泡沫砂漿的研究及充填應(yīng)用現(xiàn)狀

楊蔡君　王小敏　王　浩

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.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)

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泡沫砂漿的研究及充填應(yīng)用現(xiàn)狀

楊蔡君1,2,3王小敏1,2,3王浩1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.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)

泡沫砂漿充填體因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性,具有特殊的力學(xué)性能和使用性能，在礦山充填工程中被廣泛應(yīng)用。綜述了泡沫砂漿的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了尾礦泡沫砂漿存在的問題及解決措施。

泡沫砂漿研究進(jìn)展應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年來，國家大力提倡建設(shè)“綠色礦山”的戰(zhàn)略目標(biāo)，占據(jù)采選礦過程中產(chǎn)生的固體廢棄物約80%的尾砂和廢石的處理，成為礦山急需解決的問題。另外，由于淺部的礦產(chǎn)資源逐漸開采殆盡，世界各國大力發(fā)展深部開采技術(shù)。采礦充填法不僅能夠在確保安全的條件下保護(hù)環(huán)境，而且能夠最大程度的提高礦石回收率，現(xiàn)已成為主流的采礦方法?？墒?，傳統(tǒng)的充填采礦法成本較高，研制新型的充填材料，降低充填成本是現(xiàn)階段研究的主要方向。泡沫砂漿的研制成功，為采礦充填法帶來一種新的工藝和技術(shù)，為解決采礦充填法所面對(duì)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)瓶頸，提供了一種新的解決途徑[1]。

泡沫砂漿充填體是將混凝土、集料(包括細(xì)戈壁集料、細(xì)河砂、棒磨砂、粉煤灰、尾砂等)、水、發(fā)泡劑形成的泡沫與一定比適的外加劑進(jìn)行混合，經(jīng)過物理化學(xué)作用，待脫水干燥硬化后形成含有一定空隙比率的、具有一定強(qiáng)度的充填新材料[2]。泡沫砂漿因其特殊的結(jié)構(gòu)特性賦予其優(yōu)異的物理力學(xué)性能和使用性能，其應(yīng)用前景應(yīng)十分廣闊。

1　尾礦泡沫砂漿的研究進(jìn)展

1.1摻和料對(duì)尾礦泡沫砂漿的性能影響

李百年研究了高摻量粉煤灰泡沫砂漿的性能[3]，結(jié)果表明：粉煤灰作細(xì)集料，不考慮代替水泥用量的情況下，其用量對(duì)泡沫砂漿的強(qiáng)度有一定的影響，但不是很顯著。含有較多粉煤灰的砂漿漿體中，可用堿性物質(zhì)激發(fā)其中的活性物質(zhì)，砂漿強(qiáng)度能得到有效提高。曾珍，張雄研究了在泡沫砂漿中添加EPS顆粒和粉煤灰對(duì)泡沫砂漿性能的影響[4]，結(jié)果表明：加入適量的EPS顆粒可以優(yōu)化級(jí)配，改善孔的結(jié)構(gòu)；摻入10%左右的粉煤灰不僅可以提高泡沫-EPS保溫砂漿的密實(shí)度，提高其抗壓、抗折強(qiáng)度，且能降低成本，如果摻入的粉煤灰取代水泥量超過10%，就會(huì)影響砂漿強(qiáng)度。周小華也對(duì)粉煤灰摻量對(duì)泡沫砂漿的性能影響進(jìn)行了研究[5]，其結(jié)果表明：摻入粉煤灰可以提高凈漿的工作性能，對(duì)摻入泡沫有利，但摻入量大于水泥量的20%以后，會(huì)影響砂漿的初凝，造成坍塌。除了粉煤灰，于顯強(qiáng)將再生建筑垃圾產(chǎn)生的細(xì)粉作為摻和料摻入到泡沫砂漿中，以此來研究其性能[6]，結(jié)果表明：再生磚粉摻量不宜超過40%，超過40%，泡沫砂漿的強(qiáng)度和軟化系數(shù)達(dá)不到《建筑保溫砂漿》要求；再生混凝土粉的摻量為40%時(shí)，泡沫砂漿的綜合性能最好。

