礦山新型高水膨脹膠結(jié)充填材料性能探究

張玉偉 劉允秋)

(1.萊蕪鋼鐵集團(tuán)魯南礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

礦山新型高水膨脹膠結(jié)充填材料性能探究

張玉偉1劉允秋2,3,4)

(1.萊蕪鋼鐵集團(tuán)魯南礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

國內(nèi)礦山充填材料目前多選用水泥作為膠凝劑，存在著強(qiáng)度較低、成本高昂的缺點(diǎn)。對(duì)新型高水膨脹膠結(jié)充填材料的性能進(jìn)行研究，分析了水灰比、充填尾砂濃度和齡期對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，在輔料添加10%、充填尾砂濃度55%時(shí)，充填體28 d齡期強(qiáng)度可達(dá)2.23 MPa。新型高水膨脹膠結(jié)充填材料可通過粒度、水灰比、溫度來調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，在SEM觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，查明了抗壓強(qiáng)度和抗碳化能力受齡期和含水量的影響。新型高水膨脹膠結(jié)充填材料不僅能滿足充填要求，還能節(jié)約充填成本，具有很大的應(yīng)用空間。

高水膨脹 充填體 膠凝材料 水灰比

新型充填膠凝材料是膠結(jié)充填法采礦的重要組成部分，在很大程度上影響充填法采礦的經(jīng)濟(jì)效益。降低膠結(jié)充填成本的主要途徑之一就是尋找廉價(jià)的水泥替代品，減少或不使用水泥[1]。但目前國內(nèi)地下礦山尾砂充填普遍選用水泥作為膠凝材料，造成充填成本居高不下，影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

高水膨脹膠結(jié)充填材料是由基料和輔料按照一定比例混合、加水?dāng)嚢韬笥糜诰鲁涮畹男滦湍z凝充填材料。全尾砂中含有大量細(xì)泥，使用水泥膠凝劑進(jìn)行充填時(shí)，不但全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度極低，而且充填成本較高，一般占采礦成本的1/3以上。不僅給礦山帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，還限制了全尾砂膠結(jié)充填法采礦的效益。因此，開發(fā)高強(qiáng)度和低成本的新型膠凝材料，是充填采礦亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[2]。

1 高水膨脹膠結(jié)充填材料強(qiáng)度的影響因素

1.1 水灰比對(duì)強(qiáng)度的影響

水灰比是影響高水膨脹膠結(jié)充填材料對(duì)強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。其它影響因素不變時(shí)，高水膨脹膠結(jié)充填材料的含水量越小，強(qiáng)度越高；含水量越大，強(qiáng)度越低。一般在滿足采礦工藝要求的前提下，盡量提高含水量。這樣不僅能固化大量的水，還能使充填體體積膨脹，進(jìn)而節(jié)約充填成本。

1.2 充填尾砂濃度和齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

為了進(jìn)一步了解充填尾砂濃度在一定的輔料添加量時(shí)對(duì)高水膨脹膠結(jié)充填材料強(qiáng)度的影響，在溫度為22 ℃、輔料添加量為10%時(shí)，配制充填尾砂濃度分別為50%，55%，不同齡期充填材料的強(qiáng)度分別見表1、表2。

表1 充填尾砂濃度為50%時(shí)，不同齡期對(duì)充填材料抗壓強(qiáng)度的影響

表2 充填尾砂濃度為55%時(shí)，不同齡期對(duì)充填材料抗壓強(qiáng)度的影響

從表1、表2可以看出，在輔料添加量為10%時(shí)，充填尾砂濃度越大，高水膨脹膠結(jié)充填材料硬化體的抗壓強(qiáng)度越大；在相同濃度和輔料添加量的條件下，隨著齡期的增加，抗壓強(qiáng)度不斷增加。當(dāng)齡期從15 d增加到28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高幅度趨于平緩，齡期為28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值2.23 MPa。

