露天采礦地基治理用復(fù)合材料制備及性能研究

摘 要：為減少露天采礦地基沉降，進一步提升露天礦場地基治理技術(shù)與施工質(zhì)量，以硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、石灰為原材料，制備了一種用于露天采礦治理的地基治理復(fù)合材料。通過分析不同水灰比以及不同硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物質(zhì)量比條件下，地基治理復(fù)合材料的流動性、凝結(jié)時間、抗壓強度，確定了地基治理施工材料的最佳配比是水灰比為1，硫鋁酸鹽水泥熟料與石膏石灰混合物的質(zhì)量比為1∶1。該配比下，地基治理復(fù)合材料的流動度為38.22s，初凝時間和終凝時間分別為7min和22min，60d養(yǎng)護齡期的抗壓強度為30MPa。

關(guān)鍵詞：露天采礦；地基治理；復(fù)合材料；硫鋁酸鹽水泥熟料；石膏；石灰

中圖分類號：TQ177.2 + 7；TU528 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0075-04

Preparation and performance of composite materials forfoundation treatment in open-pit mining

CAO Baoyu 1 ，CHEN Gang 1 ，WANG Junhua 1 ，ZHANG Qiuxia 2 ，

WEI Xingyu 2 ，QIN Weiwei 2

（1. Inner Mongolia Dian Tou Energy Corporation Limited，Tongliao 028200，Inner Mongolia China；2. State Power Investment Corporation Research Institute，Beijing 102209，China）

Abstract：In order to reduce the settlement of open-pit mining foundation and further improve the foundation treat?ment technology and construction quality of open-pit mining site，a foundation treatment composite material foropen-pit mining treatment was prepared using sulfoaluminate cement clinker，gypsum and lime as raw materials. Byanalyzing the fluidity，setting time and compressive strength of foundation construction materials under different wa?ter-cement ratios and different quality ratios of sulfoaluminate cement clinker and gypsum-lime mixture，the opti?mal ratio of water-cement treatment materials was determined to be 1，and the mass ratio of sulfoaluminate cementclinker and gypsum lime mixture was 1∶1. Under this ratio，the fluidity of the ground-treated composites was 38.22 s，the initial setting time and final setting time were 7 min and 22 min，respectively，and the compressive strength ofthe 60-day curing age was 30 MPa.

Key words：open pit mining；foundation materials；sulphoaluminate cement clinker；gypsum；lime

露天采礦治理中，地基治理對合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源具有重要意義。但就目前露天采礦治理而言，主要集中在生態(tài)環(huán)境治理方面，促進了礦山資源可持續(xù)發(fā)展 [1] ；以棗莊市裴山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理工程為例，通過治理和綠化措施，可有效修復(fù)破損山體生態(tài)環(huán)境 [2] ；根據(jù)礦山水土流失程度和地質(zhì)地貌特點治理礦山，對礦山環(huán)境保護具有重要意義 [3] 。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，露天采礦治理中，相關(guān)生態(tài)環(huán)境治理措施研究眾多，但缺乏對地基治理的研究。因此，以露天采礦地基治理為研究對象，通過制備一種地基施工材料，來減少露天采礦地基沉降，進一步提升露天礦場地基施工質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料如表1所示。其中，硫鋁酸鹽水泥熟料的礦物組成主要為硫鋁酸鈣，其含量達到75%，石灰的礦物組成為氧化鈣，有效含量達到72.3%；試驗設(shè)備如表2所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 地基施工材料制備

將石膏和石灰按一定比例混合形成混合物，并采用氣流磨分別對硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物進行粉磨，使硫鋁酸鹽水泥熟料粒徑為6.5μm，石膏石灰混合物粒徑為6.0 μm [4-5] 。然后根據(jù)不同水灰比和質(zhì)量比稱取硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物進行攪拌、凝結(jié)及養(yǎng)護，即可制備得到地基施工材料 [6] 。

1.2.2 泌水性測試

根據(jù)設(shè)計水灰比分別向硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物中加水?dāng)嚢瑁⒌谷?個2 000 mL量杯中，靜置30 min，并根據(jù)式（1）計算泌水率 B[7] 。

