改性鎂渣基充填材料的性能評(píng)價(jià)及其孔結(jié)構(gòu)演變規(guī)律研究

徐明剛 劉立國

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院,江蘇 南京 210019;2.山東師范大學(xué)基建處,山東 濟(jì)南 250358)

隨著地下開采的發(fā)展,充填采礦引起了人們的廣泛關(guān)注,已成為地下采礦技術(shù)的主要發(fā)展方向。 充填采礦技術(shù)因其節(jié)省尾礦廢棄物儲(chǔ)存場所、減少環(huán)境污染、有效控制采空區(qū)地壓、保證安全生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于地下礦山工程中[1-5]。

充填采礦技術(shù)的核心是充填材料,現(xiàn)有的膠結(jié)充填材料成本較高,其中凝膠材料的成本尤為突出,達(dá)到了充填成本的75%左右[6]。 近年來,學(xué)者們對凝膠材料以及充填材料開發(fā)及改性進(jìn)行了大量的研究。如NGUYEN 等[7]在用高爐礦渣或粉煤灰部分代替水泥方面取得了一些重要發(fā)現(xiàn)。 CAI 等[8]針對回收傾倒在垃圾填埋場的鎂渣,將其作為一種膠凝材料代替水泥進(jìn)行了研究。 HUANG 等[9]對膏體充填材料在動(dòng)載荷作用下的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了研究。 姚志全等[10]采用劈裂法對不同配比、濃度的充填體試樣進(jìn)行了試驗(yàn),得到了不同條件下的峰值荷載、峰值位移和應(yīng)力/應(yīng)變曲線。 余偉健等[11]將成本較低、取材方便的紅土代替粉煤灰制作膏體充填材料,并進(jìn)行了坍落度、泌水率、擴(kuò)展度和單軸抗壓試驗(yàn),分析了材料配比和干料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對其性能的影響。 隨著我國金屬鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,鎂渣每年的排放量高達(dá)百萬噸[12],帶來了一系列環(huán)境問題,學(xué)者們對鎂渣處理提出了諸多思路,如煅燒水泥熟料[13]、代替部分水泥作為凝膠材料[14]、生產(chǎn)墻體材料[15]等。 鎂渣和粉煤灰都具有一定的膠凝性能,使其成為硅酸鹽水泥的潛在代替材料。 從固廢資源的實(shí)際利用方面看,與礦山充填結(jié)合能夠大規(guī)模處理鎂渣,既可以保護(hù)環(huán)境、節(jié)省土地資源,又符合國家可持續(xù)發(fā)展政策[12]。 改性鎂渣基充填體是一種新型的膠結(jié)充填材料,以鎂渣和粉煤灰代替水泥與一定比例的細(xì)骨料和水混合而成,經(jīng)攪拌和振動(dòng)形成的多相材料,用于礦山井下充填時(shí),具有無污染、能耗低、頂板連接性能好等優(yōu)點(diǎn)。 此外,隨著全球工業(yè)化進(jìn)程加快,對礦產(chǎn)資源的需求不斷增加,開采速度不斷提高,尾礦累積量不斷增加[16]。 尾礦庫廢棄物的儲(chǔ)存不僅浪費(fèi)了土地資源,還造成了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題(水污染、空氣污染、地表塌陷、植被破壞等)[17],尾礦廢棄物處理是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

目前對于改性鎂渣基充填材料的研究相對較少,本研究以尾砂作為細(xì)骨料配置改性鎂渣基充填材料進(jìn)行塌落度試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和壓汞法試驗(yàn),分析不同齡期、粉煤灰摻量和尾砂含量對充填體流動(dòng)性能、力學(xué)性能和孔結(jié)構(gòu)演變的影響,探討鎂渣與尾砂實(shí)現(xiàn)高效利用的可行性,為釋放固廢占據(jù)的土地資源、實(shí)現(xiàn)清潔采礦提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用鎂渣為山西某鎂廠產(chǎn)出的改性鎂渣,為了提高其活性采用破碎機(jī)將其破碎研磨成粉末狀;粉煤灰為四川某工廠生產(chǎn)的F 類粉煤灰;細(xì)骨料采用某銅礦尾礦粒徑為0.5 mm 以下的尾砂;試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的普通自來水;改性鎂渣(MS)、粉煤灰(FA)和尾砂(TL)的化學(xué)成分見表1。