2 高水膨脹膠結(jié)充填材料SEM試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室鑒定結(jié)果表明，高水膨脹膠結(jié)充填材料的主要成分是鈣礬石，即AFt，分子式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O，是水泥水化硬化過程中形成的針狀晶體。鈣礬石含大量結(jié)晶水，固相時(shí)體積增加約1.5倍。

為了進(jìn)一步說明強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)的原因，利用掃描電鏡(SEM)對(duì)水灰比1∶1、輔料添加量為100%的高水膨脹膠結(jié)充填材料在22 ℃時(shí)，齡期分別為1,3,14,28 d的硬化體進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)果見圖1～圖4。

從圖1～圖4可以看到，1 d齡期的硬化體中主要成分鈣礬石呈針狀、柱狀的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，相互交錯(cuò)形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。輔料與水在幾個(gè)小時(shí)后便開始發(fā)生水化反應(yīng)，形成針狀、棒狀的鈣礬石，使高水膨脹膠結(jié)充填材料具有較高早期強(qiáng)度。在齡期為7，14 d時(shí)，硬化體中出現(xiàn)了各種凝膠，并與之前形成的鈣礬石相融合，互相交織，使其結(jié)構(gòu)更加緊密，強(qiáng)度進(jìn)一步增加。28 d齡期的SEM照片顯示凝膠已經(jīng)相連成片，將早期形成的鈣礬石以及致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹在里面，此時(shí)硬化體強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖1 1 d齡期硬化體SEM照片

圖2 7 d齡期硬化體SEM照片

圖3 14 d齡期硬化體SEM照片

圖4 28 d齡期硬化體SEM照片

3 高水膨脹膠結(jié)充填材料凝結(jié)時(shí)間的影響試驗(yàn)

高水膨脹膠結(jié)充填材料的凝結(jié)時(shí)間和固化時(shí)間是施工性能的重要參數(shù)。高水膨脹膠結(jié)充填材料與普通水泥相比，具有速凝的優(yōu)勢(shì)。另外其凝結(jié)時(shí)間可以根據(jù)不同礦山充填的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了解高水膨脹膠結(jié)充填材料凝結(jié)性能及其影響因素，采用水泥凝結(jié)時(shí)間測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輔料添加量為100%的高水膨脹膠結(jié)充填材料凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。

3.1 粒度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

在水灰比為2∶1、添加劑用量為5%、溫度為22 ℃的條件下，配比、養(yǎng)護(hù)方式等均相同，考察輔料粒度對(duì)高水膨脹膠結(jié)充填材料凝結(jié)時(shí)間的影響。對(duì)輔料進(jìn)行兩組篩分處理，控制粒度分別為-74， -47 μm，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 輔料不同粒度對(duì)高水膨脹膠結(jié)充填材料凝結(jié)時(shí)間的影響

從表3可以看出，高水膨脹膠結(jié)充填材料輔料的粒度越小，凝結(jié)時(shí)間越短；粒度越大，凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。其中，-47 μm輔料初凝時(shí)間較-74 μm的縮短6 min，終凝時(shí)間縮短10 min。無論是-47 μm的輔料還是-74 μm的都能在20 min內(nèi)達(dá)到初凝，在35 min之內(nèi)達(dá)到終凝，說明高水膨脹膠結(jié)充填材料輔料具有速凝、早強(qiáng)的特性。

3.2 水灰比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

水灰比反映了高水膨脹膠結(jié)充填材料輔料濃度。水灰比越小，用水量越少，濃度越大，輔料漿體越容易凝固；水灰比越大，輔料用水量越多，濃度越低，輔料料漿凝結(jié)較慢。但輔料用水量有一極限，當(dāng)超過一定的用水量，高水膨脹膠結(jié)充填材料輔料將不再發(fā)生凝結(jié)。固定添加劑用量為5%、溫度為22 ℃、輔料粒度為-74 μm，考察不同水灰比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同水灰比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

