全固廢流態化材料充填性能研究

摘要：利用工業固廢制備充填材料充填礦山開采形成的采空區具有顯著的經濟效益和環境效益。利用堿渣（SR）和水泥窯灰（CKD）為復合堿激發劑、礦粉（GGBS）為火山灰質材料研制SCG全固廢固化劑（簡稱SCG固化劑），分別以煤矸石（CG）和爐渣（BA）為充填骨料制備全固廢流態化充填材料，通過坍落度、擴展度和無側限抗壓強度試驗研究充填材料的施工性、強度等充填性能。試驗結果表明：最優SCG固化劑的SR∶CKD∶GGBS質量比為3∶4∶3；最優SCG固化劑充填材料的坍落度和擴展度均隨水固比（水與固化劑質量比）的增加逐漸增大，無側限抗壓強度則隨水固比增加而減小、隨齡期增加而增大；爐渣充填體的強度整體上優于煤矸石充填體；煤矸石、爐渣充填材料滿足施工性的水固比取值范圍分別為0.91～1.09，1.01～1.23，對應的3，7，28 d充填體強度分別不低于0.2，1.2，2.3 MPa和0.7，1.2，2.2 MPa。研究成果可為全固廢流態化充填材料的工程應用提供技術支撐。

關 鍵 詞：流態化充填材料；固廢；流動性；施工性

中圖法分類號：TU448

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.048

0 引言

礦山資源開發產生的采空區沉陷失穩的問題亟待解決。利用固化劑和充填骨料加水攪拌制備的充填材料充填采空區是一項被廣泛應用的技術。但是，作為傳統固化劑的水泥，其生產過程會帶來不可忽視的能源消耗、資源消耗、生態破壞及環境污染問題^［1-4］。此外，中國工業固廢堆存量與日遞增，不僅占地問題嚴重而且危害自然環境。利用固廢制備充填材料充填采空區具有顯著的經濟效益和環境效益。

一般而言，充填是將充填材料通過重力或管道泵送至采空區，因此要求充填材料具有可施工性（坍落度和擴展度），同時，充填材料養護后形成的充填體應具有一定的強度。充填材料一般由固化劑、水和充填骨料組成，但固化劑成本達到了充填成本的70%以上^［5-7］。基于此，固廢為主要成分的固化劑憑借其碳排放低、成本低、充填性能優異等優點，被廣泛用于制備充填材料^［8-12］。其中，以NaOH、Na₂SiO₃、堿渣、水泥窯灰、電石渣、活性氧化鎂等作為堿激發劑，以礦渣、粉煤灰、鋼渣、黃磷爐渣、硅粉、偏高嶺土等作為火山灰質材料的堿激發固化劑成為研究熱點。

近年來，學者們嘗試采用固廢基堿激發固化劑部分或全部替代水泥制備流態化充填材料，探究固化劑、水和充填骨料之間的作用關系，及其對充填材料的施工性、強度等充填性能的影響規律成為研究重點。楊科等^［13］采用水泥、粉煤灰、脫硫石膏、氣化粗渣和爐底渣膠結破碎后的煤矸石作為充填材料，分析了固化劑各組分對強度和變形的影響機制。樊玉萍等^［14］研究了火山灰質材料反應活性對固化劑反應各階段水化熱的影響規律，揭示了固化劑各組分在不同反應階段的作用。吳少康等^［15］研究了固化劑組分配比對流動度、凝結時間和強度等性能的影響，并由此揭示了控制充填體的輸送和充填強度的作用機制。劉浪等^［16］針對充填材料的流動性和充填成本等問題，提出了改性鎂渣和粉煤灰復配的超高流動性充填材料，并建立了流動性和流變參數之間的相關關系。朱庚杰等^［17］利用D-optimal設計方法確定了氫氧化鈉、熟石灰、脫硫石膏、硫酸鈉復合激發礦渣固化劑的最優配比，并揭示了強度形成機制。董猛等^［18］通過強度、流動度和碳排放指標，明確了Na₂SiO₃和NaOH聯合激發偏高嶺土、煤矸石形成的充填體的配比確定方法。華心祝等^［19］通過響應面法確定了水泥和粉煤灰膠結充填體中粉煤灰、煤矸石、脫硫石膏、氣化渣與爐底渣1∶1混合物對不同齡期強度的貢獻。Zhao等^［20］使用低鈣粉煤灰、硅酸鈉溶液和蘇打殘渣制備采空區流態化充填材料，得到當FA∶SR=3∶2，硅酸鈉溶液濃度為2.0 mol/L時，充填材料具有260 mm的坍落度，充填體28 d強度達到3.70 MPa。曾長女等^［21］采用普通硅酸鹽水泥、盾構渣土、泡沫和活性氧化鎂制備充填材料，通過調節泡沫劑和活性氧化鎂摻量，可得到流動度為180～320 mm、泌水率小于5%、28 d充填體強度為0.6～1.2 MPa的充填材料。Xie等^［22］使用煤矸石、水泥、粉煤灰和水制成充填材料，并提出了采空區充填技術工藝流程以及技術模型的選擇方法。Yin等^［23］以黃磷爐渣、鋼渣、粉煤灰和硅酸鹽水泥為固化劑，磷石膏為充填材料，提出了一種低碳低成本的多源工業固體廢物的填充材料。

