全固廢流態(tài)化材料充填性能研究

摘要：利用工業(yè)固廢制備充填材料充填礦山開(kāi)采形成的采空區(qū)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。利用堿渣（SR）和水泥窯灰（CKD）為復(fù)合堿激發(fā)劑、礦粉（GGBS）為火山灰質(zhì)材料研制SCG全固廢固化劑（簡(jiǎn)稱SCG固化劑），分別以煤矸石（CG）和爐渣（BA）為充填骨料制備全固廢流態(tài)化充填材料，通過(guò)坍落度、擴(kuò)展度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究充填材料的施工性、強(qiáng)度等充填性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：最優(yōu)SCG固化劑的SR∶CKD∶GGBS質(zhì)量比為3∶4∶3；最優(yōu)SCG固化劑充填材料的坍落度和擴(kuò)展度均隨水固比（水與固化劑質(zhì)量比）的增加逐漸增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度則隨水固比增加而減小、隨齡期增加而增大；爐渣充填體的強(qiáng)度整體上優(yōu)于煤矸石充填體；煤矸石、爐渣充填材料滿足施工性的水固比取值范圍分別為0.91～1.09，1.01～1.23，對(duì)應(yīng)的3，7，28 d充填體強(qiáng)度分別不低于0.2，1.2，2.3 MPa和0.7，1.2，2.2 MPa。研究成果可為全固廢流態(tài)化充填材料的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：流態(tài)化充填材料；固廢；流動(dòng)性；施工性

中圖法分類號(hào)：TU448

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.048

0 引言

礦山資源開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的采空區(qū)沉陷失穩(wěn)的問(wèn)題亟待解決。利用固化劑和充填骨料加水?dāng)嚢柚苽涞某涮畈牧铣涮畈煽諈^(qū)是一項(xiàng)被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。但是，作為傳統(tǒng)固化劑的水泥，其生產(chǎn)過(guò)程會(huì)帶來(lái)不可忽視的能源消耗、資源消耗、生態(tài)破壞及環(huán)境污染問(wèn)題^［1-4］。此外，中國(guó)工業(yè)固廢堆存量與日遞增，不僅占地問(wèn)題嚴(yán)重而且危害自然環(huán)境。利用固廢制備充填材料充填采空區(qū)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

一般而言，充填是將充填材料通過(guò)重力或管道泵送至采空區(qū)，因此要求充填材料具有可施工性（坍落度和擴(kuò)展度），同時(shí)，充填材料養(yǎng)護(hù)后形成的充填體應(yīng)具有一定的強(qiáng)度。充填材料一般由固化劑、水和充填骨料組成，但固化劑成本達(dá)到了充填成本的70%以上^［5-7］?；诖耍虖U為主要成分的固化劑憑借其碳排放低、成本低、充填性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制備充填材料^［8-12］。其中，以NaOH、Na₂SiO₃、堿渣、水泥窯灰、電石渣、活性氧化鎂等作為堿激發(fā)劑，以礦渣、粉煤灰、鋼渣、黃磷爐渣、硅粉、偏高嶺土等作為火山灰質(zhì)材料的堿激發(fā)固化劑成為研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)，學(xué)者們嘗試采用固廢基堿激發(fā)固化劑部分或全部替代水泥制備流態(tài)化充填材料，探究固化劑、水和充填骨料之間的作用關(guān)系，及其對(duì)充填材料的施工性、強(qiáng)度等充填性能的影響規(guī)律成為研究重點(diǎn)。楊科等^［13］采用水泥、粉煤灰、脫硫石膏、氣化粗渣和爐底渣膠結(jié)破碎后的煤矸石作為充填材料，分析了固化劑各組分對(duì)強(qiáng)度和變形的影響機(jī)制。樊玉萍等^［14］研究了火山灰質(zhì)材料反應(yīng)活性對(duì)固化劑反應(yīng)各階段水化熱的影響規(guī)律，揭示了固化劑各組分在不同反應(yīng)階段的作用。吳少康等^［15］研究了固化劑組分配比對(duì)流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度等性能的影響，并由此揭示了控制充填體的輸送和充填強(qiáng)度的作用機(jī)制。劉浪等^［16］針對(duì)充填材料的流動(dòng)性和充填成本等問(wèn)題，提出了改性鎂渣和粉煤灰復(fù)配的超高流動(dòng)性充填材料，并建立了流動(dòng)性和流變參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。朱庚杰等^［17］利用D-optimal設(shè)計(jì)方法確定了氫氧化鈉、熟石灰、脫硫石膏、硫酸鈉復(fù)合激發(fā)礦渣固化劑的最優(yōu)配比，并揭示了強(qiáng)度形成機(jī)制。董猛等^［18］通過(guò)強(qiáng)度、流動(dòng)度和碳排放指標(biāo)，明確了Na₂SiO₃和NaOH聯(lián)合激發(fā)偏高嶺土、煤矸石形成的充填體的配比確定方法。華心祝等^［19］通過(guò)響應(yīng)面法確定了水泥和粉煤灰膠結(jié)充填體中粉煤灰、煤矸石、脫硫石膏、氣化渣與爐底渣1∶1混合物對(duì)不同齡期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。Zhao等^［20］使用低鈣粉煤灰、硅酸鈉溶液和蘇打殘?jiān)苽洳煽諈^(qū)流態(tài)化充填材料，得到當(dāng)FA∶SR=3∶2，硅酸鈉溶液濃度為2.0 mol/L時(shí)，充填材料具有260 mm的坍落度，充填體28 d強(qiáng)度達(dá)到3.70 MPa。曾長(zhǎng)女等^［21］采用普通硅酸鹽水泥、盾構(gòu)渣土、泡沫和活性氧化鎂制備充填材料，通過(guò)調(diào)節(jié)泡沫劑和活性氧化鎂摻量，可得到流動(dòng)度為180～320 mm、泌水率小于5%、28 d充填體強(qiáng)度為0.6～1.2 MPa的充填材料。Xie等^［22］使用煤矸石、水泥、粉煤灰和水制成充填材料，并提出了采空區(qū)充填技術(shù)工藝流程以及技術(shù)模型的選擇方法。Yin等^［23］以黃磷爐渣、鋼渣、粉煤灰和硅酸鹽水泥為固化劑，磷石膏為充填材料，提出了一種低碳低成本的多源工業(yè)固體廢物的填充材料。

