理這類隱患的重要方法[1-2]。目前采用的膠結(jié)劑大多以硅酸鹽水泥為主要膠凝材料，成本較高，研究其它價格低廉同時保證強(qiáng)度的材料來替代水泥具有十分重要的意義。磷石膏作為工業(yè)廢棄物，利用率很低，堆存量很大，占用了大量的土地資源，磷石膏的處理成為一個急迫且重要的問題[3-4]。

已有不少研究工作圍繞磷石膏的資源化開展，張光存等[5]開發(fā)出以磷石膏、生石灰、NaOH和芒硝為替代水泥的膠凝材料，其28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)9.56 MPa。目前所用的膠結(jié)劑大部分是水泥基材料，能實現(xiàn)自流平、在較短的時間內(nèi)凝結(jié)硬化以及具備一定的力學(xué)強(qiáng)度等。而對于磷石膏基材料，缺乏對這些性能的系統(tǒng)研究與評價。本文研究以原狀的磷石膏和粉煤灰為主要基材，輔以少量的水泥和添加劑，開發(fā)一種新型灌漿填充料，具有高流動度、快速硬化固結(jié)和優(yōu)異的力學(xué)性能等特點(diǎn)。為磷石膏的資源化利用提供了新的方向，同時可降低充填廢棄礦井的經(jīng)濟(jì)成本。

1　試驗

1.1原材料

磷石膏：取自貴州翁福化工有限責(zé)任公司磷石膏堆放場，呈淺灰色粉狀，含水率18%～22%；粉煤灰：未經(jīng)處理的原狀灰，呈深褐色，貴州翁?；び邢薰咎峁?；水泥：P·O42.5水泥，上海海螺水泥有限公司；微硅粉：粒徑0.01～0.1 μm，Elken公司提供。磷石膏、粉煤灰、水泥和微硅粉的主要化學(xué)成分見表1。

表1　磷石膏、粉煤灰、水泥和微硅粉的主要化學(xué)成分%

生石灰：產(chǎn)自廈門龍興達(dá)礦產(chǎn)品有限公司，主要成分氧化鈣含量為65%～70%。

減水劑：聚羧酸高效減水劑，固含量30%，減水率30%～45%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑生產(chǎn)有限公司。

速凝劑：鋁酸鈉，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑生產(chǎn)有限公司。

1.2試件制作與養(yǎng)護(hù)

首先，將粉體材料及固體添加劑（速凝劑）按預(yù)定比例加入到攪拌機(jī)，攪拌2 min左右，再將水與液體添加劑（減水劑）攪拌均勻后加入到攪拌機(jī)，繼續(xù)攪拌2 min左右，使料漿拌合均勻，然后澆模成型試件。

試件成型后置于自然環(huán)境（25～35℃、相對濕度40%～60%）下養(yǎng)護(hù)，1 d后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后分別進(jìn)行相關(guān)性能測試。

1.3性能測試

灌漿填充料的流動度按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進(jìn)行測試；力學(xué)性能按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》進(jìn)行測試，抗壓強(qiáng)度測試在300 kN的液壓伺服試驗機(jī)上進(jìn)行，施加荷載速度為0.3～0.5 MPa/s；凝結(jié)時間按照GB/T1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進(jìn)行測試。

2　結(jié)果與討論

2.1磷石膏基灌漿填充料的新拌性能

2.1.1減水劑摻量對灌漿填充料流動度的影響

為了達(dá)到既降低水灰比又滿足高流動度的目的，摻入一定量的減水劑是一個簡便且高效的方法。試驗配比為：水灰比固定為0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（生石灰）∶m（微硅粉）=80∶20∶12∶6∶6，減水劑摻量（按占磷石膏和粉煤灰總質(zhì)量計，下同）對磷石膏基灌漿填充料流動度的影響見圖1。

圖1　減水劑摻量對灌漿填充料流動度的影響

由圖1可見，當(dāng)減水劑摻量在0.6%～0.8%時，隨減水劑摻量的增加，灌漿填充料的初始流動度穩(wěn)步增大，但30 min流動度損失較為嚴(yán)重，減水劑摻量為0.6%～0.7%時，30 min流動度僅為140～160 mm；當(dāng)減水劑摻量從0.8%增加到1.0%時，灌漿填充料的初始流動度基本保持不變，維持在325～330 mm，30 min流動度保持在270～300 mm，此時，減水劑對磷石膏灌漿填充料漿體的初始流動度影響接近飽和，對30 min流動度的保持效果較好。