上述研究在充填材料的特性方面做了諸多有益探索，但大多研究采用部分替代水泥，或采用NaOH、Na₂SiO₃等高環境污染和高碳排放的化學試劑作為堿激發劑，全部采用固廢作為固化劑組分的研究少有報道。鑒于此，本文利用堿渣（SR）、水泥窯灰（CKD）、礦粉（GGBS）研制SCG全固廢固化劑（簡稱SCG固化劑），并以煤矸石和爐渣作為充填骨料制備全固廢流態化礦山采空區充填材料。利用坍落度和擴展度試驗以及無側限抗壓強度試驗，研究水固比（水與固化劑質量比）對充填材料施工性的影響規律以及充填體強度隨養護齡期和水固比的變化規律。在此基礎上，確定兼顧施工性和強度的水固比的最優范圍，為全固廢流態化充填材料用于礦山采空區充填提供科學依據。

1 試驗用固廢、方案與方法

1.1 試驗用固廢

試驗用固廢為堿渣（SR）、水泥窯灰（CKD）、礦粉（GGBS）、粉磨后的煤矸石（CG）及爐渣（BA），其中，SR、CKD以及GGBS為固化劑組分，CG及BA為充填骨料，固化劑與充填骨料加水攪拌混合形成全固廢流態化充填材料。試驗用固廢均取自山東棗莊相關企業（圖1）。

1.1.1 物理性質

試驗用固廢的含水率見表1，粒徑級配累積曲線見圖2。

1.1.2 化學組成

SR、CKD、GGBS、CG及BA的化學組成如表2所列。

1.1.3 礦物相成分

作為固化劑組分的SR、CKD和GGBS的礦物相成分如圖3所示。用作激發劑的是SR和CKD，其中，SR的主要礦物相為氫氧化鈣、石膏、巖鹽、方解石等，CKD的主要礦物相為氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、方解石和鈣鋁黃長石；GGBS為火山灰質材料，主要為無定形的非晶體玻璃體相，幾乎不含結晶礦物。

1.1.4 微觀形貌

作為固化劑組分的SR、CKD和GGBS的微觀形貌如圖4所示。SR的微觀結構松散，由大量團聚體顆粒組成；CKD中含有大量片狀的晶體，結構相對致密，這一現象與其未經完全煅燒并被水泥窯風裹挾收集的產生特性有關；GGBS則是以無定形的碎屑狀為主。

1.2 試驗方案

根據試驗用固廢的基本理化性質、礦物相成分以及固化劑設計方法^［24-29］，制定如表3所列的固化劑凈漿配比試驗方案。

按照表3的試驗方案，稱取固廢、加水攪拌、裝模養護1 d、脫模養護至設定的齡期，實施無側限抗壓強度試驗。標準養護為溫度20±2℃，相對濕度≥98%；無側限抗壓強度試驗試樣高度100 mm、直徑50 mm，加載速率為1 mm/min。

將研制的固化劑分別與煤矸石（粉磨后）、爐渣拌合形成充填材料，將充填材料制樣并養護至設定齡期后形成充填體，試驗方案見表4。

1.3 試驗方法

施工性試驗根據JG/T 248—2009《混凝土坍落度儀》的規定^［30］，采用上口內徑100 mm、下口內徑200 mm、高300 mm的坍落度儀。根據試驗方案稱取固廢，加水攪拌均勻得到全固廢流態化充填材料，并實施施工性試驗，測得坍落度和擴展度。施工性試驗結束后，裝填無側限抗壓強度試驗試樣，并進行標準養護。

流態化充填材料施工性試驗以及無側限抗壓強度試樣制備流程見圖5。

2 結果與討論

2.1 凈漿的無側限抗壓強度試驗結果及分析

凈漿的無側限抗壓強度試驗結果如圖6所示。在所設定的組分配比范圍內，不同組分配比的凈漿的初期（養護齡期3 d和7 d）強度差異不大；隨著齡期增加，不同組分配比的凈漿強度差異增大，在28 d時凈漿強度差異顯著，由大到小依次為SCG343、SCG253、SCG433。因此，將凈漿強度最大的SCG343作為研制的固化劑，即堿渣∶水泥窯灰∶礦粉的配比為3∶4∶3。

