堿激發礦渣回填漿體的膨脹性能研究

余雅韻, 詹炳根, 李景哲, 劉 洋, 周耀宗

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.水泥基材料低碳技術與裝備教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

對于礦產資源開采后留下的地下空洞,若不進行處理,則會導致形成大面積采空區,存在較大的安全隱患,嚴重時會發生塌陷等災害事故,造成巨大的經濟損失和人員傷亡[1]。鑒于此,諸多處理工藝被陸續用于修補采空區,其中,膠結充填法表現出最有效、最徹底和最環保的效果。膠結充填法是指將礦廠產生的尾礦砂、水與膠凝材料(主要為普通硅酸鹽水泥)等混合攪拌形成漿體,再通過管道輸送到采空區進行充填,既填補了采空區,又利用了堆積的尾礦砂,但高昂的充填成本限制了其大規模應用[2]。因此,一些研究人員嘗試將存量大且具有膠凝潛力的工業廢渣(如礦渣、粉煤灰和硅灰)作為普通硅酸鹽水泥的替代品應用到充填材料中,旨在同時達到處理廢渣、節約成本的雙重目的[3-4]。文獻[5-7]研究結果表明,經合理激發后的工業廢渣基充填材料雖然能夠滿足工作性能和力學性能的相關要求,但是更為重要的充填接頂率卻未能達到預期。

鑒于此,研究人員借鑒泡沫混凝土和膨脹混凝土的思路,向充填材料混入依賴化學反應生成氣泡的氣相膨脹劑或自身吸水膨脹的固相膨脹劑來提高充填材料的接頂率。目前研究較多的氣相膨脹劑有鋁粉[8]、雙氧水[9-10]等材料,但均存在膨脹率低、添加工藝復雜和膨脹不穩定的問題;而應用較多的固相膨脹類材料如膨潤土[11-12]、過燒氧化鈣[13],存在添加量大、膨脹速率慢和為滿足力學性能要求需要使用高質量分數尾礦砂等弊端。因此,研發膨脹效率高、穩定性好、水泥等材料用量少的新型充填材料,對于礦山的安全生產以及工業廢渣的再生利用均有重大意義。本文選用堿激發礦渣為主要膠凝材料,混入新型膨脹劑和高效減水劑,與低質量分數尾礦砂混合制備出一種早期強度和膨脹率滿足要求(3 d抗壓強度大于0.5 MPa,28 d抗壓強度大于1.5 MPa,膨脹率高于10%)、膨脹過程穩定且成本低廉的礦渣基膨脹充填漿體。實驗主要以尾礦砂質量分數、膨脹劑摻加質量分數(簡稱“摻量”)為主要變量,以膨脹率和抗壓強度為評判標準,對不同尾礦砂質量分數下的料漿性能進行評價和分析,并探討料漿的膨脹機理。

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料與實驗方案

尾礦砂取自安徽馬鞍山市白象山某鐵礦,礦渣、硬石膏、增強劑及生石灰由安徽同泰公司提供,尾礦砂、礦渣和硬石膏主要化學成分及其質量分數見表1所列,尾礦砂物理性質指標見表2所列。

表1 尾礦砂、礦渣和硬石膏的主要化學成分及其質量分數

表2 尾礦砂的物理性質指標取值

新型膨脹劑為化學發泡劑,購自合肥安邦化工有限公司。拌合水為尾礦砂漿自帶水。

為揭示不同尾礦砂漿質量分數和膨脹劑摻量對充填漿體膨脹效果和抗壓強度的影響規律,設計尾礦砂質量分數w尾礦砂分別為46%、50%、55%,固定灰砂比為1∶4,新型膨脹劑摻量(膨脹劑添加質量占尾礦砂漿與膠凝材料混合成的料漿的質量比例)設置0、0.1%、0.12%、0.14% 4個等級。膠凝材料選取礦渣、增強劑和硬石膏,三者的質量配比為0.650∶0.225∶0.125,并外摻膠凝材料總質量3%的生石灰。通過改變萘系高效減水劑摻量,控制每個方案流動度在140 mm左右(前期實驗表明其對膨脹率和抗壓強度不構成影響),最后得到12種配比方案,見表3所列。