式中： V W 為泌水總量； W 為總用水量； G 為試樣總質(zhì)量； G W 為試樣質(zhì)量。

1.2.3 流動性測試

根據(jù)設(shè)計水灰比分別向硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物中加水?dāng)嚢瑁谷?個2 000 mL量杯后倒入馬氏漏斗，并封住流出口。解封流出口的同時進行計時，當(dāng)漿液完全流出時結(jié)束計時。計時時間即為漿液的黏度，可衡量材料的流動性 [8] 。

1.2.4 抗壓強度測試

根據(jù)設(shè)計水灰比和質(zhì)量比制備地基施工材料，參照水泥凝結(jié)時間測試標(biāo)準(zhǔn)對材料抗壓強度進行測試 [9] 。

2 結(jié)果與分析

2.1 水灰比對地基施工材料性能的影響

2.1.1 水灰比對地基施工材料泌水性的影響

分析了不同水灰比條件下，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的泌水率，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，相同泌水時間下，隨著水灰比的增加，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的泌水率均逐漸增大；相同水灰比條件下，隨著時間泌水時間的延長，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的泌水率先增大后保持平穩(wěn)。整體來看，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的水灰比為1.5，泌水時間分別為110 min和90 min時，其泌水率均達到峰值4.5%和1.6%。此時，石膏石灰混合物的泌水率更低，說明石膏石灰混合物的泌水性更好 [10-11] 。

2.1.2 水灰比對材料流動度的影響

分析了不同水灰比條件下，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的流動度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，水灰比相同條件下，隨著靜置時間的延長，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的流動度均逐漸增加；相同靜置條件下，隨著水灰比的增加，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的流動度均逐漸降低。整體來看，當(dāng)水灰比為1.5，靜置時間為0 min時，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的流動度最低，分別為29.8 s和29 s。

2.1.3 水灰比對材料凝結(jié)時間的影響

分析了不同水灰比條件下，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的凝結(jié)時間，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，材料的初凝時間和終凝時間隨水灰比增加而增加。分析其原因是，水灰比越大，材料的接觸點較少，導(dǎo)致材料凝結(jié)時間增加 [12-13] 。

2.1.4 水灰比對材料抗壓強度的影響

分析了不同水灰比條件下，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的抗壓強度，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，同等條件下，材料的抗壓強度與水灰比正向相關(guān)，與養(yǎng)護齡期負(fù)向相關(guān)。當(dāng)水灰比為0.5，養(yǎng)護齡期為60 d，抗壓強度最大，為45 MPa。

通過綜合分析地基施工材料性能，本研究設(shè)置水灰比為1，并在后續(xù)質(zhì)量比試驗中，保持水灰比為1。

2.2 質(zhì)量比對地基施工材料性能的影響

2.2.1 不同質(zhì)量比對地基施工材料流動度的影響

測試了不同質(zhì)量比下的流動度，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，材料流動度與硫鋁酸鹽水泥熟料質(zhì)量正向相關(guān)，與石膏石灰混合物線負(fù)向相關(guān)后正向相關(guān)。分析其原因是，材料中的硫鋁酸鹽越多時，生成的鈣礬石越多，減小了材料顆粒之間的距離，只能增加材料的流動度；當(dāng)石膏石灰混合物較少時，硫鋁酸鹽與水反應(yīng)生成的鋁膠阻礙了鈣礬石生成，導(dǎo)致流動度降低。但當(dāng)石膏石灰混合物過多時，鈣礬石生成速度較快，導(dǎo)致材料的流動度增加 [14-15] 。整體來看，當(dāng)質(zhì)量比為1∶0.4時，材料的流動度達到最大，為47.11 s。

