粉煤灰—礦渣—水泥基鋼渣膠結(jié)充填料試驗研究

江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計院，江西 南昌 330001

關(guān)健詞：粉煤灰；鋼渣；膠結(jié)；充填

無煤柱開采可以提高煤炭資源采出率，從而提高礦井經(jīng)濟(jì)效益，采用沿空留巷技術(shù)可以很好的解決無煤柱開采的難題［1-2］。巷旁支護(hù)材料的選擇是沿空留巷技術(shù)的關(guān)鍵。目前最為先進(jìn)的巷旁充填體主要是采用高水材料或水泥作為膠凝性充填材料來構(gòu)筑，其中大多數(shù)充填材料都存在成本高或充填體固化慢的缺點，而充填成本的高低直接影響著礦山經(jīng)濟(jì)效益［3］。因此，制備價格低廉、性能良好的礦山充填材料是非常有必要的。

本實驗采用固體廢棄物為主要原料來制備礦山充填材料，解決礦山充填成本高以及固廢大量堆積的問題。礦渣是礦石冶煉后的殘余物。粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，大量研究結(jié)果表明二者皆具有水硬特性［4-6］。鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣，時中華［7］、梁建軍［8］、張鈞林［9］等人研究了利用鋼渣等體積全部或部分替代普通混凝土中的集料進(jìn)行鋼渣混凝土配制，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究。因此，針對以上材料的特點，本文利用粉煤灰、礦渣為主要膠凝組分，鋼渣為充填集料制備充填材料進(jìn)行研究。

1 實驗

1.1 原材料

實驗所用粉煤灰由山東鄒平電廠提供，比表面積為350m2/kg；鋼渣取自濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)，95%的顆粒粒徑小于0.63mm，30%的顆粒粒徑小于0.08mm；礦渣采用濟(jì)南鮑德爐料公司生產(chǎn)的礦渣微粉，比表面積為459 m2/kg；水泥熟料由山水集團(tuán)提供；石膏為市場所購買；激發(fā)劑為實驗室自制；水為自來水。其主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料化學(xué)組成 wt%

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗過程

設(shè)計正交表進(jìn)行試驗，其因素水平見表2。將礦渣、粉煤灰、熟料和石膏按一定的比例（如表3 所示）混合均勻后放入球磨機(jī)中粉磨20min 制得膠凝材料，再加水、激發(fā)劑和鋼渣后混合攪拌制得鋼渣膠結(jié)充填料?；谇捌趯嶒灥奶剿?，選取水膠比為1.2，激發(fā)劑摻量為膠凝材料總量的1%，膠凝材料與鋼渣比為1：5。采用40 mm×40 mm×160mm砂漿試模成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測定其力學(xué)性能。

表2 正交試驗因素水平

1.2.2 物理性能實驗

比表面積和膠砂強(qiáng)度試驗按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。

用FEI Quanta 250 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣的水化產(chǎn)物形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

表3 是充填料不同實驗配比方案及其物理力學(xué)性能測定結(jié)果。

2.2 早期強(qiáng)度分析

由表4 分析可知：對1d 抗壓強(qiáng)度影響最大的是熟料摻量，影響最小的是石膏摻量。在各影響因素中，熟料摻量的3 水平所對應(yīng)的充填料抗壓強(qiáng)度最高，且摻量越大，1d 強(qiáng)度越高；粉煤灰摻量的1 水平所對應(yīng)的充填料抗壓強(qiáng)度最高，且摻量越小，1d 強(qiáng)度越高。這主要是因為粉煤灰和礦渣相對于熟料而言，在水化1d 時，其水化活性很低，充填料的強(qiáng)度主要是由熟料水化提供的。熟料摻量越大越能在早期生成大量的C-S-H 凝膠，為充填料提供了早期強(qiáng)度。由極差分析可知，各因數(shù)對充填料1d 抗壓強(qiáng)度影響的顯著程度為：熟料＞礦渣＞粉煤灰＞石膏，最佳摻量為礦渣40 份，粉煤灰20 份，熟料15 份，石膏5 份，即礦渣50%，礦渣25%，熟料18.7%，石膏6.3%。最優(yōu)方案為A1B3C3D3。

