稻草灰替代水泥尾砂膠結充填體力學性能研究

李姜山

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦）

礦產資源的開發(fā)和利用在帶來社會和經濟效益的同時會產生大量的固體廢棄物，對環(huán)境造成損害，因此，在開采礦產資源時，必須采取一系列措施，減少對生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響［1-2］。目前尾砂膠結充填是處理固體廢棄物的有效方法之一，它可以支撐采空區(qū)，防止地表沉降和塌陷等問題，已經得到廣泛應用［3-6］。尾砂膠結充填的力學性能主要受膠凝劑類型和摻量的影響［7-9］，增加水泥摻量是提高尾砂膠結充填力學性能的方法之一，但水泥成本較高，增加摻量會導致成本增加，對礦山企業(yè)的經濟效益不利。因此，尋找替代水泥的膠凝材料是一種解決方法，如礦渣、粉煤灰、火山灰、稻草灰等，有效降低成本，增加經濟和環(huán)保效益［1-11］。

稻草灰不僅含有豐富的有機質，還含有K、Ca、P等無機營養(yǎng)元素［12］，我國傳統(tǒng)農業(yè)中，常將稻草灰作為肥料施用于田地，但是對于它替代水泥作為膠凝劑對尾砂膠結充填體的研究則相對較少。為探究稻草灰部分替代水泥對不同膠凝劑摻量（5%，10%，15%，20%，25%）的稻草灰充填體的力學性能影響，本文通過單軸抗壓強度、單軸抗拉強度試驗并結合微觀性質測試進行分析，對稻草灰充填體的抗剪性能進行了計算分析，研究結果為稻草灰在充填領域內的應用提供了理論依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗流程設計

利用稻草灰部分替代水泥制備膠凝劑摻量為5%，10%，15%，20%，25%的稻草灰尾砂膠結充填體試樣，具體參數(shù)配比見表1。通過JJ-5 型攪拌機將準備好的尾砂、水泥、稻草灰和適量自來水添加后充分攪拌5 min，待充填漿料靜置后裝入用于單軸抗壓強度測試和抗拉強度測試的圓形模具中。經過24 h 固化后，將其放入濕度為90%、溫度為20 ℃的恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d 和28 d，達到養(yǎng)護齡期后進行試驗，流程圖如圖1所示。

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1.2 試驗數(shù)據(jù)測試

將試樣的兩端打磨平整后，采用電子萬能壓力機對試樣（直徑50 mm，高度100 mm）進行單軸抗壓測試。為進行單軸抗拉測試，產生垂直于加載方向的拉應力，在測試前對試樣上下表面分別放置2根直徑為2 mm的鋼筋，將試樣表面載荷轉化為線性載荷，并利用電子萬能壓力機對試樣（直徑50 mm，高度50 mm）進行單軸抗拉測試。單軸抗壓和抗拉強度的加載方式采用位移加載，速率為0.5 mm/min，共設計10組，每組選用3 塊試樣，每1 s 記錄1 次數(shù)據(jù)，最終取3次的平均值作為單軸抗壓強度值。

為進一步觀察分析稻草灰對尾砂膠結充填體的力學性能的提升情況，采用真空飽和儀使試樣處于水飽和狀態(tài)，然后利用NM-60 型核磁共振儀和對試樣進行微觀性質測試，獲得孔隙率變化；選取單軸抗壓測試后的試樣，進行SEM-EDS 測試（MLA65 型掃描電鏡）觀察其微觀形貌和元素分布，分析試樣水化產物的組成及孔隙結構的分布。

2 稻草灰尾砂膠結充填體試驗結果分析

2.1 單軸抗壓強度的影響

單軸抗壓強度試驗結果見圖2，當確定了膠凝劑摻量后，所有試樣的單軸抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加均逐漸增大；確定了養(yǎng)護齡期后，除膠凝劑摻量為5%的稻草灰尾砂膠結充填體之外，所有試樣的單軸抗壓強度隨著膠凝劑摻量的增加也逐漸增大，且稻草灰尾砂膠結充填體相較于水泥尾砂膠結充填體具有更高的單軸抗壓強度，最大增長率為31.03%。

為更好地探究稻草灰對膠結充填體的影響，通過Origin 繪圖軟件將膠凝劑摻量和尾砂膠結充填的單軸抗壓強度關系進行多項式擬合分析，結合理論分析兩者存在三項式函數(shù)關系，稻草灰對尾砂膠結充填體的單軸抗壓強度影響作用存在下限值。根據(jù)圖2的擬合曲線，當養(yǎng)護齡期為7 d時，膠凝劑膠摻量的下限值為7.44%，當養(yǎng)護齡期為28 d 時，膠凝劑膠摻量的下限值為6.25%，均位于5%～10%。即當膠凝劑摻量大于該下限值時，稻草灰才能有效提高尾砂膠結充填體的強度。