表3 3種尾礦砂質量分數下膨脹劑、減水劑的摻量

1.2 實驗方法

1) 試塊制作。首先準備好不同質量分數的尾礦砂漿與不同外加劑摻量的膠凝材料,使用水泥膠砂攪拌機將尾礦砂漿、膠凝材料攪拌2 min,得到均勻的充填料漿;然后將料漿澆入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯試模中并蓋上保鮮膜,每個配比澆筑3個三聯試模,由于此漿體早期強度提升較緩慢,在24 h后無法到達拆模所需的強度條件,試模在標準室溫(20±1) ℃下養護48 h后進行拆模;將試塊分別編號后包覆保鮮膜,放入恒溫恒濕養護箱,待達到規定齡期3、7、28 d即可進行性能測試。

2) 尾礦砂質量分數測定。將一定量的均勻尾礦砂漿放入質量為m0的容器稱質量,記為m1,將其放入鼓風干燥箱充分烘干后再次稱質量,記為m2,w尾礦砂計算公式為:

w尾礦砂=(m2-m0)/(m1-m0)×100%。

為得到預定質量分數的尾礦砂漿,在攪拌前將原始尾礦砂漿靜置分層,去除上層的水,在得到尾礦砂漿具體質量分數后,可以通過加水調節得到相應尾礦砂漿質量分數。

3) 流動度測定。充填漿料應具備良好的流動性以降低管道輸送過程中的能耗。流動度根據文獻[14],使用截錐圓模來測定。測量時,將截錐圓模置于濕潤的平板中心,將料漿倒入截錐圓模并不停抽搗直至料漿與頂口平齊,再垂直提起截錐圓模,用游標卡尺測量料漿底面相互垂直的2個方向直徑,取平均值。

4) 強度測定。參照文獻[15]進行抗壓強度測試,在規定齡期(3、7、28 d)將試塊從養護箱取出,使用微機控制電子萬能實驗機測定試塊抗壓強度,以固定位移速率 0.5 mm/min對試塊加載,直至試塊破壞,各配比下的強度取3個試塊算術平均值。

5) 膨脹率測定。目前,沒有針對充填漿體膨脹率的標準測定方法,本文參考文獻[16]的膨脹率測定方法。料漿攪拌完畢時取少量放入100 mL量筒,每隔0.5 h觀測1次量筒內料漿的體積變化,直至料漿體積不再發生變化。

膨脹率定義為體積增長量與原體積的比值,保留1位小數。

2 實驗結果與分析

2.1 膨脹劑摻量和尾礦砂質量分數的影響

1) 對膨脹速率的影響。充填漿體膨脹率隨時間變化情況如圖1所示,w尾礦砂=55%且膨脹劑摻量0.14%充填漿體的膨脹高度隨時間變化情形如圖2所示。

圖1 充填漿體膨脹率隨時間變化曲線

圖2 充填漿體膨脹高度隨時間變化情形

從圖1可以看出,料漿膨脹率隨著時間推移不斷提高,且膨脹率增長先快后慢,曲線近似呈對數函數關系。從圖2可以看出,膨脹速率呈先快后慢的趨勢,且膨脹過程非常穩定,未出現大量氣泡冒出的現象。料漿隨時間的膨脹過程可大致分為2個階段,即前1.5 h的快速反應期與1.5 h后的少量增加期,說明此種新型膨脹劑在堿性環境中1.5 h內快速反應,在1.5 h后反應速率放緩,并在4 h后不再發生反應,此時,膨脹劑已分解完畢。當w尾礦砂=46%時,隨著膨脹劑摻量增加,膨脹速率變快,原因在于膨脹劑摻量越大,同一時間參與反應的膨脹劑越多。當膨脹劑摻量相同,膨脹速率隨w尾礦砂增大而提高,主要是由于單位體積的料漿質量隨w尾礦砂增大而增大,從而導致單位體積膨脹劑添加量的增大。