1.2發(fā)泡劑及發(fā)泡技術(shù)的研究進(jìn)展

目前，我國發(fā)泡劑可分為化學(xué)發(fā)泡劑、物理發(fā)泡劑和表面活性劑三大類，而制作泡沫輕質(zhì)土主要有陰離子表面活性劑，松香皂類發(fā)泡劑，動(dòng)植物蛋白類發(fā)泡劑。黃儉才等通過研究這三類發(fā)泡劑，對(duì)氣泡輕質(zhì)土的性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響得出結(jié)論[7]：陰離子表面活性劑(十二烷基苯磺酸鈉)、松香皂類發(fā)泡劑、動(dòng)物蛋白類發(fā)泡劑中，動(dòng)物蛋白類發(fā)泡劑制備的氣泡輕質(zhì)土的氣孔孔徑相對(duì)較小、氣孔形狀規(guī)整、孔壁較厚，氣孔不易破碎，因而形成連通孔的可能性降低，其抗壓強(qiáng)度高，吸水率低。李茂輝，高謙，南世卿在泡沫劑對(duì)充填材料強(qiáng)度和流變特性的影響方面進(jìn)行了研究[8]，結(jié)果表明：通過強(qiáng)度和流變?cè)囼?yàn)對(duì)加入泡沫劑的新型尾砂充填膠結(jié)材料砂漿進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)泡沫劑的適當(dāng)加入不僅不會(huì)降低充填材料強(qiáng)度，反而會(huì)提高材料強(qiáng)度，從而在相同條件下，降低了充填體原材料的用量，改善了料漿的流動(dòng)性。劉佳奇,霍冀川,雷永林等研究了發(fā)泡劑的發(fā)展趨勢(shì)[9]，發(fā)泡劑在建材上的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)朝著高強(qiáng)度、高保坍能力、促使發(fā)泡材料具有更高的抗裂性和耐久性的方向發(fā)展；以松香熱聚物為主體進(jìn)行的改性研究，為發(fā)泡劑研究的主要方向之一，而皂角類、蛋白類發(fā)泡劑的改進(jìn)性研究，也會(huì)有良好的發(fā)展前景。

1.3外加劑對(duì)泡沫砂漿的性能影響

為了滿足泡沫砂漿的輸入和充填等某些特殊性能的要求，可以在泡沫砂漿中加入各種外加劑。如加入減水劑用來增加泡沫砂漿輸送過程中的和易性。

楊志強(qiáng)、王永前、高謙等通過泵送減水劑對(duì)充填體強(qiáng)度的研究表明：結(jié)合泵送減水劑對(duì)充填體強(qiáng)度、膏體和易性以及流變特性影響分析，并考慮膏體充填成本與采礦經(jīng)濟(jì)效益，確定1%的泵送減水劑為比較合理的添加量[10]。歐陽仕元、杜向紅等為了解決巖溶動(dòng)水環(huán)境條件下解決高濃度尾砂漿輸送困難、易離析、結(jié)石率低、堵水效果差等問題，在尾砂漿中加入可塑劑，形成一種“果凍”狀膏體料漿[11]。結(jié)果表明，“果凍”料漿滿足了巖溶動(dòng)水條件下的注漿技術(shù)要求。曾珍、張雄在泡沫-EPS保溫砂漿中加入了丙烯酸乳液和纖維素醚研究對(duì)砂漿性能的影響[4]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在泡沫-EPS保溫砂漿中，丙烯酸乳液的最佳摻量為6%，小于該摻量時(shí)，砂漿的黏聚性和保水性顯著提高，當(dāng)大于該摻量時(shí)，砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度迅速降低；在泡沫-EPS保溫砂漿中加入3%左右的纖維素醚，可使砂漿獲得適宜的保水性和稠度，有效提高材料的工作性能，防止砂漿分層。