2.1.2速凝劑摻量對灌漿填充料凝結(jié)時間的影響

為保證填充灌漿技術(shù)效果，要求配制出的灌漿填充料能在4 h左右凝結(jié)硬化，在磷石膏摻量高達(dá)65%的情況下，灌漿料的凝結(jié)硬化速度緩慢。速凝劑的摻入能有效地縮短凝結(jié)硬化時間[6]，加快漿體反應(yīng)速度。研究了鋁酸鈉[7]作為速凝劑對灌漿料凝結(jié)時間的影響。試驗配比為：水灰比固定為0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（生石灰）∶m（微硅粉）∶m（減水劑）= 80∶20∶12∶6∶6∶0.8，速凝劑摻量（按占磷石膏和粉煤灰的總質(zhì)量計，下同）對磷石膏基灌漿填充料凝結(jié)時間的影響見圖2。

圖2　速凝劑摻量對灌漿填充料凝結(jié)時間的影響

由圖2可見，速凝劑鋁酸鈉的摻入對縮短灌漿料凝結(jié)時間具有非常明顯的效果。未摻速凝劑的灌漿填充料終凝時間超過24 h；當(dāng)速凝劑摻量為0.2%時，其終凝時間迅速下降至10 h左右；當(dāng)速凝劑鋁酸鈉摻量為0.5%時，其凝結(jié)硬化時間保持在3.5 h左右，基本能滿足工程應(yīng)用對灌漿料在3～4 h內(nèi)凝結(jié)硬化的要求。

2.2磷石膏基灌漿填充料的力學(xué)性能

2.2.1微硅粉摻量對灌漿填充料強(qiáng)度的影響

微硅粉能夠填充磷石膏顆粒間的孔隙，同時與水化產(chǎn)物生成凝膠體[8-9]，可提高灌漿料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，還能有效降低材料的離析、泌水。試驗配比為：水灰比固定為0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（生石灰）∶m（減水劑）∶m（速凝劑）=80∶20∶10∶5∶0.8∶0.4，微硅粉摻量（按占磷石膏和粉煤灰的總質(zhì)量計，下同）對磷石膏基灌漿填充料強(qiáng)度的影響見圖3。

由圖3可見，隨著微硅粉摻量的增加，磷石膏基灌漿填充料的抗壓強(qiáng)度明顯提高。未摻微硅粉的磷石膏基灌漿填充料28 d抗壓強(qiáng)度為16.15 MPa；微硅粉摻量為6%時，其28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到22.05 MPa。可見，微硅粉的摻入明顯提高了磷石膏基灌漿填充料的力學(xué)性能。試驗中還觀察到，微硅粉的摻入大大地改善了漿體的泌水現(xiàn)象。

圖3　微硅粉摻量對磷石膏基灌漿填充料強(qiáng)度的影響

2.2.2水泥摻量對灌漿填充料強(qiáng)度的影響

磷石膏基灌漿料作為填充材料，在具有高流動性的同時，必須保證其具有較高早期強(qiáng)度、優(yōu)異的后期力學(xué)性能。普通硅酸鹽水泥的礦物組成決定其水化產(chǎn)物[10]，決定最終的力學(xué)性能存在差異，因此，灌漿料中摻入水泥勢必會影響其力學(xué)性能。研究了水泥摻量對磷石膏基灌漿料力學(xué)性能的影響，試驗配比為：水灰比固定為0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（微硅粉）∶m（生石灰）∶m（減水劑）∶m（速凝劑）=80∶20∶6∶6∶0.6∶0.5，水泥摻量（按占磷石膏和粉煤灰總質(zhì)量計，下同）對磷石膏基灌漿填充料強(qiáng)度的影響見圖4。

圖4　水泥摻量對磷石膏基灌漿填充料強(qiáng)度的影響

由圖4可見，灌漿填充料中摻入水泥后，力學(xué)性能發(fā)生了變化，尤其是抗壓強(qiáng)度變化明顯。未摻水泥的磷石膏基灌漿填充料28 d抗壓強(qiáng)度僅為8.6 MPa；隨著水泥摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度穩(wěn)步提升，當(dāng)水泥摻量為15%時，其28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到23 MPa。