2) 對膨脹率的影響。不同膨脹劑摻量和w尾礦砂對充填漿體膨脹效果的影響如圖3所示。

從圖3可以看出,隨著膨脹劑摻量增加,最終膨脹率也增加,兩者近似呈線性關系。不同摻量膨脹劑產生的氣泡數量不同,摻量越高,氣泡數量越多,最后產生的膨脹率就越高。w尾礦砂=55%時,不同膨脹劑摻量下的試塊膨脹效果對比如圖4所示。從圖4可以看出,隨著膨脹劑摻量增加,試塊的膨脹高度增大。

圖3 不同尾礦砂質量分數下充填漿體最終膨脹率

圖4 w尾礦砂=55%時不同膨脹劑摻量下試塊的膨脹效果對比

從圖3還可以看出,w尾礦砂對最終膨脹率存在影響。在相同膨脹劑摻量的情況下,w尾礦砂越大,最終膨脹率就越高。其主要原因在于,低質量分數尾礦砂漿含水量高,使得固體分子間的阻力偏小[9],在其他情況相同時,膨脹劑產生的氣體溢出更多,即質量分數越大,相同摻量的膨脹劑產生的作用越大。在膨脹劑摻量為0.10%時,w尾礦砂=55%的料漿膨脹率為13.5%,與w尾礦砂為46%、50%的料漿相比,最終膨脹率分別增加27.4%、12.5%;在膨脹劑摻量為0.12%時,w尾礦砂=55%的料漿膨脹率為15.3%,與w尾礦砂為46%、50%的料漿相比,最終膨脹率分別增加25.4%、11.7%;在膨脹劑摻量為0.14%時,w尾礦砂=55%的料漿膨脹率為16.9%,與w尾礦砂為46%、50%的料漿相比,最終膨脹率分別增加24.3%、11.2%。由此可知,隨著膨脹劑摻量增加,充填漿體膨脹率隨w尾礦砂增加的增長率在降低。其原因可能是,隨著膨脹劑摻量增大,充填漿體膨脹率增長趨于飽和,即w尾礦砂的影響變小。

2.2 膨脹劑摻量對抗壓強度的影響

不同膨脹劑摻量對充填漿體抗壓強度的影響如圖5所示。

圖5 不同尾礦砂漿充填漿體的抗壓強度變化

從圖5可以看出,隨著膨脹劑摻量增加,各齡期的強度呈現下降趨勢。當膨脹劑摻量由0增加至0.10%,w尾礦砂=46%的充填漿體3、7、28 d抗壓強度分別降低25.0%、27.3%、28.6%;w尾礦砂=50%的充填漿體3、7、28 d抗壓強度分別降低23.8%、24.2%、22.2%;w尾礦砂=55%的充填漿體3、7、28 d抗壓強度分別降低26.8%、22.3%、21.9%。究其原因,本實驗的新型膨脹劑在堿性環境中分解生成均勻分散的小氣泡,在料漿硬化后,氣泡形成獨立細小的氣孔,這些細小的氣孔使得充填漿體孔隙率增大,強度必然會受到負面影響[17-18]。