表1 材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of material%

1.2 試樣制備

試驗(yàn)中采用的膠凝材料為改性鎂渣粉以及粉煤灰,為研究MS ∶FA ∶TL 配比對充填體性能的影響,采用自來水、MS、FA、TL 制備了不同配比的樣品。 配合比設(shè)計(jì)如下:為研究粉煤灰摻量的影響,將凝膠材料與尾砂質(zhì)量比定為1 ∶1,粉煤灰的摻量設(shè)置為凝膠材料的0%、10%、20%、30%、40%。 為了研究凝膠材料與尾砂質(zhì)量比對充填體性能的影響,將粉煤灰的摻量定為20%,尾砂質(zhì)量占比設(shè)為40%、50%、60%和70%,料漿質(zhì)量濃度為72%。 按配合比進(jìn)行混合攪拌制作料漿,將料漿倒入尺寸為直徑50 mm、高100 mm的模具中,成型后將混凝土試塊用保鮮膜覆蓋24 h后進(jìn)行拆模,參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)要求將試塊放置在養(yǎng)護(hù)濕度≥95%、溫度保持在(20±2)℃養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行為期28 d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)坍落度測試。 坍落度試驗(yàn)反映了料漿的黏聚力和摩擦阻力,是衡量料漿可移動(dòng)性的重要指標(biāo)。在實(shí)踐中,100 mm 的坍落度值是充填采礦的最低要求,充填體的坍落度大于160 mm(微型坍落度為71 mm),可運(yùn)輸性較好[18]。 為節(jié)省試驗(yàn)材料,采用微型坍落度錐來測量充填體的微型坍落度值。 其中,錐體的頂部直徑為50 mm,底部直徑為100 mm,高度150 mm。 微型坍落度試驗(yàn)按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50080—2002)進(jìn)行。 所有的微型坍落度試驗(yàn)重復(fù)3 次,并使用微型坍落度平均值進(jìn)行進(jìn)一步分析。

(2)力學(xué)性能。 當(dāng)充填體試樣達(dá)到相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間后,采用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試。 對試樣進(jìn)行位移加載,加載速度為1 mm/min。為了分析充填體試樣的早期和中期強(qiáng)度,測定了養(yǎng)護(hù)3、7、14、28 d 后的單軸抗壓強(qiáng)度。 所有試驗(yàn)重復(fù)3次,計(jì)算單軸抗壓強(qiáng)度的平均值供進(jìn)一步分析。

(3)孔隙結(jié)構(gòu)。 孔隙結(jié)構(gòu)是混凝土在評(píng)價(jià)孔隙度和輸運(yùn)性能時(shí)最重要的參數(shù)值。 本研究采用壓汞法(MIP)分析改性鎂渣基充填體的孔隙結(jié)構(gòu)。 MIP試件是小塊的膠凝膏,質(zhì)量為2～3 g,且試件需要用異丙醇停止水合作用。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 坍落度

凝膠材料與細(xì)骨料質(zhì)量比為1 ∶1 時(shí),不同類型充填體的微坍落度值變化特征如圖1 所示。 由圖1 可知:粉煤灰摻量為0%時(shí)的微坍落度值為114 mm,當(dāng)粉煤灰摻量增加到10%時(shí)漿體的微坍落度值急劇增加到152 mm;隨著摻量增加到20%,微坍落度值為157,增加幅度減小;隨著粉煤灰摻量繼續(xù)增加,漿體微坍落度值有所減小,但總的來說,粉煤灰有效增加了充填體料漿的微坍落度值。 為保證充填體有效通過管道輸送,坍落度合理取值范圍為152～255 mm,對應(yīng)的微坍落度值為68～113 mm。 ZHOU 等[18]研究表明:微型坍落度值大于71 mm 時(shí),充填體材料具有良好的運(yùn)輸性能。 因此,本研究制備的充填體材料的最小微型坍落度值可以滿足工程應(yīng)用要求。

圖1 微型坍落度與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.1 Relationship between mini-slump and fly ash content