從表4看以得出，隨著水灰比的增大，初凝和終凝時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，凝結(jié)速度減慢。在水灰比為1∶1時(shí)，純輔料的高水膨脹膠結(jié)充填材料的初凝時(shí)間為3 min，終凝時(shí)間為6 min，說明其可以在短時(shí)間內(nèi)迅速凝結(jié)。這就為礦山充填尾砂在工程需要的時(shí)間內(nèi)凝結(jié)和工程的順利進(jìn)行提供了有力保障。

3.3 溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

溫度是激發(fā)膠凝材料化學(xué)反應(yīng)速率的一個(gè)重要因素。一般來說，溫度越高越易于激發(fā)材料的活性，加速其化學(xué)反應(yīng)的速率。固定水灰比為2∶1、添加劑用量為5%、輔料粒度為-74 μm，考察不同溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可以看出，隨著溫度的升高，高水膨脹膠結(jié)充填材料的凝結(jié)速度不斷增大，但對(duì)凝結(jié)時(shí)間總體影響較小，對(duì)終凝幾乎沒有影響?？紤]到礦山井下溫度最高可達(dá)60 ℃，所以，溫度升高對(duì)高水膨脹膠結(jié)充填材料的凝結(jié)具有促進(jìn)作用。

表5 不同溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

4 高水膨脹膠結(jié)充填材料抗碳化能力

高水膨脹膠結(jié)充填材料硬化體主要成分鈣礬石在含有大量自由水時(shí)，很容易受空氣中二氧化碳的侵蝕，發(fā)生碳化(也稱風(fēng)化)，形成的碳酸鈣會(huì)破壞原鈣礬石的結(jié)構(gòu)，引起高水膨脹膠結(jié)充填材料強(qiáng)度下降，甚至完全粉化失去強(qiáng)度。7 d齡期的高水膨脹膠結(jié)硬化體風(fēng)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM照片見圖5。

圖5 7 d硬化體風(fēng)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

(1)高水膨脹膠結(jié)充填材料利用輔料與水發(fā)生硬化反應(yīng)，形成鈣礬石，與凝膠相互融合交織，增大硬化體強(qiáng)度。該材料具有固水量大、速凝、早強(qiáng)、良

好的塑性特性、極限荷載后強(qiáng)度具有再發(fā)展性能，在井巷支護(hù)、采空區(qū)充填接頂?shù)确矫婢哂泻艽蟮膽?yīng)用空間。

因此應(yīng)使硬化體早期固結(jié)一定的水分(包含自由水)，使其充分水化，不斷形成內(nèi)部凝膠，就能提高高水膨脹膠結(jié)充填材料的抗碳化性能。

(2)通過對(duì)尾砂粒級(jí)、水灰比、溫度的調(diào)節(jié)，可以改變高水膨脹膠結(jié)充填材料的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度，以滿足礦山對(duì)充填體的要求，方便礦山施工和生產(chǎn)。在輔料添加量為10%、尾砂充填濃度為55%時(shí)，高水膨脹膠結(jié)充填體28 d齡期的抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.23 MPa。

(3)新型高水膨脹膠結(jié)充填材料在保證充填體要求的前提下，可節(jié)約大量充填成本，采用其作為充填材料將成為礦山充填、采空區(qū)處理、露天坑回填等的發(fā)展方向。

[1] 張志貴,陳星明,葉 青.超細(xì)全尾砂新型膠結(jié)充填料水化機(jī)理與性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(4)：1571-1577.

[2] 薛改利，楊志強(qiáng)，高 謙.全尾砂新型充填膠凝材料在南洺河鐵礦的應(yīng)用[J].有色金屬：礦山部分,2014(11)：66-69.

2015-09-23)

張玉偉(1988—)，男，助理工程師，276400 山東省臨沂市沂水縣韓萊路1號(hào)。