高沙充填材料的輸送性能研究

陳 杰，梁楊芝，王 俊，褚運凱

(西安科技大學材料科學與工程學院，西安 710054)

0 引 言

我國西部神東煤田煤炭儲量豐富，主要開采淺部煤層，大規模高強度開采對生態環境構成嚴重威脅。條帶充填保水開采技術是解決煤礦開采地表生態環境問題的有效途徑[1]。據統計，充填成本占采礦成本的1/3左右，充填成本中充填材料又占80%以上[2]。近年來，國內外廣泛采用工業固體廢棄物部分替代水泥和骨料的高濃度全尾砂膠結充填材料[3]、高水速凝充填材料[4]、擬膏體[5]和膏體充填材料[6-7]等，大大降低了充填材料成本。但是，西部大型礦區開采強度高，充填量巨大；采用機械化開采，矸石不上井，煤矸石等工業廢棄物比例小，難以有效解決充填材料來源問題。充填材料的成本主要來源于骨料和膠結劑，榆神府礦區地處毛烏素沙漠邊緣，風積沙資源豐富，價格低廉，采用風積沙作為充填材料的骨料可大幅度降低充填材料成本。高沙充填材料的研究對于降低充填材料成本，實現環境友好開采，具有重要的實踐意義[8-9]。

為了降低充填材料的費用，因此需要減少膠結劑的用量，增加風積沙骨料含量。骨料的增加會增大料漿在管道輸送的阻力，必然帶來流動性的下降[10-11]，所以高濃度風積沙做為充填材料的輸送性能是需要研究的重要性質之一。高沙充填材料輸送性能的研究對于對充填系統的優化、提高輸送效果、降低輸送成本具有重要意義。通過研究質量濃度、灰沙比、粉煤灰摻量等參數對高沙充填料漿的凝結時間、泌水率和流動性等輸送性能的影響規律，研究其作用機理，給出合理的配比。

1 實 驗

1.1 實驗原料

P·P 32.5火山灰質水泥(陜西堯柏水泥有限股份公司)；聚羧酸高效減水劑(山東濟南)；葡萄糖酸鈉緩凝劑(江蘇)；一級粉煤灰(河南四通化有限公司)，其需水量比92%，D50=12.34 μm；風積沙(榆林)，堆積密度1.62 g/cm3，振實密度1.89 g/cm3，細度模數1.2，含泥量2.27%，D50=496 μm。粉煤灰和風積沙的化學組成如表1所示。

表1 粉煤灰及風積沙的化學成分Table 1 Chemical composition of fly ash and aeolian sand /wt%

1.2 實驗方法

將各原料按照一定的質量比進行配料、混合、攪拌。坍落度、泌水率測試根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)檢測。初凝時間根據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346)檢測。

2 結果與討論

充填料漿輸送性能指標包含流動性、泌水率、初凝時間。流動性用充填料漿的坍落度來表征。條帶充填保水開采對充填材料輸送性能的要求是：坍落度大于18 cm，靜置泌水率不超過3%，泵送時間不小于2～4 h[12]。

2.1 坍落度

坍落度是表征料漿流動性的重要參數，圖1為不同灰沙比下質量濃度對坍落度的影響規律，可以看出，在粉煤灰摻量和灰沙比一定的條件下，隨著料漿質量濃度的增大，坍落度逐漸的減小，流動性能變差。這是因為隨著料漿質量濃度的增大，固相量增加，風積沙顆粒細，比表面積增大，包裹風積沙的水泥漿相對減少，導致流動性變差。

