工業(yè)固廢在超高水材料中綜合利用的實驗研究

秦大健

（1.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

超高水材料作為一種煤礦充填開采技術(shù)的核心材料，在研發(fā)之初就是以保護(hù)煤礦地面生態(tài)環(huán)境為目的，在經(jīng)過不斷的發(fā)展和改良后，逐步在煤礦充填開采、沿空留巷、空區(qū)回填、防滅火、防治水等多個技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，在使用過程中，材料固結(jié)體因含水率高的特性，使材料出現(xiàn)壓縮泌水的情況，從而影響材料的長期穩(wěn)定性，如何在保證材料強度、控制材料成本的前提下提高超高水材料性能，也成為超高水材料急需解決的一個技術(shù)難題。本文主要通過在超高水材料中摻入不同比例的粉煤灰、粒化高爐礦渣粉（礦渣粉）、選鐵尾礦砂（尾砂）等工業(yè)固廢，研究超高水材料強度、壓縮率等性能變化，從而改進(jìn)超高水材料性能，實現(xiàn)工業(yè)固廢的綜合利用。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

工業(yè)固體廢物是指我國各工業(yè)領(lǐng)域在生產(chǎn)活動中年產(chǎn)生的對環(huán)境和安全影響較大的固體廢物，其中大宗工業(yè)固廢主要包括尾礦、煤矸石、粉煤灰、冶煉渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、赤泥和電石渣，現(xiàn)以粉煤灰、礦渣粉、尾砂為主要研究材料。

粉煤灰一般是指煤炭燃燒后產(chǎn)生的飛灰，實驗選取邯鄲武安市大唐電廠二級粉煤灰，45μm方孔篩篩余量為12.5%；礦渣粉是鋼鐵廠冶煉生鐵時產(chǎn)生的熔融物，經(jīng)水淬形成的工業(yè)固體廢渣，烘干粉磨形成的一種具有潛在水硬性膠凝材料，實驗選取邢臺沙河市金隅詠寧水泥廠S95級礦渣粉，45μm方孔篩篩余量為1.8%，比表面面積422 m2/kg；尾砂一般是指金屬礦石經(jīng)破碎、粉磨、選礦后殘留的固體廢棄物，實驗選取邢臺沙河市橫森選鐵廠尾砂，其45μm方孔篩篩余量為15.4%。

實驗選取的粉煤灰、礦渣粉、尾砂，主要化學(xué)成分分析見表1。

表1 化學(xué)成分分析（%）Table 1 Analysis of chemical composition(%)

超高水材料由A料、B料兩種純無機粉體材料組成，使用時取等量材料加入與同比例的水中分別攪拌，攪拌完成后在待充填區(qū)域附近混合，最后輸送至待充填區(qū)域完成充填。該實驗選用河北紫晨超高水材料公司生產(chǎn)的材料，單軸抗壓強度如圖1所示。

圖1 超高水材料單軸抗壓強度Fig.1 Uniaxial compressive strength of super-high water material

1.2 實驗方法

將粉煤灰、礦渣粉、尾砂分別放入紅外烘干箱中烘干，取出放置至常溫備用；在20±2℃的實驗室溫度下，稱取等量的已摻入外加劑的超高水材料A料、B料，按表2配比將等量的粉煤灰、礦渣粉、尾砂分別摻加至A料與B料中，分別加水?dāng)嚢? min后，再混合攪拌3 min，水溫控制在20±1℃；最后將混合好的材料裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯(lián)試模中刮平，將試模密封后放入濕度≥90%、溫度20±1℃的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至所需齡期，最后對不同配比、不同齡期試塊進(jìn)行試驗，使用SANS數(shù)顯伺服壓力機獲得材料單軸抗壓強度。

表2中外摻固廢是指粉煤灰、礦渣粉、尾砂3種工業(yè)固廢，試驗時在原水固比（水與A、B料質(zhì)量和之比）為6∶1、5∶1的超高水材料中，分別用3種工業(yè)固廢按照表2配比進(jìn)行試驗，最終得出不同材料、不同配比的實驗數(shù)據(jù)。實際水固比是指水與固體物料總質(zhì)量之比。

表2 試驗配比（質(zhì)量比例）Table 2 Test ratio(mass proportion)

根據(jù)表3實驗方案，在原超高水材料水固比6∶1時，根據(jù)摻入不同量礦渣粉28 d齡期試塊的單軸抗壓強度，利用壓力機設(shè)定不同的壓力，將試塊置于試模中使試塊處于受限空間，測定在達(dá)到設(shè)定壓力且壓力穩(wěn)定時，試塊壓縮高度的變化情況，從而得到壓縮率變化規(guī)律。

表3 外摻不同量礦渣粉壓縮率實驗Table 3 Compression ratio experiment with different amount of slag powder

2 實驗結(jié)果

按表2實驗方案，分別對超高水材料原樣及摻加了粉煤灰、礦渣粉、尾砂的超高水材料強度進(jìn)行檢測，測得摻加不同工業(yè)固廢、不同齡期超高水材料單軸抗壓強度如圖2～圖4所示。

圖4 摻加尾砂不同齡期試塊抗壓強度Fig.4 Compressive strength of test blocks with milltailings at different ages

根據(jù)圖2～4實驗結(jié)果可知，在超高水材料中摻加粉煤灰、礦渣粉、尾砂后，材料抗壓強度均有所提高，摻加量越大，材料強度越高；摻加不同材料時，強度增加的幅度有所不同，且材料強度前期增長幅度較小，后期增幅較大；同時在實驗過程中觀察可知，隨著工業(yè)固廢摻加量的增大，材料實際水固比不斷降低，導(dǎo)致混合漿液粘度逐漸增加，漿液流動性也逐漸變差，材料失去流動性，達(dá)到初凝狀態(tài)所需的時間也逐漸變短。