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度

不同養(yǎng)護(hù)齡期的改性鎂渣基充填體在粉煤灰摻量和尾砂含量影響下的單軸抗壓性能變化特征分別如圖2 和圖3 所示。 隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加,單軸抗壓強(qiáng)度顯著增加,因?yàn)辇g期的增加表明具有充足的時(shí)間發(fā)生水化作用,可以產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物,使顆粒結(jié)合在一起。 未摻粉煤灰的樣品在3、7、14、28 d 時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度值分別為0. 61、0. 95、1. 37、2. 63 MPa。分析結(jié)果表明:改性鎂渣單獨(dú)具有一定的膠凝性能,這可能是由于其CaO 含量較高所致,即改性鎂渣內(nèi)部有一些CaO,當(dāng)溶于水時(shí),它可以作為自身的活化劑。 由于改性鎂渣中較高的CaO 作為活化劑,因此額外添加的粉煤灰作為膠凝材料有利于激發(fā)鎂渣顆粒的水化活性,顯著提高了充填體的單軸抗壓強(qiáng)度。以粉煤灰摻量10%時(shí)為例,3、7、14、28 d 的單軸抗壓強(qiáng)度分別為1.05、1.86 、2.65、4.96 MPa,與未摻粉煤灰時(shí)相比分別提高了0.44、0.91、1.28、2.33 MPa,單軸抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量總體呈正相關(guān),這與LANGAN 等[19]的研究結(jié)果一致。

圖2 抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between compressive strength and fly ash content

圖3 抗壓強(qiáng)度與尾砂含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength and tailings content

另一個(gè)值得注意的是,低粉煤灰含量的充填體在早期強(qiáng)度發(fā)展是緩慢的,而高粉煤灰含量的充填體的強(qiáng)度發(fā)展較快。 例如,未摻粉煤灰的充填體7 d 抗壓強(qiáng)度比3 d 抗壓強(qiáng)度提高了55.7%;粉煤灰摻量40%時(shí),充填體的7 d 抗壓強(qiáng)度比3 d 抗壓強(qiáng)度提高了90.1%。 一方面,細(xì)小的粉煤灰顆粒具有良好的致密填充效果,提高了強(qiáng)度;另一方面,添加的粉煤灰可以為改性鎂渣提供額外的活化劑,從而減少改性鎂渣發(fā)生水化作用的時(shí)間。 此外,粉煤灰具有良好的火山灰活性(即SiO2和Al2O3),能產(chǎn)生穩(wěn)定的水化產(chǎn)物。

細(xì)骨料含量對于充填體的抗壓強(qiáng)度有著顯著影響,由圖3 可知,改性鎂渣基充填體在不同齡期的抗壓強(qiáng)度均隨著尾砂含量增加而減小。 尾砂含量為40%時(shí),充填體的28 d 抗壓強(qiáng)度為6.61 MPa,當(dāng)尾砂含量增加到50%、60%、70%時(shí),28 d 抗壓強(qiáng)度分別為5. 37、4. 05、3. 14 MPa, 抗壓強(qiáng)度分別降低了18.75%、38.72%、52.49%。 這是因?yàn)殡S著尾砂含量增大,鎂渣基充填體中的膠凝材料占比減小,鎂渣和粉煤灰的水化產(chǎn)物降低,膠凝效果較差,內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)較差,間隙較大,從而致使充填體的單軸抗壓強(qiáng)度減小。

根據(jù)充填體的預(yù)期功能,需要不同的抗壓強(qiáng)度值,以保證井下開采作業(yè)安全。 在典型的地下開采作業(yè)中,28 d 時(shí)水泥漿充填體單軸抗壓強(qiáng)度一般為0.7～2.0 MPa 才能提供較好的支撐[20]。 未摻粉煤灰的改性鎂渣基充填體28 d 抗壓強(qiáng)度最低達(dá)到2.63 MPa,力學(xué)性能良好,其主要缺點(diǎn)是早期強(qiáng)度較低,可以通過添加粉煤灰來改善。 總之,改性鎂渣和粉煤灰混合可以為地下充填提供足夠的膠凝性能,作為細(xì)骨料的尾砂含量也可以根據(jù)充填需求進(jìn)行選擇。