表3 實驗配比方案及物理性能測定結(jié)果

表4 1d、3d 和28d 極差分析

水化3d 后，對3d 抗壓強(qiáng)度影響最大的是熟料摻量，影響最小的是石膏摻量。相對于水化1d 時，礦渣和石膏對充填料抗壓強(qiáng)度影響的顯著程度有所增加，這主要是因為隨著水化齡期的延長，在石膏充足的情況下，礦渣逐漸水化生成鈣釩石晶體為充填體提供強(qiáng)度。由極差分析可知，各因數(shù)對充填料3d 抗壓強(qiáng)度影響的顯著程度為：熟料＞礦渣＞粉煤灰＞石膏，最佳摻量為礦渣36.4%，粉煤灰36.4%，熟料13.6%，石膏13.6%。最優(yōu)方案為A1B1C3D1。

綜合充填體1d 和3d 強(qiáng)度的極差分析得出，對充填體早期強(qiáng)度影響最大的是熟料摻量，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，其他因素對充填體強(qiáng)度的影響逐漸增強(qiáng)。

2.3 后期強(qiáng)度分析

由表4 分析可知：對充填體28d 抗壓強(qiáng)度影響最大的是石膏摻量，其次是熟料摻量。同時，合適的石膏摻量對充填體后期強(qiáng)度的提高是有益的，當(dāng)石膏摻量過高時，反而會降低充填體后期強(qiáng)度。熟料和礦渣摻量的3 水平所對應(yīng)的充填料抗壓強(qiáng)度最高，且28d 強(qiáng)度隨著摻量增大而增高。同時分析得出，對充填體28d 抗壓強(qiáng)度影響的最大的是石膏摻量，其次是熟料摻量，再之是礦渣摻量，最小是粉煤灰摻量。最優(yōu)方案為A1B1C3D2，各材料占比分別為粉煤灰38.1%，礦渣38.1%，熟料14.3%，石膏9.5%。

2.4 最佳方案確定

根據(jù)試驗結(jié)果分析可知，高熟料摻量可以提高充填體的早期強(qiáng)度，合適石膏的摻量可保證充填體的后期強(qiáng)度。綜合充填體各齡期強(qiáng)度和成本，優(yōu)選出充填膠凝材料的最佳配方，各材料占比為礦渣42.1%，粉煤灰31.6%，熟料15.8%，石膏10.5%。其試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 最佳配比實驗結(jié)果

2.5 最佳配比方案試樣微觀形貌分析

圖1 是最佳配比方案試樣的1d、3d 和28d 的SEM 照片。

圖1 不同水化齡期試樣的SEM 照片

圖1（a）是試樣水化1d 的SEM 照片，可以看出：試樣的主要水化產(chǎn)物是C-S-H 凝膠以及未水化的粉煤灰和礦渣顆粒，充填體結(jié)構(gòu)比較疏松。圖1（b）是試樣水化3d 的SEM 照片，可以看出：相比1d 試樣，試樣的主要水化產(chǎn)物出現(xiàn)了少量針狀的鈣釩石晶體，且C-S-H 凝膠量增加，充填體結(jié)構(gòu)較為致密。圖1（c）是試樣水化28d 的SEM 照片，可以看出：水化28d 后，試樣的主要水化產(chǎn)物是C-S-H 凝膠以及大量針狀的鈣釩石晶體，水化產(chǎn)物相互交結(jié)將粉煤灰和礦渣顆粒包裹在一起，使得充填體結(jié)構(gòu)更為致密，從而提高充填體的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）確定了充填膠凝材料中各原材料的最佳摻量，充填體性能滿足充填要求。

（2）對充填體的早期強(qiáng)度影響較大的是熟料和礦渣摻量；隨著粉煤灰的摻量增加，充填體的早期強(qiáng)隨之降低；合適石膏的摻量對充填體的后期強(qiáng)度非常關(guān)鍵。

（3）充填料的最佳配比是粉煤灰40 份，礦渣30 份，熟料15 份，石膏10 份。該充填料性能良好，其1d、3d 和28d 抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到3.8MPa、6.1 MPa和27.3 MPa，滿足礦山充填要求。