圖2 摻加粉煤灰不同齡期試塊抗壓強度Fig.2 Compressive strength of test blocks with fly ash at different ages

圖3 摻加礦渣粉不同齡期試塊抗壓強度Fig.3 Compressive strength of test blocks with slag powder at different ages

在原超高水材料水固比為6∶1時，摻加粉煤灰至材料實際水固比達(dá)到2.4∶1時，與原超高水材料相比1 d強度增長5.9%，至28 d時強度增長達(dá)14.7%，摻加礦渣粉1 d和28 d強度增長率分別為11.8%和23.5%，摻加尾砂1 d和28 d強度增長率分別為2.9%和8.8%；在原超高水材料水固比為5∶1時，摻加粉煤灰至材料實際水固比達(dá)到2.4∶1時，與原超高水材料相比1d強度增長8.3%，28 d強度增長23.1%，摻加礦渣粉1 d和28 d強度增長率分別為20.8%和48.4%，摻加尾砂1 d和28 d強度增長率分別為8.3%和13.2%。由此可知，在摻加相同量的工業(yè)固廢時，摻加礦渣粉對超高水材料強度提高最為明顯，粉煤灰次之，尾砂對材料強度的影響最小。在原超高水材料水固比5∶1時，分別摻加粉煤灰、礦渣粉、尾砂至實際水固比達(dá)到2.4∶1時的強度對比如圖5所示。

圖5 相同配比摻加不同工業(yè)固廢強度對比Fig.5 Strength comparison of different industrial solid waste with same ratio

根據(jù)表3實驗方案，將原水固比為6∶1的超高水材料，摻加不同量礦渣粉制成的試塊分別置于特制試模中，試模五面固定，僅留上表面可移動壓縮，從而能夠使試塊處于五面受限狀態(tài)，各面留有小孔泌水，通過壓力機設(shè)定壓力進(jìn)行穩(wěn)壓壓縮實驗，由于超高水材料具有強度修復(fù)及二次水化特性，試塊強度隨壓縮率不斷增加而增大，直至試塊強度能夠抵消給定壓力，使試塊達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后的試塊壓縮率不再變化[3]，此時通過測量試塊的壓縮高度，得到材料壓縮率變化情況，如圖6所示。

圖6 不同摻量礦渣粉試塊壓縮率Fig.6 Compression rate of test block with different content of slag powder

水固比6∶1的超高水材料固結(jié)體原樣壓縮率在相同設(shè)定穩(wěn)定壓力下壓縮率最高，最易壓縮泌水，隨著在超高水材料中礦渣粉摻加量的增加，材料固結(jié)體在相同設(shè)定穩(wěn)壓下壓縮率也不斷降低，在給定壓力1.5 MPa時，超高水材料原樣穩(wěn)定壓縮率為64.4%，摻加礦渣粉比1.5后穩(wěn)定壓縮率為35.4%，最終壓縮率降低45%，材料壓縮泌水缺陷得到明顯改善，原因在于超高水材料中隨著礦渣粉摻加量的增加，材料實際水固比不斷降低，固結(jié)體中水含量減少而固體含量增加，使材料固結(jié)體在強度增加的同時，能夠泌出的水量也有所減少，出現(xiàn)材料壓縮率隨礦渣粉摻加量的增加而降低的現(xiàn)象。

通過圖中曲線還可看出，在材料固結(jié)體中，隨著設(shè)定穩(wěn)壓的不斷升高，試塊壓縮率均出現(xiàn)先緩慢增長，而后快速增長，又趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，結(jié)合材料強度可知，在設(shè)定穩(wěn)壓達(dá)到材料最大單軸抗壓強度之前，材料壓縮率增長速度較低，當(dāng)設(shè)定穩(wěn)壓超過材料最大單軸抗壓強度后，隨著設(shè)定穩(wěn)壓的升高，材料壓縮率快速增長，材料中自由水大量泌出，當(dāng)設(shè)定穩(wěn)壓達(dá)到一定值后，材料中自由水已基本泌出，剩余固結(jié)體含水率較低，可壓縮空間不足，從而使材料壓縮率趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）在超高水材料中摻加工業(yè)固廢粉煤灰、礦渣粉、尾砂后，材料單軸抗壓強度均會有所增加，且在一定范圍內(nèi)摻加量越大，材料強度越高。其中摻加礦渣粉時超高水材料強度增長最明顯，粉煤灰次之，尾砂對材料強度增長最小。

（2）隨著工業(yè)固廢在超高水材料中摻量的增加，材料相對含水率減少，材料實際水固比降低，導(dǎo)致材料漿液粘度逐漸增加，流動性變差，在實際應(yīng)用中應(yīng)注意工業(yè)固廢摻加量對漿液流動性能的影響，確保漿液正常輸送。

（3）在相同水固比的超高水材料中摻加不同量的礦渣粉后，相同的壓力條件下，隨著超高水材料中礦渣粉摻加量的增加，材料固結(jié)體壓縮率不斷降低，說明在超高水材料中摻加一定的工業(yè)固廢可有效改善超高水材料壓縮泌水的缺陷。

（4）當(dāng)給定壓力低于材料最大單軸抗壓強度時，超高水材料固結(jié)體壓縮率增長較為緩慢，泌水量較小，當(dāng)給定壓力超過材料最大強度后，隨著給定壓力的增大，材料壓縮率首先快速增加，出現(xiàn)大量泌水，而后泌水量減少，壓縮變形量趨于平穩(wěn)。