堿對(duì)摻雜油頁(yè)巖灰渣高水充填材料性能的影響研究

李虎威 齊琦

摘要：高水材料在煤炭充填開(kāi)采中得到一定的應(yīng)用，但其較高的價(jià)格制約了其大范圍的應(yīng)用。本文采用NaOH對(duì)工業(yè)廢料油頁(yè)巖灰渣進(jìn)行改性研究，探索適合改性高水充填材料的堿用量。試驗(yàn)結(jié)果表明：在油頁(yè)巖灰渣摻量為40%水灰比為1：1和NaOH含量為0.4%時(shí)摻雜油頁(yè)巖灰渣高水充填材料的強(qiáng)度較大。此外，可以通過(guò)調(diào)整PH值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油頁(yè)巖灰渣高水材料的凝結(jié)性能調(diào)整，降低充填成本具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高水充填材料;NaOH含量;抗壓強(qiáng)度;充填成本

中圖分類號(hào)：TQ172 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高水速凝固結(jié)材料（簡(jiǎn)稱高水材料）作為一種新型水硬性膠凝材料以其高水灰比、早強(qiáng)、速凝等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在礦上開(kāi)采，特別是煤礦充填開(kāi)采方面得到成功應(yīng)用。與傳統(tǒng)的水泥基材料相比，高水材料成本相對(duì)較高，制約了其在煤礦充填開(kāi)采過(guò)程中的大范圍應(yīng)用。近年來(lái)，采用具有活性成分的工業(yè)廢料替代高水材料中的部分成分正逐步引起重視。相關(guān)研究結(jié)果表明：在保持高水材料基本物理力學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定的條件下，采用工業(yè)廢料部分替代高水材料主要成分，不僅對(duì)降低充填成本、進(jìn)一步擴(kuò)大高水材料的推廣應(yīng)用具有重要的意義。而且，通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢料的有效應(yīng)用，對(duì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、延長(zhǎng)企業(yè)生產(chǎn)鏈具有重要的作用[1]。

本文提出采用油頁(yè)巖灰渣作為高水材料替代成分，研發(fā)摻雜油頁(yè)巖灰渣的新型高水充填材料。盡管可以采用具有活性成分的工業(yè)廢料替代部分高水材料，但隨著摻量的增加，高水材料原有力學(xué)性質(zhì)，特別是單軸壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著變化。與工業(yè)廢料主要成分、配合比等影響因素相比，pH對(duì)于高水材料的固結(jié)影響作用最為明顯[2]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)主要包括工業(yè)廢料油頁(yè)巖灰渣和高水充填材料組成。實(shí)驗(yàn)所用油頁(yè)巖灰渣（OSA）由新疆某油頁(yè)巖礦提供，主要成分SiO2占60%左右，Al2O3占20%左右，其他Fe2O3、MgO、CaO、SO3等占20%左右。

高水材料由甲料、乙料、甲添和乙添組成。甲料[硫鋁酸鹽水泥（SAC）]產(chǎn)地為江蘇某特種水泥廠，主要成分為Al2O3、CaO，還有少量的SiO3、SiO2，表1給出了甲料主要原材料的化學(xué)成分;乙料（石膏、石灰）由江蘇某廠提供;甲添和乙添由江蘇某廠提供，主要用作添加劑，控制高水材料的固結(jié)特性。

1.2 試樣制備

控制甲料（乙料）：甲添（乙添）為10的質(zhì)量比，按照甲、乙料質(zhì)量比為1的原則分別稱重適量樣品和純凈水，按照表2所示的質(zhì)量比進(jìn)行配置。其中，固定油頁(yè)巖灰渣分別替代甲料、乙料0%和40%，制備NaOH濃度變化（0，0.1%，0.2%，0.4%和0.6%）時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

按照?qǐng)D1所示的工藝流程，將制備的標(biāo)準(zhǔn)試件脫模后放入濕度50%、溫度20 ℃的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至測(cè)試當(dāng)日。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同NaOH含量對(duì)新型高水材料單軸抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出，在相同水灰比的條件下，隨著NaOH含量的增加，改性高水充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)油頁(yè)巖灰渣摻量為40%，水灰比為1：1時(shí)候，采用0.4%的NaOH含量可以獲得最高的單軸抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，NaOH含量與改性高水充填材料強(qiáng)度之間具有正向關(guān)聯(lián)作用，在實(shí)際配置改性高水材料過(guò)程中可以考慮控制NaOH含量的方法獲取合適的單軸抗壓強(qiáng)度[3]。

2.2 不同NaOH含量對(duì)新型高水材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育的影響

圖3為油頁(yè)巖灰渣高水材料在不同NaOH含量的堿性（0.1%、0.2%、0.4%、0.6%）溶液條件下固結(jié)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)掃描電子顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖可以看出，隨著NaOH含量的增加，生成產(chǎn)物中鈣礬石的數(shù)量顯著增多。由于鈣礬石的存在是高水材料早強(qiáng)性能的主要原因，因此可以認(rèn)為通過(guò)調(diào)節(jié)NaOH含量，可以獲取實(shí)際工程所需的早期強(qiáng)度。

同時(shí)，圖3a所示為摻雜油頁(yè)巖灰渣高水材料反應(yīng)的產(chǎn)物的形貌，可以看出有少量結(jié)晶良好的鈣礬石柱狀晶體生成，但是油頁(yè)巖灰渣本身沒(méi)有參與化學(xué)反應(yīng)，鈣礬石晶體主要由高水材料生成。隨著NaOH的使用，溶液的堿性顯著增強(qiáng)，油頁(yè)巖灰渣中的活性成分在堿性環(huán)境下與高水材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，更多的鈣礬石出現(xiàn)（圖3b、圖3c）。當(dāng)反應(yīng)溶液堿度過(guò)高時(shí)（圖3d），由于溶液容易吸附空氣中的CO2，與生成的鈣礬石產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成水化碳鋁酸鈣，原有的晶狀結(jié)構(gòu)遭到破壞。

3 結(jié)論

（1）堿對(duì)摻雜油頁(yè)巖灰渣高水充填材料的相互反應(yīng)有促進(jìn)作用，隨著反應(yīng)溶液堿度的提高，改性高水材料的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)NaOH含量在0.4%左右時(shí)，油頁(yè)巖灰渣高水材料抗壓強(qiáng)度較高。

（2）不同NaOH含量對(duì)摻雜油頁(yè)巖灰渣高水材料微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響，堿性環(huán)境加劇了油頁(yè)巖灰渣活性成分與高水材料有效成分的化學(xué)反應(yīng)，其主要生成產(chǎn)物鈣礬石的數(shù)量和形態(tài)均發(fā)生較大變化。因此，可以通過(guò)改變NaOH含量調(diào)節(jié)改性高水材料的早期強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚麗泉，胡相紅，余梅，等.油頁(yè)巖灰渣的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程師，2016（10）：44-47.

[2] 季桂娟，楊春明，甘樹(shù)才，等.利用油頁(yè)巖灰渣制備通用硅酸鹽水泥[J].化學(xué)工程師，2012（7）：1173-1178.

[3] 張立棟，劉洪鵬，賈春霞，等.我國(guó)油頁(yè)巖綜合利用相關(guān)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012（11）：6-10.