上述研究在充填材料的特性方面做了諸多有益探索，但大多研究采用部分替代水泥，或采用NaOH、Na₂SiO₃等高環(huán)境污染和高碳排放的化學(xué)試劑作為堿激發(fā)劑，全部采用固廢作為固化劑組分的研究少有報(bào)道。鑒于此，本文利用堿渣（SR）、水泥窯灰（CKD）、礦粉（GGBS）研制SCG全固廢固化劑（簡(jiǎn)稱SCG固化劑），并以煤矸石和爐渣作為充填骨料制備全固廢流態(tài)化礦山采空區(qū)充填材料。利用坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水固比（水與固化劑質(zhì)量比）對(duì)充填材料施工性的影響規(guī)律以及充填體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期和水固比的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，確定兼顧施工性和強(qiáng)度的水固比的最優(yōu)范圍，為全固廢流態(tài)化充填材料用于礦山采空區(qū)充填提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)用固廢、方案與方法

1.1 試驗(yàn)用固廢

試驗(yàn)用固廢為堿渣（SR）、水泥窯灰（CKD）、礦粉（GGBS）、粉磨后的煤矸石（CG）及爐渣（BA），其中，SR、CKD以及GGBS為固化劑組分，CG及BA為充填骨料，固化劑與充填骨料加水?dāng)嚢杌旌闲纬扇虖U流態(tài)化充填材料。試驗(yàn)用固廢均取自山東棗莊相關(guān)企業(yè)（圖1）。

1.1.1 物理性質(zhì)

試驗(yàn)用固廢的含水率見(jiàn)表1，粒徑級(jí)配累積曲線見(jiàn)圖2。

1.1.2 化學(xué)組成

SR、CKD、GGBS、CG及BA的化學(xué)組成如表2所列。

1.1.3 礦物相成分

作為固化劑組分的SR、CKD和GGBS的礦物相成分如圖3所示。用作激發(fā)劑的是SR和CKD，其中，SR的主要礦物相為氫氧化鈣、石膏、巖鹽、方解石等，CKD的主要礦物相為氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、方解石和鈣鋁黃長(zhǎng)石；GGBS為火山灰質(zhì)材料，主要為無(wú)定形的非晶體玻璃體相，幾乎不含結(jié)晶礦物。

1.1.4 微觀形貌

作為固化劑組分的SR、CKD和GGBS的微觀形貌如圖4所示。SR的微觀結(jié)構(gòu)松散，由大量團(tuán)聚體顆粒組成；CKD中含有大量片狀的晶體，結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，這一現(xiàn)象與其未經(jīng)完全煅燒并被水泥窯風(fēng)裹挾收集的產(chǎn)生特性有關(guān)；GGBS則是以無(wú)定形的碎屑狀為主。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)用固廢的基本理化性質(zhì)、礦物相成分以及固化劑設(shè)計(jì)方法^［24-29］，制定如表3所列的固化劑凈漿配比試驗(yàn)方案。

按照表3的試驗(yàn)方案，稱取固廢、加水?dāng)嚢?、裝模養(yǎng)護(hù)1 d、脫模養(yǎng)護(hù)至設(shè)定的齡期，實(shí)施無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)為溫度20±2℃，相對(duì)濕度≥98%；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣高度100 mm、直徑50 mm，加載速率為1 mm/min。

將研制的固化劑分別與煤矸石（粉磨后）、爐渣拌合形成充填材料，將充填材料制樣并養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期后形成充填體，試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