圖1 質量濃度對坍落度的影響規律
Fig.1 Effect of different mass concentrations on slump

圖2 風積沙的SEM圖
Fig.2 SEM image of aeolian sand

表2為不同灰沙比下滿足料漿流動所需坍落度(18 cm)所需要的最大質量濃度。可以看出，隨著風積沙摻量的增加，料漿濃度的最大值逐漸減小。這主要與風積沙的形貌和細度有關，風積沙屬于超細沙(細度模數1.2)，顆粒比表面積大，膠結料不足，不能保證沙顆粒間有足夠的料漿填充潤滑，顆粒間的摩擦阻力增大，流動性變小。此外，由風積沙的SEM圖(圖2)可以看出風積沙顆粒大小雖然比較均勻，但是其形狀不規則，棱角狀居多，這是不利于促進高沙充填材料的流動性的[13]。

表2 不同灰沙比下滿足料漿流動坍落度的最大質量濃度Table 2 Maximum mass concentration that satisfies the slump of slurry flow at different ash-sand ratios

2.2 泌水率

泌水率是膠凝材料在澆注搗實以后凝結以前，從外觀看表面析出水分的一種現象，泌水率太高會導致料漿分層，流動性能變差，膠凝材料流失，這不利于對料漿輸送時間的調控。圖3為不同灰沙比下質量濃度對泌水率的影響規律。以灰沙比為1∶16的一組為例，質量濃度從80%提高到88%時，所配置的料漿的含水量降低了45.5%，但是它的泌水率從原來的40.7%降低到了19.4%，泌水率的變化非常明顯。這是由于水泥和粉煤灰的顆粒粒徑小于風積沙的顆粒粒徑，質量濃度增加，較小的水泥和粉煤灰填充了風積沙骨料之間的空隙，降低了骨料之間的孔隙率，其次，粉煤灰具有部分的多空隙無定型碳的存在，具有吸附自由水的效果，因此導致充填材料的泌水率下降。從圖3可以看出泌水率最低為10.3%，無法達到3%充填泌水率的要求，需采用減水劑對泌水率進行改善。

圖3 質量濃度對泌水率的影響規律
Fig.3 Effect of mass concentration on bleeding rate

圖4 灰沙比對泌水率的影響規律
Fig.4 Effect of ash-sand ratios on bleeding rate

圖4為灰沙比對泌水率的影響規律。從圖中可以看出，相同質量濃度下，隨著沙摻量的增加，泌水率逐漸增大。這是因為風積沙表面雖有少量孔隙，水可以進入其顆粒的內部，但其保水能力很差，所以隨著沙量的增大，高沙充填材料的料漿的泌水率也隨之增大。且隨著風積沙含量的不斷變化，泌水率增加速率也在不斷變化，風積沙含量較低時，泌水率增加速率較慢，風積沙含量較高時，泌水率增加速率較快。這是因為隨著風積沙含量的增大，礦物摻合料粉煤灰的量在不斷減少，粉煤灰具有一定的保水性，但隨著其含量的減少，保水性不斷變弱。同時由于細顆粒風積沙的大量增加，其比表面積也隨之增大，由于其吸水能力較差，所以隨著風積沙摻量的增大，泌水率增大。泌水率均未達到充填開采對3%的泌水率要求，需要進一步通過減水劑來調控。

減水劑是調節混凝土拌合物流動性的外加劑，在保持工作性不變的條件下可以減少用水量，從而達到提高混凝土強度的一種外加劑。一般減水劑用量為膠凝材料的1%～2%。高效減水劑在0.5%左右。研究采用了聚羧酸高效減水劑，研究不同灰沙比下質量濃度為85%配比的坍落度和泌水率，減水劑加入量為膠凝材料的0.1%～0.5%

從圖5可以看出，加入減水劑后，料漿的泌水率均都有明顯的降低，以灰沙比1∶8為例，加入0.1%～0.5%的減水劑后，泌水率由13.6%降低到了1.8%，這是由于減水劑有極性很強的親水基團，易與水分子以氫鍵結合，在水泥顆粒表面形成一層穩定的溶劑化水膜，有利于水泥顆粒的滑動，使拌合物的流動性進一步提高所以在拌合物流動性一定的情況下，隨著減水劑的加入可以大大減少用水量從而達到降低泌水率的效果[13]。