2.2.2 不同質(zhì)量比對地基施工材料凝結(jié)時間的影響

采用維卡儀測定不同質(zhì)量比下材料的凝結(jié)時間，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，質(zhì)量比較小時，凝結(jié)時間隨硫鋁酸鹽水泥熟料增加而減小；當(dāng)質(zhì)量比較大時，凝結(jié)時間隨石膏石灰減少而增加。分析其原因是，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥熟料比石膏石灰混合物少時，硫鋁酸鹽熟料與石膏石灰混合物生成鈣礬石的同時，會生成二水石膏，同時與水反應(yīng)會生成氫氧化鈣，而鈣礬石是溶液凝結(jié)的關(guān)鍵，其含量較少，則凝結(jié)時間較長 [16] ；反之，部分的硫鋁酸鹽會與水反應(yīng)生成鋁膠，降低反應(yīng)速度，導(dǎo)致鈣礬石生成速度降低，進而延長了溶液的凝結(jié)時間 [17] 。整體來看，當(dāng)質(zhì)量比為0.7 ∶ 1時，材料的初凝時間和終凝時間最短，分別為6 min和7 min。

2.2.3 不同質(zhì)量比對地基施工材料抗壓強度的影響

設(shè)置不同質(zhì)量比測試其抗壓強度，結(jié)果如圖5。

由圖5可知，同等養(yǎng)護條件下，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥熟料較少時，抗壓強度與其質(zhì)量正相關(guān)；當(dāng)硫鋁酸鹽水泥熟料比石膏石灰混合物多時，隨著石膏石灰混合物的減少，材料的抗壓強度先增大后減小；相同質(zhì)量比下，抗壓強度與養(yǎng)護齡期正相關(guān)。分析其原因是，相同養(yǎng)護齡期條件下，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥熟料較少時，石膏石灰混合物與水發(fā)生反應(yīng)生成二水石膏較少，導(dǎo)致其抗壓強度較低；反之，硫鋁酸鹽水泥熟料水化生成鈣礬石，增強了材料的抗壓強度 [18-19] 。整體來看，當(dāng)二者質(zhì)量比為1 ∶ 0.4時，且養(yǎng)護齡期為60 d時，材料的抗壓強度最高，為33 MPa。

通過綜合分析材料性能，研究設(shè)置硫鋁酸鹽水泥熟料與石膏石灰混合物的質(zhì)量比為1：1。

3 結(jié)語

（1）水灰比對露天采礦治理地基施工材料泌水性具有影響。當(dāng)水灰比為1.5，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰分別泌水110 min和90 min，泌水率達到峰值，分別為4.5%和1.6%；

（2）水灰比與地基施工材料流動性相關(guān)。當(dāng)水灰比為1.5，靜置時間為0 min時，硫鋁酸鹽水泥熟料和石膏石灰混合物的流動度最低，分別為29.8 s和29 s。

（3）水灰比對露天采礦治理地基施工材料凝結(jié)時間具有影響。當(dāng)水灰比為1.5時，材料凝結(jié)時間最長，初凝和終凝分別為22 min和25 min。

（4）水灰比對露天采礦治理地基施工材料抗壓強度具有影響。當(dāng)水灰比為0.5，材料的抗壓強度最大為45MPa。

（5）鋁酸鹽水泥熟料與石膏石灰混合物質(zhì)量比對

露天采礦治理地基施工材料流動度具有影響。當(dāng)其質(zhì)量比為1∶0.4時，材料的流動度達到最大，為47.11 s。

（6）鋁酸鹽水泥熟料與石膏石灰混合物質(zhì)量比對露天采礦治理地基施工材料凝結(jié)時間具有影響。

當(dāng)其質(zhì)量比為0.7∶1時，材料的凝結(jié)時間最短，初凝和終凝分別為6 min和7 min。

（7）鋁酸鹽水泥熟料與石膏石灰混合物質(zhì)量比對露天采礦治理地基施工材料抗壓強度具有影響。

當(dāng)其質(zhì)量比為1∶0.4時，抗壓強度最高為33 MPa。

（8）露天采礦治理地基施工材料的最佳配比是水灰比為1，硫鋁酸鹽水泥熟料與石膏石灰混合物的質(zhì)量比為1∶1。

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（責(zé)任編輯：平 海）