2.3 尾礦砂質量分數對抗壓強度的影響

不同齡期充填漿體的抗壓強度變化如圖6所示。

圖6 不同齡期充填漿體的抗壓強度變化

從圖3、圖6可以看出,本實驗所用新型膨脹劑在w尾礦砂為50%、55%時,充填漿體抗壓強度和膨脹率均滿足礦山實際要求(3 d抗壓強度大于0.5 MPa,28 d抗壓強度大于1.5 MPa,膨脹率高于10%)。相同齡期,w尾礦砂越大,充填漿體抗壓強度越高[19]。在28 d齡期,w尾礦砂=46%的充填漿體在膨脹劑摻量為0、0.10%、0.12%、0.14%時的抗壓強度分別為1.92、1.37、1.21、1.12 MPa;w尾礦砂=50%的充填漿體在膨脹劑摻量為0、0.10%、0.12%、0.14%時的抗壓強度分別為2.79、2.17、1.86、1.74 MPa,比w尾礦砂=46%的充填漿體分別提高45.3%、58.4%、53.7%、55.4%;w尾礦砂=55%的充填漿體在膨脹劑摻量為0、0.10%、0.12%、0.14%時的抗壓強度分別為3.83、2.99、2.50、2.27 MPa,比w尾礦砂=46%的充填漿體分別提高99.5%、118.2%、106.6%、102.7%,比w尾礦砂=50%的充填漿體分別提高37.3%、37.8%、34.4%、30.5%。

由此可見,w尾礦砂對充填漿體抗壓強度存在明顯的影響。其原因在于,隨著w尾礦砂增大,單位體積充填漿體質量越大,使用的膠凝材料越多,膠結能力就越強,抗壓強度也隨之增大。

2.4 膨脹劑膨脹機理

本實驗使用的膨脹劑是一種在堿性環境中分解產生氨氣的化學發泡劑。當膠凝材料與尾礦砂漿混合時,膠凝材料發生水化反應形成堿性環境。在堿性環境中,膨脹劑開始分解產生氣體,形成一個個獨立氣源,產生的氣體一開始會溶解于水中,但由于溶解度非常小,很快就達到飽和,從漿體中逸出,隨著膨脹劑的不斷分解,當氣源處氣體壓力大于料漿極限剪切應力時,氣泡產生[20]。氣源處產生的氣體會不斷補充進入相對應的氣泡,使得氣泡體積增大。

隨著氣泡的持續變大,氣泡的升力也在提高。氣泡能在料漿中穩定發展不致逸出的力學條件為:氣泡的升力F不大于料漿的阻力f。設存在一個氣泡,其半徑為r,則F、f的具體表達式[21]為:

(1)

f=πr2τF

(2)

其中:γL為料漿容重;α為從理想液體容重向料漿容重過度的系數(α<1);τF為料漿塑性強度。

當F≤f時,可得:

(3)

此時,料漿在穩定膨脹。由于膠凝材料的持續水化使得漿體變稠,料漿的極限剪切應力也在不斷增大,同時漿體中的膨脹劑隨著分解的進行不斷減少,膨脹的動力也在不斷削弱,最后膨脹停止。膨脹停止后,膠凝材料仍在繼續水化,試塊流動性逐漸消失,氣孔結構形成。

w尾礦砂=55%時,膨脹劑摻量0、0.14%的試塊內部截面對比如圖7所示。從圖7可以看出,加入膨脹劑使試塊內部出現大量氣孔,且氣孔分布均勻,無膨脹劑的試塊內部相對密實。

圖7 w尾礦砂=55%時有、無膨脹劑充填漿體試塊內部截面圖

3 結 論

1) 膨脹速率隨時間呈先快后慢的趨勢,在前1.5 h速率較快;膨脹劑摻量與尾礦砂質量分數的增大都會導致膨脹速率加快。

2) 膨脹劑摻量增加和尾礦砂質量分數增大都會使膨脹率增加,質量分數為55%的尾礦砂漿充填漿體最高膨脹率可達16.9%;并且隨著膨脹劑摻量增加,充填漿體膨脹率隨尾礦砂質量分數增加的增長率在降低。

3) 在不同尾礦砂漿質量分數下,充填漿體的強度隨膨脹劑摻量增加而減小。在尾礦砂質量分數為50%、55%時,添加的新型膨脹劑可以滿足實際充填的抗壓強度和膨脹率要求。

4) 相同齡期,尾礦砂漿質量分數越大,充填漿體抗壓強度越高,28 d齡期時質量分數為55%的尾礦砂漿充填漿體抗壓強度比46%尾礦砂漿最大提高118.2%。