高沙充填材料的輸送性能研究

陳 杰，梁楊芝，王 俊，褚運(yùn)凱

(西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054)

0 引 言

我國(guó)西部神東煤田煤炭?jī)?chǔ)量豐富，主要開(kāi)采淺部煤層，大規(guī)模高強(qiáng)度開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。條帶充填保水開(kāi)采技術(shù)是解決煤礦開(kāi)采地表生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的有效途徑[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，充填成本占采礦成本的1/3左右，充填成本中充填材料又占80%以上[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外廣泛采用工業(yè)固體廢棄物部分替代水泥和骨料的高濃度全尾砂膠結(jié)充填材料[3]、高水速凝充填材料[4]、擬膏體[5]和膏體充填材料[6-7]等，大大降低了充填材料成本。但是，西部大型礦區(qū)開(kāi)采強(qiáng)度高，充填量巨大；采用機(jī)械化開(kāi)采，矸石不上井，煤矸石等工業(yè)廢棄物比例小，難以有效解決充填材料來(lái)源問(wèn)題。充填材料的成本主要來(lái)源于骨料和膠結(jié)劑，榆神府礦區(qū)地處毛烏素沙漠邊緣，風(fēng)積沙資源豐富，價(jià)格低廉，采用風(fēng)積沙作為充填材料的骨料可大幅度降低充填材料成本。高沙充填材料的研究對(duì)于降低充填材料成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好開(kāi)采，具有重要的實(shí)踐意義[8-9]。

為了降低充填材料的費(fèi)用，因此需要減少膠結(jié)劑的用量，增加風(fēng)積沙骨料含量。骨料的增加會(huì)增大料漿在管道輸送的阻力，必然帶來(lái)流動(dòng)性的下降[10-11]，所以高濃度風(fēng)積沙做為充填材料的輸送性能是需要研究的重要性質(zhì)之一。高沙充填材料輸送性能的研究對(duì)于對(duì)充填系統(tǒng)的優(yōu)化、提高輸送效果、降低輸送成本具有重要意義。通過(guò)研究質(zhì)量濃度、灰沙比、粉煤灰摻量等參數(shù)對(duì)高沙充填料漿的凝結(jié)時(shí)間、泌水率和流動(dòng)性等輸送性能的影響規(guī)律，研究其作用機(jī)理，給出合理的配比。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

P·P 32.5火山灰質(zhì)水泥(陜西堯柏水泥有限股份公司)；聚羧酸高效減水劑(山東濟(jì)南)；葡萄糖酸鈉緩凝劑(江蘇)；一級(jí)粉煤灰(河南四通化有限公司)，其需水量比92%，D50=12.34 μm；風(fēng)積沙(榆林)，堆積密度1.62 g/cm3，振實(shí)密度1.89 g/cm3，細(xì)度模數(shù)1.2，含泥量2.27%，D50=496 μm。粉煤灰和風(fēng)積沙的化學(xué)組成如表1所示。

表1 粉煤灰及風(fēng)積沙的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of fly ash and aeolian sand /wt%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將各原料按照一定的質(zhì)量比進(jìn)行配料、混合、攪拌。坍落度、泌水率測(cè)試根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)檢測(cè)。初凝時(shí)間根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346)檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

充填料漿輸送性能指標(biāo)包含流動(dòng)性、泌水率、初凝時(shí)間。流動(dòng)性用充填料漿的坍落度來(lái)表征。條帶充填保水開(kāi)采對(duì)充填材料輸送性能的要求是：坍落度大于18 cm，靜置泌水率不超過(guò)3%，泵送時(shí)間不小于2～4 h[12]。

2.1 坍落度

坍落度是表征料漿流動(dòng)性的重要參數(shù)，圖1為不同灰沙比下質(zhì)量濃度對(duì)坍落度的影響規(guī)律，可以看出，在粉煤灰摻量和灰沙比一定的條件下，隨著料漿質(zhì)量濃度的增大，坍落度逐漸的減小，流動(dòng)性能變差。這是因?yàn)殡S著料漿質(zhì)量濃度的增大，固相量增加，風(fēng)積沙顆粒細(xì)，比表面積增大，包裹風(fēng)積沙的水泥漿相對(duì)減少，導(dǎo)致流動(dòng)性變差。

圖1 質(zhì)量濃度對(duì)坍落度的影響規(guī)律
Fig.1 Effect of different mass concentrations on slump