2.3綜合性能探討

在前面的分析討論中可知，各個組分對灌漿料的性能影響都有各自的特點(diǎn)。減水劑能使灌漿料在較低水灰比的條件下獲得足夠大的流動度；速凝劑能使灌漿料的凝結(jié)硬化時間大為縮短，但同時也降低了漿體的流動度；微硅粉的摻入改善了灌漿料的力學(xué)性能和抑制離析泌水，但同時也影響漿體的流動性。在此基礎(chǔ)上，固定水灰比為0.2，繼續(xù)對水泥、微硅粉和減水劑摻量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期獲得盡可能低的經(jīng)濟(jì)成本和綜合性能滿足要求的灌漿填充料，優(yōu)化配合比見表2，性能測試結(jié)果見表3。

表2　磷石膏基灌漿填充料優(yōu)化配合比%

表3　優(yōu)化設(shè)計配合比的性能測試結(jié)果

由表3可見，R1組30 min流動度只有190 mm，流動度經(jīng)時損失過大，R2和R3組的流動性較好，R4組的力學(xué)性能不如前3組。分析可知，水泥摻量在10%～12%，減水劑摻量在0.8%～0.9%時，磷石膏基灌漿填充料的流動性和抗壓強(qiáng)度都能保證工程應(yīng)用要求。

3　結(jié)論

（1）在水灰比固定為0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（微硅粉）∶m（生石灰）∶m（減水劑）∶m（速凝劑）=80∶20∶（10～12）∶5∶6∶（0.8～0.9）∶0.5基礎(chǔ)上，可以制備出初始流動度達(dá)到300 mm、終凝時間在4 h內(nèi)、28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到20.0 MPa以上的磷石膏基灌漿填充料。

（2）減水劑和速凝劑摻量對磷石膏基灌漿填充料漿體的工作性能影響顯著，通過調(diào)節(jié)二者的摻量，可以得到不同流動度和凝結(jié)時間性能組合的灌漿料產(chǎn)品，從而實現(xiàn)滿足工程需求的目的。

（3）灌漿填充料中摻入微硅粉，由于微硅粉可以細(xì)化灌漿料中的空隙，因此灌漿料的抗壓強(qiáng)度提高，離析現(xiàn)象得到改善。

[1]周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]劉芳.磷石膏基材料在磷礦充填中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報，2009（12）：3171-3179.

[3]杜璐杉，明大增，李志祥，等.磷石膏的利用和回收[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2010（4）：21-28.

[4]羅玚，張華剛，梁凡凡，等.現(xiàn)澆磷石膏抗壓強(qiáng)度影響因素的試驗研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報，2013（4）：86-89.

[5]張光存，楊志強(qiáng)，高謙.利用磷石膏開發(fā)替代水泥的早強(qiáng)充填膠凝材料[J].金屬礦山，2015（3）：194-197.

[6]郭文康，王述銀，肖開濤.新型混凝土速凝劑的性能試驗研究[J].水力發(fā)電，2013（1）：85-88.

[7]張勇.鋁酸鹽液體速凝劑的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

[8]陳兵，姚武，李悅.微硅粉在混凝土工程中的應(yīng)用[J].新型建筑材料，2000（11）：5-7.

[9]馬保國，韓磊，李海南，等.摻合料對硫鋁酸鹽水泥性能的影響[J].新型建筑材料，2014（9）：19-22.

[10]丁建文，張帥，洪振舜，等.水泥-磷石膏雙摻固化處理高含水率疏浚淤泥試驗研究[J].巖土力學(xué)，2010（9）：2817-2822.

Experimental studies on preparation technique of phosphogypsum-based grouting material

CHEN Jiakang，LIU Ning，CHEN Bing
（Department of Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 201100，China）

This paper use phosphorus gypsum as the primary ingredient to produce a new type of grouting material.The influence of cement，silica fume，accelerating agent and water reducing agent content on the fluidity，setting time and strength properties of this grouting material are experimental researched.The experimental result indicates that the water reducing agent is helpful to improve the fluidity of material and accelerating agent could catalyze the activation reaction to meet the demand of project. The high performance grouting material can be made under the activation of cement，silica fume and quicklime.Grouting materials whose initial fluidity can reach 300 mm，setting and hardening in 4 h and later strength can reach 20.0 MPa are prepared by optimizing ratio of material.

phosphorus gypsum，grouting material，chemical addition agent，workability，mechanical strength

TU472.99

A

1001-702X（2016）10-0042-03

國家自然科學(xué)基金項目（51378309）

2016-03-14；

2016-04-24

陳嘉康，男，1991年生，湖南益陽人，碩士研究生。