2　泡沫砂漿充填技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1泡沫砂漿的充填技術(shù)

泡沫砂漿具有突出的輕質(zhì)性，易流動(dòng)性、均衡性、抗離析性等特點(diǎn)，現(xiàn)主要用于充填工程中。陳忠平，翟淑花，高謙等為了將泡沫砂漿充填技術(shù)用于現(xiàn)場，首先對(duì)國內(nèi)外關(guān)于泡沫充填體的力學(xué)特性研究結(jié)果進(jìn)行分析，然后開展了泡沫充填體的試驗(yàn)研究[2]。通過金川三礦區(qū)現(xiàn)場充填技術(shù)試驗(yàn)：泡沫砂漿充填體具有流動(dòng)性好、充填接頂率高、脫水率高等特點(diǎn)，能夠滿足遠(yuǎn)距離高濃度自流輸送。張耀平，蘇曉萍，譚偉等通過在某公司三礦區(qū)F17以東采場進(jìn)行試驗(yàn)研究[12]，表明泡沫砂漿在充填過程中表現(xiàn)出了優(yōu)于常規(guī)砂漿充填的輕質(zhì)性、流動(dòng)性、均衡性、抗離析性、經(jīng)濟(jì)性、接頂率高等特點(diǎn)，與常規(guī)砂漿充填費(fèi)用相比，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，泡沫砂漿代替常規(guī)砂漿進(jìn)行充填，是經(jīng)濟(jì)可行的。翟淑花，高謙，張梅花等通過充填試驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)泡沫砂漿能夠自流到充填采場, 自流平穩(wěn)，接頂率高[13]；經(jīng)過室內(nèi)及現(xiàn)場取樣檢測，泡沫砂漿充填體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；泡沫砂漿因含有泡沫，可以增大充填體體積，提高充填體的流動(dòng)性和早期強(qiáng)度；泡沫砂漿充填體進(jìn)入充填采場以后，因其含有泡沫，可造成充填體縫隙，進(jìn)而造成地表的沉降比常規(guī)充填體大，但沒有發(fā)生地表位移突變的情況，充填效果穩(wěn)定。田志剛，向軍通過室內(nèi)配比試驗(yàn)和現(xiàn)場的充填試驗(yàn)，建立并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，取得了良好的應(yīng)用效果[14]。杜向紅針對(duì)全尾砂礦房充填達(dá)不到設(shè)計(jì)要求和攪拌后容易板結(jié)影響生產(chǎn)等問題，通過鉛鋅分級(jí)尾砂泡沫砂漿的各種物理性質(zhì)的研究，開展了分級(jí)尾砂泡沫砂漿的充填試驗(yàn)，提高了充填質(zhì)量，降低了充填成本[15]。在泡沫砂漿的物理性質(zhì)研究方面，李冬從損傷理論角度建立了充填體的損傷模型，來對(duì)充填體進(jìn)行能量分析和穩(wěn)定性研究[1]。

2.2泡沫砂漿充填工藝的發(fā)展

近2a由于泡沫砂漿的影響增大，其充填工藝也有了一定程度的發(fā)展。杜向紅總結(jié)了充填工藝流程[15]，大致為骨料制備、骨料運(yùn)輸、配砂、制漿、釆場充填、脫水等。田志剛、向軍發(fā)明了新型發(fā)泡混合裝置和砂漿制備系統(tǒng)[14]，發(fā)泡混合裝置能夠根據(jù)砂漿的流量調(diào)整泡沫流量，確保氣泡的含有率，同時(shí)能夠保證氣泡與砂漿充分混合。砂漿制備系統(tǒng)通過對(duì)砂、水泥、水用量的精確控制，確保對(duì)砂漿灰砂比、濃度及用量的精確控制。