圖2 風(fēng)積沙的SEM圖
Fig.2 SEM image of aeolian sand

表2為不同灰沙比下滿(mǎn)足料漿流動(dòng)所需坍落度(18 cm)所需要的最大質(zhì)量濃度?？梢钥闯?，隨著風(fēng)積沙摻量的增加，料漿濃度的最大值逐漸減小。這主要與風(fēng)積沙的形貌和細(xì)度有關(guān)，風(fēng)積沙屬于超細(xì)沙(細(xì)度模數(shù)1.2)，顆粒比表面積大，膠結(jié)料不足，不能保證沙顆粒間有足夠的料漿填充潤(rùn)滑，顆粒間的摩擦阻力增大，流動(dòng)性變小。此外，由風(fēng)積沙的SEM圖(圖2)可以看出風(fēng)積沙顆粒大小雖然比較均勻，但是其形狀不規(guī)則，棱角狀居多，這是不利于促進(jìn)高沙充填材料的流動(dòng)性的[13]。

表2 不同灰沙比下滿(mǎn)足料漿流動(dòng)坍落度的最大質(zhì)量濃度Table 2 Maximum mass concentration that satisfies the slump of slurry flow at different ash-sand ratios

2.2 泌水率

泌水率是膠凝材料在澆注搗實(shí)以后凝結(jié)以前，從外觀看表面析出水分的一種現(xiàn)象，泌水率太高會(huì)導(dǎo)致料漿分層，流動(dòng)性能變差，膠凝材料流失，這不利于對(duì)料漿輸送時(shí)間的調(diào)控。圖3為不同灰沙比下質(zhì)量濃度對(duì)泌水率的影響規(guī)律。以灰沙比為1∶16的一組為例，質(zhì)量濃度從80%提高到88%時(shí)，所配置的料漿的含水量降低了45.5%，但是它的泌水率從原來(lái)的40.7%降低到了19.4%，泌水率的變化非常明顯。這是由于水泥和粉煤灰的顆粒粒徑小于風(fēng)積沙的顆粒粒徑，質(zhì)量濃度增加，較小的水泥和粉煤灰填充了風(fēng)積沙骨料之間的空隙，降低了骨料之間的孔隙率，其次，粉煤灰具有部分的多空隙無(wú)定型碳的存在，具有吸附自由水的效果，因此導(dǎo)致充填材料的泌水率下降。從圖3可以看出泌水率最低為10.3%，無(wú)法達(dá)到3%充填泌水率的要求，需采用減水劑對(duì)泌水率進(jìn)行改善。

圖3 質(zhì)量濃度對(duì)泌水率的影響規(guī)律
Fig.3 Effect of mass concentration on bleeding rate

圖4 灰沙比對(duì)泌水率的影響規(guī)律
Fig.4 Effect of ash-sand ratios on bleeding rate

圖4為灰沙比對(duì)泌水率的影響規(guī)律。從圖中可以看出，相同質(zhì)量濃度下，隨著沙摻量的增加，泌水率逐漸增大。這是因?yàn)轱L(fēng)積沙表面雖有少量孔隙，水可以進(jìn)入其顆粒的內(nèi)部，但其保水能力很差，所以隨著沙量的增大，高沙充填材料的料漿的泌水率也隨之增大。且隨著風(fēng)積沙含量的不斷變化，泌水率增加速率也在不斷變化，風(fēng)積沙含量較低時(shí)，泌水率增加速率較慢，風(fēng)積沙含量較高時(shí)，泌水率增加速率較快。這是因?yàn)殡S著風(fēng)積沙含量的增大，礦物摻合料粉煤灰的量在不斷減少，粉煤灰具有一定的保水性，但隨著其含量的減少，保水性不斷變?nèi)?。同時(shí)由于細(xì)顆粒風(fēng)積沙的大量增加，其比表面積也隨之增大，由于其吸水能力較差，所以隨著風(fēng)積沙摻量的增大，泌水率增大。泌水率均未達(dá)到充填開(kāi)采對(duì)3%的泌水率要求，需要進(jìn)一步通過(guò)減水劑來(lái)調(diào)控。

減水劑是調(diào)節(jié)混凝土拌合物流動(dòng)性的外加劑，在保持工作性不變的條件下可以減少用水量，從而達(dá)到提高混凝土強(qiáng)度的一種外加劑。一般減水劑用量為膠凝材料的1%～2%。高效減水劑在0.5%左右。研究采用了聚羧酸高效減水劑，研究不同灰沙比下質(zhì)量濃度為85%配比的坍落度和泌水率，減水劑加入量為膠凝材料的0.1%～0.5%

從圖5可以看出，加入減水劑后，料漿的泌水率均都有明顯的降低，以灰沙比1∶8為例，加入0.1%～0.5%的減水劑后，泌水率由13.6%降低到了1.8%，這是由于減水劑有極性很強(qiáng)的親水基團(tuán)，易與水分子以氫鍵結(jié)合，在水泥顆粒表面形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，有利于水泥顆粒的滑動(dòng)，使拌合物的流動(dòng)性進(jìn)一步提高所以在拌合物流動(dòng)性一定的情況下，隨著減水劑的加入可以大大減少用水量從而達(dá)到降低泌水率的效果[13]。