從圖6中可以看出在確定某一個灰沙比的條件下，隨著減水劑加入量的增加，坍落度呈現出先減小后逐漸增大的趨勢。減水劑的最佳加入量在0.3%～0.4%之間，超過這個最佳加入量坍落度增加趨緩。加入0.3%含量的減水劑后可以使灰沙比為1∶8的質量濃度為85%的料漿同時滿足泌水率低至3%和坍落度達到18.0～22.0 cm這兩個要求。

圖5 減水劑對泌水率的影響規律
Fig.5 Effect of water reducing agent on bleeding rate

圖6 減水劑對坍落度影響規律
Fig.6 Effect of water reducing agent on slump

2.3 初凝時間

充填材料初凝時間對料漿在管道中的輸送與施工具有重要的參考作用。水泥∶粉煤灰∶沙子為1∶2∶12時，質量濃度對高沙充填材料的初凝時間影響如圖7所示。可以看出[13]，隨著質量濃度的增大，充填材料的初凝時間逐漸變短，這主要是因為水泥在加水拌和后會發生水化反應。在單位體積的充填材料中，隨著質量濃度的增加，單位充填材料中用水量降低，水泥熟料在水中的濃度相對較高，在較短時間內熟料水化反應產物在漿體中累計到一定程度，使漿體達到一定的密實度，從而使初凝時間變短。

圖7 質量濃度對充填材料初凝時間的影響規律
Fig.7 Effect of mass concentration on initial setting time of filling material

圖8 灰沙比對充填材料初凝時間的影響規律
Fig.8 Effect of ash-sand ratio on initial setting time of filling material

水泥與粉煤灰比為1∶2，質量濃度為85%時，灰沙比對高沙充填材料的初凝時間影響如圖8所示，可以看出，隨著沙子摻量的增加，充填材料的初凝時間逐漸減少。灰沙比由1∶8增加到1∶16時，初凝時間縮短了一半，可以看出，風積沙摻量對初凝時間的影響效果非常明顯。這是由于隨著風積沙摻量增加，導致料漿分層嚴重，沙子沉降。料漿中膠凝材料的量相對減少，膠凝材料無法全部充填沙子間的空隙，上層的膠凝材料與上層水分充分接觸，水化反應強烈，導致初凝時間的縮短，無法達到充填要求，因此需要加緩凝劑調節初凝的時間。

緩凝劑由于具有表面活性，能在膠結料顆粒的固液界面吸附，改變了膠結料顆粒表面的親水性，形成一層可抑制水泥水化的緩凝劑膜層，從而有效改善料漿的流動性，并降低其經時損失，延長凝結時間[14]。以灰沙比1∶8，質量濃度85%為例，葡萄糖酸鈉緩凝劑的摻入量為0.03%～0.11%，由圖9可以看出初凝時間隨緩凝劑摻量的增大而延長，緩凝劑摻量在0.05%～0.09%范圍內緩凝效果最明顯，且摻量為0.07%時即可達到凝結時間要求。

圖9 緩凝劑對充填材料初凝時間的影響規律
Fig.9 Effect of retarder on initial setting time of filling material

3 結 論

(1)滿足充填料漿自流輸送性能要求的高沙充填材料配比:灰沙比1∶8，質量濃度85%，聚羧酸高效減水劑0.3%～0.4%，緩凝劑0.07%；

(2)隨著料漿質量濃度增大，泌水率下降，初凝時間減小。風積沙摻量增加，料漿流動性變差，初凝時間逐漸減小，泌水率增加；

(3)減水劑的加入使得泌水率得到大幅度的下降，坍落度顯著改善。緩凝劑的加入有效延長了充填料漿的凝結時間，有利于長距離管道輸送，緩凝劑摻量在0.05%～0.09%范圍內緩凝效果明顯。