1.3 試驗(yàn)方法

施工性試驗(yàn)根據(jù)JG/T 248—2009《混凝土坍落度儀》的規(guī)定^［30］，采用上口內(nèi)徑100 mm、下口內(nèi)徑200 mm、高300 mm的坍落度儀。根據(jù)試驗(yàn)方案稱取固廢，加水?dāng)嚢杈鶆虻玫饺虖U流態(tài)化充填材料，并實(shí)施施工性試驗(yàn)，測(cè)得坍落度和擴(kuò)展度。施工性試驗(yàn)結(jié)束后，裝填無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

流態(tài)化充填材料施工性試驗(yàn)以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣制備流程見(jiàn)圖5。

2 結(jié)果與討論

2.1 凈漿的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

凈漿的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在所設(shè)定的組分配比范圍內(nèi)，不同組分配比的凈漿的初期（養(yǎng)護(hù)齡期3 d和7 d）強(qiáng)度差異不大；隨著齡期增加，不同組分配比的凈漿強(qiáng)度差異增大，在28 d時(shí)凈漿強(qiáng)度差異顯著，由大到小依次為SCG343、SCG253、SCG433。因此，將凈漿強(qiáng)度最大的SCG343作為研制的固化劑，即堿渣∶水泥窯灰∶礦粉的配比為3∶4∶3。

凈漿試樣的破壞形態(tài)如圖7所示，試樣破壞后存在明顯的主裂縫，破裂面沿著主裂縫發(fā)展，破壞形態(tài)為典型的脆性破壞。

2.2 充填材料施工性

將研制的固化劑（SCG343）按照表4的配比方案制備全固廢流態(tài)化充填材料，圖8為充填材料的施工性隨水固比的變化規(guī)律。在本文水固比范圍內(nèi)，隨著水固比的增加，煤矸石充填材料和爐渣充填材料滿足充填條件（坍落度取值介于180～260 mm、擴(kuò)展度不低于400 mm）的取值范圍不同：對(duì)于煤矸石充填材料，水固比的取值范圍為0.91～1.09；對(duì)于爐渣充填材料，水固比的取值范圍為1.01～1.23。

2.3 充填體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

充填體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。隨著水固比的增加，煤矸石充填體和爐渣充填體的強(qiáng)度均逐漸降低，但是爐渣充填體的強(qiáng)度整體上優(yōu)于煤矸石充填體的強(qiáng)度，這一現(xiàn)象與爐渣具有一定的火山灰反應(yīng)活性有關(guān)。

滿足施工性的煤矸石充填材料（0.91～1.09）的3，7 d和28 d充填體強(qiáng)度分別不低于0.2，1.2 MPa和2.3 MPa；爐渣石充填材料（1.01～1.23）的3，7 d和28 d充填體強(qiáng)度分別不低于0.7，1.2 MPa和2.2 MPa。根據(jù)水固比取值范圍對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度要求，可確定兼顧施工性和強(qiáng)度的水固比的最優(yōu)范圍。煤矸石充填體滿足強(qiáng)度要求的水灰比為0.8～1.0，爐渣充填體滿足強(qiáng)度要求的水灰比為0.8～1.1。

養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填體強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖10，充填體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期逐漸增加，0 d到3 d強(qiáng)度增幅較為明顯，3 d到7 d強(qiáng)度增幅顯著，7 d到28 d抗壓強(qiáng)度增幅放緩，且這一增長(zhǎng)規(guī)律不受水固比影響。

3 結(jié)論

本文利用堿渣、水泥窯灰、礦粉、煤矸石以及爐渣制備礦山采空區(qū)充填材料，并通過(guò)坍落度、擴(kuò)展度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究充填材料的充填性能和充填體強(qiáng)度。主要結(jié)論如下：

（1）以堿渣、水泥窯灰、礦粉為組分，研制的最優(yōu)全固廢固化劑的配比為3∶4∶3。

（2）以研制的全固廢固化劑為膠凝材料，分別以煤矸石（粉磨后）、爐渣作為充填骨料制備充填材料。在本文水固比條件下，充填材料的坍落度和擴(kuò)展度隨水固比的增加逐漸增大；充填體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水固比的增加而減小，隨齡期增加而增大；爐渣充填體的強(qiáng)度整體上優(yōu)于煤矸石充填體。

（3）滿足施工性的水固比的取值范圍，煤矸石充填材料為0.91～1.09，爐渣充填材料為1.01～1.23；對(duì)應(yīng)的煤矸石充填材料的3，7 d和28 d充填體強(qiáng)度分別不低于0.2，1.2 MPa和2.3 MPa，爐渣石充填體強(qiáng)度分別不低于0.7，1.2 MPa和2.2 MPa。根據(jù)水固比取值范圍對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度要求，可確定兼顧施工性和強(qiáng)度的水固比的最優(yōu)范圍。

（4）在目前研究中，全固廢固化劑膠結(jié)煤矸石、爐渣或尾礦等充填材料的施工性和強(qiáng)度均呈現(xiàn)出優(yōu)異的使用性能，但大多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，因地制宜、就地取材的全固廢固化劑研制可有效解決當(dāng)?shù)毓虖U堆存和充填成本等問(wèn)題。

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（編輯：郭甜甜）