建筑垃圾-粉煤灰基膠結(jié)充填材料實(shí)驗(yàn)研究

陳維新

（黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，哈爾濱150022）

0 引 言

煤炭開采給環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力，最為突出的環(huán)境問(wèn)題是地表沉陷和地下水流失。充填開采是煤礦邁向“無(wú)害化”、“安全化”生產(chǎn)的有效途徑，但目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積推廣，主要原因是充填材料成本過(guò)高。中國(guó)每年大約有6.5 億m2 的新建住房，新建住房施工產(chǎn)生的建筑垃圾全年約4 000 萬(wàn)t。舊樓拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾，全年約4 000 萬(wàn)t，兩者結(jié)合起來(lái)數(shù)量巨大[1-3]。而邊遠(yuǎn)地區(qū)電廠產(chǎn)生的粉煤灰供大于求，導(dǎo)致大量粉煤灰廢棄在野外。建筑垃圾和廢棄粉煤灰給環(huán)境帶來(lái)很大的壓力。如將建筑垃圾和粉煤灰回收加工后大量摻入充填材料，并能夠達(dá)到充填材料的性能要求，則既解決了建筑垃圾和廢棄粉煤灰的環(huán)境污染問(wèn)題，又解決了充填材料造價(jià)普遍較高的問(wèn)題。因此，筆者通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定建筑垃圾-粉煤灰基膠結(jié)充填材料的最佳配方，并分析充填材料的力學(xué)特性。

1 原料及其組成關(guān)系

充填骨料為建筑垃圾經(jīng)破碎后的再生骨料（按1 m3建筑垃圾篩取出磚塊、玻璃、瓷磚、混凝土的比例混合，作為充填骨料），如圖1 所示。水泥為亞泰集團(tuán)哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的天鵝牌32.5 復(fù)合硅酸鹽水泥，粉煤灰為哈爾濱電廠廢棄煤灰，拌和水為自來(lái)水，外加劑為氯化鈉和無(wú)水碳酸鈉（質(zhì)量比1∶3）。原材料組成關(guān)系如圖2 所示。

圖1 破碎后的建筑垃圾Fig.1 Construction waste after crushed

圖2 充填原材料組成關(guān)系Fig.2 Relationships between filling materials

2 實(shí)驗(yàn)方案與方法

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

取建筑垃圾（A）、漿骨比（B）、水膠比（C）和粉泥比（D）為實(shí)驗(yàn)因素，各因素分別取三個(gè)水平，正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表1 所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 1 Levels and factors of orthogonal test

根據(jù)表1 設(shè)計(jì)9 組不同配方，如表2 所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Programs and results of orthogonal test

2.2 充填材料制備

按照表2 所示9 組不同配方，采用電子天平稱取實(shí)驗(yàn)原材料。 將7.07 cm ×7.07 cm ×7.07 cm 三聯(lián)試模底部用木塞塞上防止?jié){液流出。然后將所稱水、粉煤灰、水泥和外加劑先后倒入強(qiáng)制攪拌器攪拌5 min，再將稱好的建筑垃圾倒入后再次攪拌10 min，制成充填漿料。將制好的充填漿料倒入抗壓試模，采用手持式平板振動(dòng)器振搗成型，然后用刮刀將上面抹平再用塑料布蓋住表面，將試模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。

2.3 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定

將養(yǎng)護(hù)3 d 的試模從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱取出，拔出木塞，用氣泵、脫模槍脫模，使用YAW-300 Sinter 微機(jī)控制全自動(dòng)水泥壓力機(jī)測(cè)量試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。之后分別養(yǎng)護(hù)7、28 d，再測(cè)量充填材料試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)果分析

3.1 正交實(shí)驗(yàn)極差分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。根據(jù)表2 進(jìn)行抗壓強(qiáng)度極差分析，結(jié)果如表 3 所示，其中 σc，3d、σc，7d、σc，28d分別表示養(yǎng)護(hù)3、7、28 d 的抗壓強(qiáng)度，i 表示影響因素的三個(gè)水平，Ki表示某影響因素取第i 水平的三個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度之和，ki是Ki 的平均值，R 表示影響因素的極差[4-6]。

表3 抗壓強(qiáng)度極差分析Table 3 Analysis of compressive strength ange

根據(jù)抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果，判斷因素的主次影響順序。由表3 可以看出，齡期為3 d 的試塊抗壓強(qiáng)度極差B>C>A>D，抗壓強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)闈{骨比、水膠比、建筑垃圾、粉泥比。其中，B 與C 接近，數(shù)值約為A 與D 的兩倍，因此，齡期為3 d試塊的抗壓強(qiáng)度主要取決于漿骨比與水膠比的取值。齡期為7 d 的試塊抗壓強(qiáng)度極差C>D>A>B，抗壓強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)樗z比、粉泥比、建筑垃圾、漿骨比。齡期為28 d 的試塊的抗壓強(qiáng)度極差C>D>B>A，抗壓強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)樗z比、粉泥比、漿骨比、建筑垃圾。