從圖6中可以看出在確定某一個(gè)灰沙比的條件下，隨著減水劑加入量的增加，坍落度呈現(xiàn)出先減小后逐漸增大的趨勢(shì)。減水劑的最佳加入量在0.3%～0.4%之間，超過(guò)這個(gè)最佳加入量坍落度增加趨緩。加入0.3%含量的減水劑后可以使灰沙比為1∶8的質(zhì)量濃度為85%的料漿同時(shí)滿(mǎn)足泌水率低至3%和坍落度達(dá)到18.0～22.0 cm這兩個(gè)要求。

圖5 減水劑對(duì)泌水率的影響規(guī)律
Fig.5 Effect of water reducing agent on bleeding rate

圖6 減水劑對(duì)坍落度影響規(guī)律
Fig.6 Effect of water reducing agent on slump

2.3 初凝時(shí)間

充填材料初凝時(shí)間對(duì)料漿在管道中的輸送與施工具有重要的參考作用。水泥∶粉煤灰∶沙子為1∶2∶12時(shí)，質(zhì)量濃度對(duì)高沙充填材料的初凝時(shí)間影響如圖7所示?？梢钥闯鯷13]，隨著質(zhì)量濃度的增大，充填材料的初凝時(shí)間逐漸變短，這主要是因?yàn)樗嘣诩铀韬秃髸?huì)發(fā)生水化反應(yīng)。在單位體積的充填材料中，隨著質(zhì)量濃度的增加，單位充填材料中用水量降低，水泥熟料在水中的濃度相對(duì)較高，在較短時(shí)間內(nèi)熟料水化反應(yīng)產(chǎn)物在漿體中累計(jì)到一定程度，使?jié){體達(dá)到一定的密實(shí)度，從而使初凝時(shí)間變短。

圖7 質(zhì)量濃度對(duì)充填材料初凝時(shí)間的影響規(guī)律
Fig.7 Effect of mass concentration on initial setting time of filling material

圖8 灰沙比對(duì)充填材料初凝時(shí)間的影響規(guī)律
Fig.8 Effect of ash-sand ratio on initial setting time of filling material

水泥與粉煤灰比為1∶2，質(zhì)量濃度為85%時(shí)，灰沙比對(duì)高沙充填材料的初凝時(shí)間影響如圖8所示，可以看出，隨著沙子摻量的增加，充填材料的初凝時(shí)間逐漸減少。灰沙比由1∶8增加到1∶16時(shí)，初凝時(shí)間縮短了一半，可以看出，風(fēng)積沙摻量對(duì)初凝時(shí)間的影響效果非常明顯。這是由于隨著風(fēng)積沙摻量增加，導(dǎo)致料漿分層嚴(yán)重，沙子沉降。料漿中膠凝材料的量相對(duì)減少，膠凝材料無(wú)法全部充填沙子間的空隙，上層的膠凝材料與上層水分充分接觸，水化反應(yīng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致初凝時(shí)間的縮短，無(wú)法達(dá)到充填要求，因此需要加緩凝劑調(diào)節(jié)初凝的時(shí)間。

緩凝劑由于具有表面活性，能在膠結(jié)料顆粒的固液界面吸附，改變了膠結(jié)料顆粒表面的親水性，形成一層可抑制水泥水化的緩凝劑膜層，從而有效改善料漿的流動(dòng)性，并降低其經(jīng)時(shí)損失，延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間[14]。以灰沙比1∶8，質(zhì)量濃度85%為例，葡萄糖酸鈉緩凝劑的摻入量為0.03%～0.11%，由圖9可以看出初凝時(shí)間隨緩凝劑摻量的增大而延長(zhǎng)，緩凝劑摻量在0.05%～0.09%范圍內(nèi)緩凝效果最明顯，且摻量為0.07%時(shí)即可達(dá)到凝結(jié)時(shí)間要求。

圖9 緩凝劑對(duì)充填材料初凝時(shí)間的影響規(guī)律
Fig.9 Effect of retarder on initial setting time of filling material

3 結(jié) 論

(1)滿(mǎn)足充填料漿自流輸送性能要求的高沙充填材料配比:灰沙比1∶8，質(zhì)量濃度85%，聚羧酸高效減水劑0.3%～0.4%，緩凝劑0.07%；

(2)隨著料漿質(zhì)量濃度增大，泌水率下降，初凝時(shí)間減小。風(fēng)積沙摻量增加，料漿流動(dòng)性變差，初凝時(shí)間逐漸減小，泌水率增加；

(3)減水劑的加入使得泌水率得到大幅度的下降，坍落度顯著改善。緩凝劑的加入有效延長(zhǎng)了充填料漿的凝結(jié)時(shí)間，有利于長(zhǎng)距離管道輸送，緩凝劑摻量在0.05%～0.09%范圍內(nèi)緩凝效果明顯。