凈漿試樣的破壞形態如圖7所示，試樣破壞后存在明顯的主裂縫，破裂面沿著主裂縫發展，破壞形態為典型的脆性破壞。

2.2 充填材料施工性

將研制的固化劑（SCG343）按照表4的配比方案制備全固廢流態化充填材料，圖8為充填材料的施工性隨水固比的變化規律。在本文水固比范圍內，隨著水固比的增加，煤矸石充填材料和爐渣充填材料滿足充填條件（坍落度取值介于180～260 mm、擴展度不低于400 mm）的取值范圍不同：對于煤矸石充填材料，水固比的取值范圍為0.91～1.09；對于爐渣充填材料，水固比的取值范圍為1.01～1.23。

2.3 充填體無側限抗壓強度

充填體的無側限抗壓強度試驗結果如圖9所示。隨著水固比的增加，煤矸石充填體和爐渣充填體的強度均逐漸降低，但是爐渣充填體的強度整體上優于煤矸石充填體的強度，這一現象與爐渣具有一定的火山灰反應活性有關。

滿足施工性的煤矸石充填材料（0.91～1.09）的3，7 d和28 d充填體強度分別不低于0.2，1.2 MPa和2.3 MPa；爐渣石充填材料（1.01～1.23）的3，7 d和28 d充填體強度分別不低于0.7，1.2 MPa和2.2 MPa。根據水固比取值范圍對應的充填體強度要求，可確定兼顧施工性和強度的水固比的最優范圍。煤矸石充填體滿足強度要求的水灰比為0.8～1.0，爐渣充填體滿足強度要求的水灰比為0.8～1.1。

養護齡期對充填體強度的影響見圖10，充填體強度隨養護齡期逐漸增加，0 d到3 d強度增幅較為明顯，3 d到7 d強度增幅顯著，7 d到28 d抗壓強度增幅放緩，且這一增長規律不受水固比影響。

3 結論

本文利用堿渣、水泥窯灰、礦粉、煤矸石以及爐渣制備礦山采空區充填材料，并通過坍落度、擴展度和無側限抗壓強度試驗研究充填材料的充填性能和充填體強度。主要結論如下：

（1）以堿渣、水泥窯灰、礦粉為組分，研制的最優全固廢固化劑的配比為3∶4∶3。

（2）以研制的全固廢固化劑為膠凝材料，分別以煤矸石（粉磨后）、爐渣作為充填骨料制備充填材料。在本文水固比條件下，充填材料的坍落度和擴展度隨水固比的增加逐漸增大；充填體無側限抗壓強度隨水固比的增加而減小，隨齡期增加而增大；爐渣充填體的強度整體上優于煤矸石充填體。

（3）滿足施工性的水固比的取值范圍，煤矸石充填材料為0.91～1.09，爐渣充填材料為1.01～1.23；對應的煤矸石充填材料的3，7 d和28 d充填體強度分別不低于0.2，1.2 MPa和2.3 MPa，爐渣石充填體強度分別不低于0.7，1.2 MPa和2.2 MPa。根據水固比取值范圍對應的充填體強度要求，可確定兼顧施工性和強度的水固比的最優范圍。

（4）在目前研究中，全固廢固化劑膠結煤矸石、爐渣或尾礦等充填材料的施工性和強度均呈現出優異的使用性能，但大多停留在實驗室研究階段，因地制宜、就地取材的全固廢固化劑研制可有效解決當地固廢堆存和充填成本等問題。

參考文獻：

［1］ SCHNEIDER M，ROMER M，TSCHUDIN M，et al.Sustainable cement production：present and future［J］.Cement and Concrete Research，2011，41（7）：642-650.

［2］ WU Y，YANG J，CHANG R，et al.Strength，leaching characteristics and microstructure of CGF+P all-solid-waste binder solidification/stabilization Cu（Ⅱ）contaminated soil［J］.Construction and Building Materials，2024，411：134431.

［3］ ZHANG X，WU D，LU H，et al.Improvement of tailings gradation on workability and strength of cemented tailings backfill［J］.Construction and Building Materials，2023，387：131633.

［4］ ZHANG T，YUAN J，WANG W，et al.Efficient utilization of waste shield slurry and CDW fines to prepare eco-friendly controlled low-strength material［J］.Journal Cleaner Production，2024，444：141343.

［5］ LI Q，WANG B，YANG L，et al.Recycling multisource industrial waste residues as green binder for cemented ultrafine tailings backfill：hydration kinetics，mechanical properties，and solidification mechanism［J］.Powder Technology，2024，441：119799.

［6］ YUE C，ZHAO Z，ZHAO D，et al.Co-treatment of steel slag and oil shale waste in cemented paste backfill：evaluation of fresh properties，microstructure，and heavy metals immobilization［J］.Journal of Environmental Management，2024，349：119406.