3　存在的問題及解決措施

3.1理論研究方面

(1)對(duì)泡沫砂漿的摻合料研究主要集中于粉煤灰、聚苯乙烯等，摻和料的研究較為單一，應(yīng)充分了解其他摻合料、泡沫砂漿性能的變化，對(duì)拓展其應(yīng)用范圍和規(guī)模，具有積極的作用。因此，應(yīng)加大泡沫砂漿摻和料的研究范圍，建立組成與性能相關(guān)的理論體系，推動(dòng)其在工程中的應(yīng)用。

(2)泡沫砂漿的微觀結(jié)構(gòu)的研究較少，研究的系統(tǒng)性不夠。應(yīng)加大微觀結(jié)構(gòu)的研究力度，改善其物理性能，提高使用范圍。

3.2應(yīng)用方面

(1)雖然泡沫砂漿具有常規(guī)砂漿難以比擬的優(yōu)勢(shì)，但市場化應(yīng)用范圍較小。應(yīng)加大泡沫砂漿的市場推廣力度，使泡沫砂漿規(guī)?；袌龌?。

(2)進(jìn)一步降低采礦充填的技術(shù)成本，采用相應(yīng)的技術(shù)措施來提高充填的經(jīng)濟(jì)效益。如：采用相應(yīng)的固化劑來降低水泥用量，節(jié)約成本。

(3)隨著礦產(chǎn)資源開采逐步向礦床的兩側(cè)進(jìn)行，造成礦床的開采傾角變緩，水平走向距離遠(yuǎn)，而開采面與充填站的水平走向大，垂直高差小，充填倍線大，從而引起管道輸送自流壓力小，易堵管等問題，給輸送帶來很大的困難，影響日常生產(chǎn)。因此，要研發(fā)水平輸送距離遠(yuǎn)、垂直高差小的輸送系統(tǒng)，以解決管理輸送的問題。

[1]李冬.泡沫砂漿在金川礦區(qū)的應(yīng)用研究[D]. 內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[2]陳忠平，翟淑花，高謙,等.泡沫砂漿充填體力學(xué)特性及其應(yīng)用研究[J].金屬礦山，2010(8)：7-10.

[3]李百年.高摻量粉煤灰泡沫砂漿性能研究[J]. 山西建筑，2011(5)：103-104.

[4]曾珍,張雄.泡沫-EPS保溫砂漿的最佳配比及其性能研究[J]. 新型建筑材料，2005(12)：18-21.

[5]周小華.承重保溫型復(fù)合墻體的保溫與應(yīng)用[D]. 廣東：華南理工大學(xué)，2011.

[6]于顯強(qiáng).建筑垃圾再生細(xì)粉用于保溫砂漿的研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2014.

[7]黃儉才,徐浩,朱潔,等.發(fā)泡劑對(duì)氣泡輕質(zhì)土的性能和微觀結(jié)構(gòu)影響研究[J]. 新型建筑材料，2005(12)：18-21.

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[10]楊志強(qiáng),王永前,高謙,等.泵送減水劑對(duì)尾砂棒磨砂膏體料漿和易性與充填體強(qiáng)度影響研究[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(2)：129-134.

[11]歐陽仕元,杜向紅.用于巖溶動(dòng)水注漿的泡沫尾砂漿試驗(yàn)研究[J]. 有色金屬，2015(5)：53-56.

[12]張耀平，蘇曉萍，譚偉,等.泡沫砂漿充填體的應(yīng)用價(jià)值研究[J].金屬礦山，2013(10)：40-42.

[13]翟淑花，高謙，張梅花,等.高強(qiáng)輕質(zhì)泡沫砂漿充填體在礦山的應(yīng)用研究[J].IM&P化工礦物與加工，2010(12)：30-34.

[14]田志剛，向軍.泡沫砂漿新材料充填技術(shù)工藝研究及應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2015(3)：34-38.

[15]杜向紅.鉛鋅礦尾砂綜合回收與利用[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

2016-03-10)

楊蔡君(1980—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。