2.3 孔結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

與水泥基材料類似,改性鎂渣基充填體的孔結(jié)構(gòu)是多尺度的,孔內(nèi)尺寸由納米級(jí)擴(kuò)散到毫米級(jí),若水化產(chǎn)物在水化反應(yīng)過程中沒有充分發(fā)揮充填作用,彌補(bǔ)顆粒和骨架之間的空隙,則會(huì)影響改性鎂渣基充填體的力學(xué)性能。 圖4 為不同粉煤灰摻量的充填體在28 d 的孔徑分布結(jié)果,曲線中的峰值點(diǎn)為臨界孔徑。分析可知:不摻粉煤灰的充填體臨界孔徑最大,為2.830 μm,FA-10、FA-20、FA-30 和FA-40 的臨界孔徑分別為2.318、2.252、1.839、1.504 μm。 可見隨著粉煤灰摻量增加,臨界孔徑逐漸變小,摻量越大臨界孔徑減小的幅度越大,孔隙結(jié)構(gòu)變得精細(xì)。 不同尾砂含量的充填體在28 d 的孔徑分布結(jié)果如圖5 所示。 由圖5 可知:尾砂含量40%時(shí)充填體的臨界孔徑最小,為1.417 μm,尾砂含量50%、60%和70%時(shí)臨界孔徑分別為2.249、2.374、3.306 μm,與隨著粉煤灰摻量變化的規(guī)律相反,臨界孔徑隨著尾砂含量增加逐漸變大,尾砂含量從40%增至70%時(shí),臨界孔徑增加了1.33 倍。 該現(xiàn)象表明隨著尾砂含量增加,相應(yīng)的凝膠材料含量減少,粉煤灰不能充分發(fā)揮出火山灰效應(yīng),水化產(chǎn)物中的凝膠生成受到了制約,孔隙無法有效填充,基質(zhì)由于顆粒之間缺乏黏聚力而趨于松散。

圖4 不同粉煤灰摻量下充填體孔徑分布Fig.4 Pore size distribution of backfill under different fly ash content

圖5 不同尾砂含量下充填體孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of backfill under different tailings content

孔隙率能夠直接反映充填體的密實(shí)程度,是多孔介質(zhì)力學(xué)的重要參數(shù),不同粉煤灰摻量和不同尾砂含量的充填體在28 d 的孔隙率分布結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知:改性鎂渣基充填體的孔隙率隨著粉煤灰摻量增加而減小,隨著尾砂含量增大而增大。 不同粉煤灰摻量下充填體孔隙率的變化范圍為25.88%～38.94%,不同尾砂量下充填體孔隙率的變化范圍為20.13%～38.15%。 粉煤灰的增加增大了微集料的充填效應(yīng),從而使充填體的密實(shí)性增大,孔隙率降低,當(dāng)粉煤灰摻量增加到40%,充填體孔隙率與粉煤灰摻量為30%時(shí)相差無幾。 這表明粉煤灰不能無限制降低孔隙率,甚至當(dāng)粉煤灰含量過高時(shí)會(huì)因?yàn)閷λ钚院湍z效果的抑制作用而增大孔隙結(jié)構(gòu)。 尾砂含量越大則粒度在不斷增大,尾砂作為細(xì)骨料并不參與水化反應(yīng),凝膠材料的含量相對減小,微集料不能發(fā)揮填充效應(yīng),降低了充填體的密實(shí)性,生成的水化產(chǎn)物也在減少,孔隙結(jié)構(gòu)的填充效果較差,這與孔徑分布規(guī)律相吻合。

圖6 孔隙率隨粉煤灰摻量和尾砂含量的變化特征Fig.6 Variation characteristics of porosity with fly ash content and tailing content

3 結(jié) 論

(1)粉煤灰的添加對于改性鎂渣基充填體的流變性能具有顯著影響,微型坍落度值隨著粉煤灰摻量增加先增大后減小,在試驗(yàn)范圍內(nèi),粉煤灰摻量為20%時(shí),充填體的流動(dòng)性最好。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長和粉煤灰含量增加,充填體的單軸抗壓強(qiáng)度增加;隨著尾砂含量增加,充填體的單軸抗壓強(qiáng)度降低。 低粉煤灰含量的充填體在早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢,高粉煤灰摻量的充填體早期強(qiáng)度發(fā)展較快。

(3)隨著粉煤灰摻量增加,臨界孔徑逐漸變小,摻量越大臨界孔徑減小的幅度越大;隨著尾砂含量增加,臨界孔徑逐漸變大,孔隙率的變化特征與孔徑分布相吻合。

(4)在試驗(yàn)范圍內(nèi),綜合考慮改性鎂渣基充填體的流動(dòng)性能、力學(xué)性能和孔結(jié)構(gòu)變化,粉煤灰摻量為20%、尾砂含量為40%時(shí)最佳。