分析表3 亦可知，建筑垃圾占量越少，試塊抗壓強(qiáng)度越大；漿骨比和水膠比逐漸增大，試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸減少；粉泥比逐漸減少，試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。因此，各因素的優(yōu)化水平組合為A3B1C1D3，即建筑垃圾為 1 000 g，漿骨比為 0.4，水膠比為0.7，粉泥比為5/3，建筑垃圾和粉煤灰分別占材料總質(zhì)量的71.4%和5.4%。

3.2 凝結(jié)時(shí)間與水膠比的關(guān)系

建筑垃圾無(wú)膠凝特性，因此，材料的凝結(jié)時(shí)間主要針對(duì)膠結(jié)材料和水混合而成的膠結(jié)漿體。膠結(jié)材料與水混合后發(fā)生水化反應(yīng)，膠結(jié)漿體隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行逐漸凝固，變成擁有一定強(qiáng)度的固體。漿體凝結(jié)過(guò)程中所用的時(shí)間稱為凝結(jié)時(shí)間，凝結(jié)時(shí)間又分為初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。初凝時(shí)間直接影響充填漿液的輸送性能，當(dāng)漿體發(fā)生初凝時(shí)將不可被輸送。為防止堵管等現(xiàn)象，必須保證材料初凝時(shí)間大于漿液輸送時(shí)間，所以需要對(duì)膠結(jié)漿體的初凝時(shí)間進(jìn)行測(cè)定。終凝時(shí)間則決定拆模的時(shí)間，所以需要測(cè)定終凝時(shí)間[7-8]。

膠結(jié)漿體凝結(jié)時(shí)間的影響因素主要是水膠比。水膠比選擇0.70、0.75、0.80 三個(gè)水平，配制三組膠結(jié)漿體，進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間測(cè)定，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，初凝時(shí)間分別為 141、180、232 min，終凝時(shí)間分別為205、231、276 min； 在水膠比為0.7 時(shí)，凝結(jié)時(shí)間最小，凝結(jié)時(shí)間隨水膠比的增加而增加。因?yàn)樗z比增大，膠結(jié)材料濃度減小，漿液中水化反應(yīng)生成更大膠凝結(jié)構(gòu)的幾率變小，所以初凝時(shí)間和終凝時(shí)間增加。由圖3 也可知，材料的終凝時(shí)間均在8 h 以內(nèi)，而煤礦的工作制一般為“三八”制，這說(shuō)明材料在一個(gè)工作班內(nèi)就可以完成充填及拆模，因此，材料具有快凝的特性。

圖3 水膠比與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between water cement atio and setting time

3.3 材料力學(xué)特性

按配方制得實(shí)驗(yàn)塊后，通過(guò)壓力機(jī)可以得到3 d 齡期載荷-時(shí)間曲線，如圖4 所示。由圖4 可知，曲線可分為四個(gè)階段：第一階段為壓縮階段，曲線曲率逐漸增大。第二階段為彈性階段，曲率斜率近似常數(shù)，載荷與時(shí)間基本成線性關(guān)系。第三階段為塑性變形階段，曲線曲率逐漸減小，達(dá)到載荷峰值，這說(shuō)明在受壓破壞時(shí)實(shí)驗(yàn)塊表現(xiàn)出很強(qiáng)的塑性。其破壞過(guò)程為緩慢漸進(jìn)的，而不是突發(fā)的。這對(duì)礦山充填的井下安全極為有利。第四階段為屈服破壞階段，曲線曲率逐漸增大，試塊產(chǎn)生明顯裂紋，直至完全破壞喪失強(qiáng)度，如圖5 所示。但材料屈服后殘余強(qiáng)度高，約為極限強(qiáng)度的70%～90%，因此，充填體具有良好的承載能力[9-10]。

圖4 3 d 齡期時(shí)材料的載荷-時(shí)間曲線Fig.4 3 dload-time curve of materials

圖5 齡期3 d 充填實(shí)驗(yàn)塊破壞形態(tài)Fig.5 3 dfilling test block destructive shape

4 結(jié) 論

（1）建筑垃圾-粉煤灰基膠結(jié)充填材料最佳配方為建筑垃圾 1 000 g，漿骨比 0.4，水膠比 0.7，粉泥比5/3，建筑垃圾和粉煤灰分別占材料總質(zhì)量的71.4%和5.4%。

（2）建筑垃圾-粉煤灰基膠結(jié)充填材料具有快凝、塑性強(qiáng)、殘余強(qiáng)度高的特性。

（3）該配方有效降低了膠結(jié)充填材料的造價(jià)，且能夠消化大量建筑垃圾和廢棄粉煤灰，利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具備良好的應(yīng)用前景。

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