環(huán)保節(jié)能型充填膠凝材料的制備及應用性能研究

劉之琨

摘要：近年來，我國經濟飛速發(fā)展，對礦產資源的需要也在日益加大，同時對生態(tài)環(huán)境保護也有了更高的要求。由于大量礦物質廢棄物排放和地下礦山開采而引發(fā)的環(huán)境污染、生態(tài)破壞問題已成為不可忽視的重大社會問題。采空區(qū)膠結充填既可以避免生態(tài)破壞，又能夠提高資源利用率、大量消耗固體廢棄物，具有顯著的環(huán)境效益、社會效益和經濟效益。

本試驗在介紹充填膠結材料的研究應用現狀基礎上，利用高爐礦渣為主要原料，以水泥熟料和石膏為活化劑，在不同配比下進行實驗，制備環(huán)保節(jié)能型充填膠凝材料。通過對膠凝材料的凈漿進行抗壓強度的測試，從而確定最佳配比。然后在最佳配比下，再以粉煤灰、諾普尾礦、河砂作為膠結的骨料對制備的節(jié)能型膠凝材料進行了應用試驗，并與普硅水泥進行對比。

關鍵詞：膠凝材料，抗壓強度，應用性能，環(huán)保，節(jié)能

一、環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的定義及研究現狀

膠凝材料又稱膠結料，在物理和化學作用下，能從漿體變成堅固的石狀體，并能膠結其他物料，制成有一定機械強度的復合固體的物質。膠凝材料的發(fā)展有著悠久的歷史，而且膠凝材料具有一些優(yōu)異的性能，在日常生活中應用較為廣泛。環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的提出，是針對傳統(tǒng)水泥資源和能源消耗大、環(huán)境污染嚴重等缺點。作為一種新型的膠凝材料。環(huán)保節(jié)能型膠凝材料具有性能優(yōu)良，經濟環(huán)保等突出優(yōu)點。環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可消納大量具有活性的工業(yè)廢渣，即將工業(yè)廢渣作為混合材用來取代傳統(tǒng)水泥中部分或大部分熟料環(huán)保型膠凝材料的研究與制備，將促進我國的水泥工業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展之路。

二、試驗內容

本課題利用高爐礦渣、水泥熟料、硬石膏等原料制備環(huán)保節(jié)能型充填凝膠材料，并通過性能指標測定，與傳統(tǒng)膠凝材料水泥進行比較，分析其膠凝應用特點。主要包括以下兩個方面內容：（1）環(huán)保節(jié)能型凝膠材料制備工藝研究，（2）膠凝材料在尾礦膠結中的應用研究。

實驗儀器

實驗儀器主要包括：膠砂攪拌機（JJ-5 型）、振實臺（ZT-96型）、試模及播料器（4㎝×4㎝×16㎝ 三聯試模，模高為40 mm，槽寬為40 mm）、養(yǎng)護箱（YH—40B 型）、抗壓強度試驗機與抗壓夾具（WAY-300 型）、刮平刀（長300mm 寬30mm）等

四、試驗方法

（一）環(huán)保節(jié)能型充填膠凝材料制備試驗方法

本試驗所用試驗原料主要有高爐礦渣、水泥熟料、硬石膏、普硅水泥、安微諾譜鐵礦進行試驗。

通過試驗探索環(huán)保節(jié)能型充填膠結材料的各種原料的配比，按照配比計算稱量原料后制備填充材料，然后攪拌、成型、養(yǎng)護、脫模后至規(guī)定齡期測定其抗壓強度，最后確定膠凝材料最佳比例。

1、最佳配比的確定試驗

本實驗選用高爐礦渣BFS，水泥熟料和硬石膏。初步設定BFS摻加量分別為70%、75%、80%，水泥熟料和硬石膏的總和占其余比例，以5%變化率變化，再加上一定量的尾砂測其抗壓強度。尾礦1100g，灰砂比15%，總量1265g，所需要的水量是542g，即542ml水，礦漿濃度70%。按上述配比制作膠凝材料，放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護，分別記錄第3天、第7天和第28天的單軸抗壓強度。試驗結果顯示：（1）隨著齡期的延長，各試體單軸抗壓強度逐漸增大;（2）3d、7d、28d單軸抗壓測試顯示強度最大值出現在BFS：水泥熟料：硬石膏=70：15：15配比處。因此環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的最佳配比應該在該配比值附近。