［7］ ZHANG X，XUE X，DING D，et al.Feasibility of uranium tailings for cemented backfill and its environmental effects［J］.Science of the Total Environment，2024，863：160863.

［8］ AN S，LIU J，CHENG L，et al.Rheological and mechanical properties of full-tailings backfill material prepared by ultrafine-iron-tailings-powder-based consolidation agent［J］.Construction and Building Materials，2024，417：135286.

［9］ LING H，LI X，XUE H，et al.The effect of acid mine drainage on the properties of an all-solid waste paste backfill body based on oil shale residue［J］.Construction and Building Materials，2024，425：136017.

［10］LIU S，WANG Y，WU A，et al.Early mechanical strength，hydration mechanism and leaching behavior of alkali-activated slag/fly ash paste filling materials［J］.Journal of Building Engineering，2024，84：108481.

［11］FENG Y，QI W，ZHAO Q，et al.Synthesis and characterization of cemented paste backfill：Reuse of multiple solid wastes［J］.Journal of Cleaner Production，2023，383，135376.

［12］JIANG H，FALL M，EROL Y，et al.Effect of mineral admixtures on flow properties of fresh cemented paste backfill：assessment of time dependency and thixotropy［J］.Powder Technology，2020，372：258-266.

［13］楊科，張繼強，何祥，等.多源煤基固廢膠結充填體力學及變形破壞特征試驗研究［J］.煤田地質與勘探，2024，52（6）：102-114.

［14］樊玉萍，李德浩，董憲姝，等.堿激發尾煤充填材料水化動力過程與水化機制［J］.中國礦業大學學報，2024，53（1）：186-197.

［15］吳少康，張俊文，徐佑林，等.煤礦高水充填材料物理力學特性研究及工程應用［J］.采礦與安全工程學報，2023，40（4）：754-763.

［16］劉浪，謝磊，朱夢博，等.超高流動性改性鎂渣基充填材料的性能［J］.工程科學學報，2023，45（8）：1324-1334.

［17］朱庚杰，朱萬成，齊兆軍，等.固廢基充填膠凝材料配比分步優化及其水化膠結機理［J］.工程科學學報，2023，45（8）：1304-1315.

［18］董猛，李江山，陳新，等.煤系固廢基綠色充填材料制備及其性能研究［J］.煤田地質與勘探，2022，50（12）：75-84.

［19］華心祝，常貫峰，劉嘯，等.多源煤基固廢充填體強度演化規律及聲發射特征［J］.巖石力學與工程學報，2022，41（8）：1536-1551.

［20］ZHAO X，LIU C，ZUO L，et al.Synthesis and characterization of fly ash geopolymer paste for goaf backfill：reuse of soda residue［J］.Journal of Cleaner Production，2020，260：121045.

［21］曾長女，王子正，曹碩倩，等.基于盾構渣土改良的流動化回填土的工程性能研究［J］.隧道與地下工程災害防治，2023，5（4）：1-8.

［22］XIE S，PAN H，GU W，et al.Technology and engineering test of filling goaf with coal gangue slurry［J］.Scientific Reports，2023，13：20536.

［23］YIN X，MA L，LI K，et al.Preparation of phosphogypsum-based cemented paste backfill and its environmental impact based on multi-source industrial solid waste［J］.Construction and Building Materials，2023，404：133314.

［24］WU Y，YANG J，CHANG R.The design of ternary all-solid-waste binder for solidified soil and the mechanical properties，mechanism and environmental benefits of CGF solidified soil［J］.Journal of Cleaner Production，2023，429：139439.

［25］YAN L，YANG J，WU Y.Shear strength of Yellow River Estuary soil solidified by usingall-solid-waste binder in protecting foundations of offshore wind turbines［J/OL］.Journal of Marine Environmental Engineering（2024-01-01）［2024-05-26］.https：∥www.oldcitypublishing.com.

［26］武亞磊，楊俊杰.土體固化劑-材料·作用機理·應用［M］.北京：化學工業出版社，2022.

［27］武亞磊，楊俊杰.一種全固廢堿激發膠凝材料設計方法［J］.長沙理工大學學報（自然科學版），2023，20（5）：25-40.

［28］LIU Q，YANG J，WU Y，et al.Physical and mechanical properties of All-Solid-Waste-based binder-modified abandoned marine soft soil［J］.Journal of Marine Science and Engineering，2024，12（3）：393.

［29］QIU X，YANG J，WU Y，et al.Effect of fiber content on mechanical properties of fiber-reinforced CGF All-Solid-Waste binder-solidified soil［J］.Materials，2024，17（2）：388.

［30］中華人民共和國住房與城鄉建設部.混凝土坍落度儀：JG/T248—2009［S］.北京：中國標準出版社，2009.

（編輯：郭甜甜）