2.2 單軸抗拉強度的影響

單軸抗拉強度試驗與單軸抗壓強度結果規(guī)律類似。如圖3 所示，當確定了膠凝劑摻量后，所有試樣的單軸抗拉強度隨著養(yǎng)護齡期增加都有增大；當確定了養(yǎng)護齡期后，除膠凝劑摻量為5%的稻草灰尾砂膠結充填體之外，試樣的單軸抗拉強度隨著膠凝劑摻量的增加逐漸增大，且其他稻草灰尾砂膠結充填體的單軸抗拉強度均高于水泥尾砂膠結充填體，最大增長率為20.22%。砂膠結充填體和稻草灰尾砂膠結充填體的孔隙率分別從11.609%、12.077%減小至10.037%、9.66%，且當養(yǎng)護齡期為28 d 時，兩者孔隙率則進一步減小為11.023%、8.355%和11.899%、7.34%。

采用MLA65 型掃描電鏡，對其中具有代表性的C-1、C-3、C-5、R-1、R-3和R-5 6組養(yǎng)護齡期28 d下的尾砂充填體進行微觀結構測試，如圖5所示。結合ImageJ 軟件對其的水化產物結構及最大孔隙尺寸進行分析，發(fā)現(xiàn)稻草灰的活性SiO2與水泥發(fā)生水化反應額外的凝膠，主要吸附在尾砂上。除稻草灰摻量為5%時，稻草灰尾砂膠結充填體的最大孔隙直徑小于水泥尾砂膠結充填體，此外，尾砂膠結充填體的孔隙尺寸和數(shù)量隨著膠凝劑摻量的增加而逐漸減小。

將膠凝劑摻量和尾砂膠結充填的單軸抗拉強度關系進行三項式函數(shù)擬合分析，確定稻草灰增強尾砂膠結充填體的單軸抗拉強度同樣存在膠凝劑摻量下限值。由圖3 的擬合曲線可知，養(yǎng)護齡期為7，28 d時，膠凝劑膠摻量的下限值分別為8.41%和6.59%，同樣均位于5%～10%。即當膠凝劑摻量大于該下限值時，稻草灰才能有效提高尾砂膠結充填體的強度。

2.3 孔隙率的影響

為進一步觀察分析稻草灰對膠結充填體的影響變化，利用NM-60 型核磁共振儀和對試樣進行微觀性質測試。圖4 為養(yǎng)護齡期7，28 d 時不同膠凝劑摻量下試樣的孔隙率測試結果，可知，隨著稻草灰摻量和養(yǎng)護齡期的增加，所有試樣的孔隙率在逐漸降低。養(yǎng)護齡期為7 d 時，膠凝劑摻量逐漸增大時，水泥尾

3 結 論

（1）膠凝劑和養(yǎng)護時間是尾砂膠結充填體的力學性能的重要影響因素，并且尾砂膠結充填體的力學性能的提升與這2個因素呈正相關。同時，稻草灰部分替代水泥對尾砂膠結充填體的單軸抗壓強度和抗拉強度都具有顯著作用，即相較于全為水泥時尾砂膠結充填體強度最大增長率分別為31.03%和20.22%。但稻草灰的作用存在明顯的膠凝劑摻量下限值，只有當膠凝劑摻量超過下限值稻草灰才能發(fā)揮增強作用，尾砂膠結充填體的單軸抗拉強度和抗壓強度的膠凝劑摻量下限值均位于5%～10%。

（2）研究表明，稻草灰部分替代水泥也能降低尾砂膠結充填體的降低孔隙率、孔隙尺寸和數(shù)量，除凝劑摻量5%時，尾砂膠結充填體的孔隙率隨著養(yǎng)護齡期和膠凝劑摻量的增加而逐漸降低，稻草灰部分替代水泥也能進一步對尾砂膠結充填體的孔隙率、孔隙尺寸和數(shù)量達到降低效果，與稻草灰對尾砂膠結充填體的力學性能作用效果相對應。

（3）通過研究分析，稻草灰是具有火山灰活性的材料，稻草灰中的活性SiO2因與水泥發(fā)生水化反應產生額外的凝膠，使顆粒間的黏結強度加大故而提高了尾砂膠結充填體的力學性能和降低了孔隙率。而膠凝劑摻量存在下限值是因為當?shù)静莼抑械幕钚許iO2與水泥發(fā)生水化反應不夠充分，導致水化產物不足從而產生了過量的SiO2，進而造成了強度損失。