2、配比優(yōu)化實驗

本實驗與上述配比確定實驗選用實驗藥品相同，即高爐礦渣BFS，水泥熟料和硬石膏，此時選用水泥熟料含量以2%變化率變化，得出四個不同的比例，通過摻加不同比例的水泥熟料和硬石膏活化劑測其抗壓強度，記錄第3天，第7天和第28天單軸抗壓強度。試驗結果顯示：（1）隨著齡期的延長，各試體單軸抗壓強度逐漸增大;（2）3d、7d、28d單軸抗壓測試顯示，強度最高的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料制備最佳配比為：高爐礦渣：水泥熟料：硬石膏=70：17：13。

（二）環(huán)保節(jié)能型充填材料膠凝應用試驗

1、應用性能試驗

為了考察制備的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的應用性能，分別以粉煤灰，諾普尾礦，河砂為骨料，以節(jié)能型膠凝材料做膠結，分別養(yǎng)護3天、7天、28天，通過測試他們的單軸抗壓強度，并與普通硅酸鹽水泥做膠結材料的對比試體作比較，從而確定環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的應用性能。根據各種骨料的密度，確定粉煤灰質量為1054g，骨料濃度為62%，諾普尾礦的質量為1190g，骨料濃度為70%，而河砂的質量為1275g，骨料的濃度為75%。在此次試驗中，灰砂比在骨料不同的情況下，他們的數值都是相同的，分別是10%、15%、20%，這樣有一定的對比關系，以不同骨料之間相互比較，從而更好的討論環(huán)保型充填膠凝材料的應用的性能。

2、試驗配比和試驗結果

本文針對上述膠凝材料與普硅水泥進行了砂漿實驗，以考察其單軸抗壓強度。砂漿試驗采用諾普鐵尾礦、河砂、粉煤灰，灰砂比取10%、15%、20%。相同灰砂比情況下試驗結果顯示：（1）粉煤灰作為膠凝骨料時，試體單軸抗壓強度與灰砂比呈正比;環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強度不如普硅水泥強。（2）諾普尾礦作為膠凝骨料時，試體單軸抗壓強度與灰砂比呈正比;環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強度總體上要比普硅水泥強。（3）河砂作為膠凝骨料時，試體單軸抗壓強度與灰砂比呈正比;環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強度總體上要比普硅水泥強。

五、結果與討論

（一）環(huán)保節(jié)能型膠凝材料配比

通過試驗確定的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的最佳配比為：高爐礦渣：水泥熟料：石膏=70：17：13。

（二）不同膠結材料砂漿單軸抗壓強度對比

通過比較發(fā)現隨著養(yǎng)護期的增長各種凝結材料凈漿的單軸抗壓強度基本是增大的趨勢。砂漿的強度與凈漿強度變化規(guī)律類似。而且無論是前期還是后期，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的單軸抗壓強度基本上都高于普硅水泥的單軸抗壓強度。

（三）節(jié)能型膠凝材料的應用性能

通過環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的應用試驗我們發(fā)現，試驗中制備的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料在應用過程中是可以對普硅水泥進行部分替代的，在現實中是可以進行廣泛應用的。在應用實驗中膠結較粗骨料時，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強度是高于普硅水泥的。因此在一定條件下環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可以完全代替普硅水泥。

相對于普硅水泥來說，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可根據膠結的骨料不同而改變其配比，與普硅水泥相比有更好的靈活性，并具有低成本，無需煅燒，能耗低，無污染等優(yōu)勢。另外，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料對顆粒較大的骨料的膠結效果較好，對細顆粒的骨料效果不理想。

（四）討論

通過試驗我們可以發(fā)現：

1、由高爐礦渣、水泥熟料、石膏等制備的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可以完全替代部分水泥作為充填的膠凝材料。

2、普硅水泥完全可以被環(huán)保節(jié)能型膠凝材料所代替，不論是在性能方面還是在成本方面都有著出色的表現。并且具有無需煅燒，能耗低，無污染等優(yōu)勢。

參考文獻：

[1].劉仍光 《水泥-礦渣復合膠凝材料硬化漿體的微觀結構（英文）》[J]. 硅酸鹽學報，2015，05：610-618.

[2].劉瑞成 《粉煤灰替代礦渣微粉作為膠凝材料的早期強度激發(fā)研究》[J]. 有色金屬（礦山部分），2015，02：49-53.