封 鑫，劉娟紅，紀(jì)洪廣

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)－0012－04

煤矸石是我國排放量最大的工業(yè)廢渣，約占全國工業(yè)廢渣排放總量的1/4[1]。煤矸石露天堆放時(shí)，不僅壓占大量土地，而且嚴(yán)重污染礦區(qū)環(huán)境[2]。如何實(shí)現(xiàn)煤矸石的合理開發(fā)與礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)治理工作相互融合，改善礦山地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，成為礦山面臨的新課題[3－4]。利用煤矸石作充填骨料[5]，可以解決煤矸石排放問題，消除地表貯存的煤矸石對環(huán)境和水資源的污染，降低充填成本。國內(nèi)外在采空區(qū)充填中，大多采用水泥作為充填膠結(jié)料。長期以來，數(shù)以萬噸計(jì)的水泥耗費(fèi)在了采空區(qū)的回填當(dāng)中[6]。這就給礦山帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，嚴(yán)重限制了在礦山充填中的應(yīng)用和發(fā)展。而且，在已有水泥作膠凝材料運(yùn)用于煤矸石的充填試驗(yàn)中，充填體的28d單軸抗壓強(qiáng)度也僅為1個(gè)多兆帕[7－8]。因此，研制一種環(huán)保型、性能優(yōu)良的無水泥新型膠凝材料已經(jīng)成為了當(dāng)今充填技術(shù)的主攻方向。本論文采用不同粒徑煤矸石作充填骨料，研究新型充填材料的流動性和抗壓強(qiáng)度，分析其微觀結(jié)構(gòu)，并與水泥基充填材料進(jìn)行對比。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

北京水泥廠生產(chǎn)金隅P.O42.5水泥，主要性能見表1;未燃燒破碎到不同粒徑區(qū)間的煤矸石，粒徑組成和化學(xué)成分測定檢測結(jié)果見表2和表3;無水泥新型膠凝材料，該材料由多種無機(jī)材料經(jīng)過粉磨、優(yōu)選、優(yōu)化配制而成，呈灰白色細(xì)粉末狀，無毒、無害、環(huán)保，具有水泥所不具備的良好特性，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、無收縮、成本低。

表1 水泥的主要性能

表2 煤矸石粒徑組成

表3 煤矸石化學(xué)成分測定檢測結(jié)果/%

1.2 試驗(yàn)方法

采用不同粒徑的煤矸石與水泥或無水泥新型膠凝材料按不同的質(zhì)量濃度混合，制備充填材料，充填材料的流動度采用水泥凈漿流動度測定方法，按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性實(shí)驗(yàn)方法》(GB 8077-2000)進(jìn)行測試。在無泵送設(shè)備的工藝條件下，實(shí)際工程中采用高流動性的充填材料，充填材料流動度要求能夠達(dá)到150mm。

采用70.7mm ×70.7mm ×70.7mm 標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模成型，每一配比共成型6個(gè)試塊，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定齡期后，測定其14d，28d的單軸抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤矸石粒徑對水泥基充填材料性能影響

采用水泥作為膠凝材料，不同粒徑的煤矸石作充填骨料來進(jìn)行試驗(yàn)。水泥基充填材料的配比及性能見表4。

表4 水泥基充填材料的配比及性能

由表4可知，煤矸石粒徑相同時(shí)，隨質(zhì)量濃度的減小，流動度越來越好，但是抗壓強(qiáng)度也在減小;隨著煤矸石粒徑的減小，要達(dá)到相同的流動度時(shí)，所需要的用水量越來越大，即充填材料的質(zhì)量濃度越來越小，此時(shí)充填材料的各齡期抗壓強(qiáng)度也在減小。而在流動度達(dá)到150mm的前提下，28d的抗壓強(qiáng)度最大時(shí)也僅為1.50MPa。

2.2 煤矸石粒徑對新型充填材料性能影響

采用無水泥新型膠凝材料，不同粒徑的煤矸石作充填骨料，研究在相同配比的情況下新型充填材料的性能。新型充填材料的配比及性能見表5。

表5 新型充填材料的配比及性能

由表5可知，煤矸石粒徑對新型充填材料性能的影響規(guī)律與水泥基充填材料基本相同。這是由于當(dāng)煤矸石粒徑減小時(shí)，骨料的總比表面積增大，在膠凝材料用量相同時(shí)，要使充填材料達(dá)到同樣的流動性，必須增加用水量。但用水量的增加又會使充填材料的抗壓強(qiáng)度減小。另外，當(dāng)新型充填材料的流動度達(dá)到150mm以上，粒徑在 0.075mm ～1.18mm 和 0.075mm ～0.6mm時(shí)的28d抗壓強(qiáng)度都能超過2MPa，比水泥基充填材料的抗壓強(qiáng)度分別提高約1.9MPa和1.7MPa。

2.3 水泥基充填材料與新型充填材料性能分析

以煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm為例，在不同質(zhì)量濃度時(shí)，水泥基充填材料與新型充填材料的流動度見圖1。在其它條件相同時(shí)，新型充填材料的流動度較水泥基充填材料小，但都能達(dá)到150mm，滿足充填要求，且新型充填材料的保水性更好。其它粒徑的影響規(guī)律與上述相同。

圖1 煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm時(shí)水泥基充填材料與新型充填材料的流動度對比

以煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm為例，在不同質(zhì)量濃度時(shí)，水泥基充填材料與新型充填材料的28d抗壓強(qiáng)度見圖2。在其它條件相同時(shí)，新型充填材料的28d抗壓強(qiáng)度比水泥基充填材料大，比水泥基充填材料的抗壓強(qiáng)度分別提高約1.7MPa。其它粒徑的影響規(guī)律與上述相同。

圖2 煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm時(shí)水泥基充填材料與新型充填材料的28d抗壓強(qiáng)度對比

從圖1和圖2中的水泥基充填材料與新型充填材料的流動度和28d抗壓強(qiáng)度對比來看，雖然新型充填材料的流動度相對于水泥基充填材料時(shí)更小，但是仍然能夠達(dá)到充填要求，而充填材料的抗壓強(qiáng)度卻能得到大幅度提高。

2.4 SEM-EDX分析及機(jī)理探討

對煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm、72%質(zhì)量濃度的水泥基充填材料與新型充填材料，分別對其28d、56d的齡期形貌以及能譜進(jìn)行了分析。

圖3 充填材料(煤矸石粒徑0.075mm～0.6mm、質(zhì)量濃度72%)28d齡期的SEM圖

在圖3的掃描電鏡圖中可以發(fā)現(xiàn):水泥基充填材料中骨料與水泥基凝膠體的結(jié)合較為疏松，孔隙較多。而新型充填材料中骨料與凝膠體的結(jié)合非常緊密，且凝膠體密實(shí)，分布均勻。

圖4、圖5分別是水泥基充填材料與新型充填材料56d齡期的SEM、EDX圖。從圖4(a)下觀察到生成的C-S-H凝膠以Ⅰ型和Ⅱ型為主;從圖5(a)下觀察到生成的C-S-H凝膠顆粒是“云狀”的。從能譜圖4(c)、圖5(c)可以看出，新型充填材料中的C-S-H凝膠體的Ca/Si有很大程度的降低。Ca/Si的降低，有利于強(qiáng)度的發(fā)揮與耐久性的改善。

圖4 水泥基充填材料56d齡期的SEM與EDX圖

圖5 新型充填材料56d齡期的SEM與EDX圖

新型充填材料硬化體的微結(jié)構(gòu)取決于水化產(chǎn)物的組成及結(jié)構(gòu)。SEM檢測結(jié)果表明，在孔坑中填充大量的CSH凝膠，從凝膠的形態(tài)可以看出與普通水泥體系中所含的CSH在形貌上有很大的不同。這是由于無水泥膠凝材料在水化過程包括了水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，這兩類反應(yīng)交替進(jìn)行，且相輔相成;另外，無水泥膠凝材料在水化時(shí)還會與煤矸石粉體或粘土發(fā)生反應(yīng)，生成更多的固化產(chǎn)物，提高充填體的密實(shí)程度，并將煤矸石粉體或粘土膠接起來，形成具有一定連續(xù)性的硬骨架。

3 結(jié)果

(1)用水泥作膠凝材料時(shí)，充填材料的流動性都能達(dá)到充填要求，但是28d抗壓強(qiáng)度最大時(shí)也僅為1.50MPa。

(2)使用無水泥膠凝材料時(shí)，充填材料的流動性能達(dá)到充填要求，而且強(qiáng)度得到大幅度提升，粒徑在0.075mm ～1.18mm和0.075mm ～0.6mm 時(shí)的 28d 抗壓強(qiáng)度都能超過2MPa，比水泥基充填材料的抗壓強(qiáng)度分別提高約1.9MPa 和1.7MPa。

(3)掃描電鏡試驗(yàn)表明:水泥基充填材料中骨料與水泥基凝膠體的結(jié)合較為疏松，孔隙較多。而新型充填材料中骨料與凝膠體的結(jié)合非常緊密，且凝膠體密實(shí)，分布均勻。

(4)能譜圖表明:新型充填材料中的C-S-H凝膠體的Ca/Si有很大程度的降低。Ca/Si的降低，有利于強(qiáng)度的發(fā)揮與耐久性的改善。

[1]崔俊華.全煤矸石-粉煤灰燒結(jié)磚試驗(yàn)研究[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，3，18(1):9-13.

[2]劉志鈞.煤矸石似膏體充填開采技術(shù)研究[J].煤炭工程，2010，(3):29-31.

[3]李鵬波，胡振琪，吳軍等.煤矸石山的危害及綠化技術(shù)的研究與探討[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26(4):93-96.

[4]劉元明，丁瑞，田偉等.煤矸石井下充填置換技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合利用，2009(5):50-52.

[5]鄭保才，周華強(qiáng).煤矸石膏體充填材料的試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006(4):460-463.

[6]ERCIKDI B，KESIMA L A，CIHANGIR F，et al.Cemented paste backfill of sulphide rich tailings:Importance of binder type and dosage[J].Cement and Concrete Composites，2009，31(4):268-274.

[7]王新民，姚建，張欽禮等.煤矸石作為膠結(jié)充填骨料性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)快報(bào)，2006，(3).20-23+63.

[8]王新民，曹剛，龔正國.煤矸石作充填骨料的似膏體料漿流動性能試驗(yàn)研究[J].礦業(yè)快報(bào)，2008，(1).20-23