楊蔡君　王小敏　王　浩

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

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泡沫砂漿配合比的設(shè)計(jì)

楊蔡君1，2，3王小敏1，2，3王浩1，2，3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

摘要為解決我國(guó)尚無泡沫砂漿標(biāo)準(zhǔn)的配合比設(shè)計(jì)方法，通過研究泡沫砂漿各種原材料性能和在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)歸納分析，設(shè)計(jì)出確立泡沫砂漿的質(zhì)量密度和灰砂比來計(jì)算出泡沫砂漿的配合比，進(jìn)而指導(dǎo)其生產(chǎn)工藝工程，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞泡沫砂漿配合比灰砂比質(zhì)量濃度

礦產(chǎn)資源的開采，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化事業(yè)的建設(shè)，必然要對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行大規(guī)模和高強(qiáng)度的開采，因此不可避免的對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，例如地表下沉、塌陷，排放的“三廢”污染環(huán)境等。而我國(guó)每年采選過程中產(chǎn)生的尾砂和廢石約占“三廢”中固體廢棄物總量的80%[1]。尾礦泡沫砂漿是利用物理方法將發(fā)泡劑制成泡沫水溶液，與水泥等膠凝材料、水、尾砂、摻和料、外加劑等按一定比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。由于在充填過程中，泡沫砂漿表現(xiàn)出了優(yōu)于常規(guī)砂漿充填的輕質(zhì)性、流動(dòng)性、均衡性、抗離析性、接頂性率高等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于采礦充填技術(shù)中。

現(xiàn)階段，我國(guó)泡沫砂漿配合比設(shè)計(jì)尚沒有標(biāo)準(zhǔn)方法，本文通過試驗(yàn)確定泡沫砂漿的灰砂比和質(zhì)量濃度，來建立泡沫砂漿的配合比，希望能夠?qū)ξ驳V泡沫砂漿的生產(chǎn)和檢驗(yàn)提供有益參考。

1配合比設(shè)計(jì)的基本原則

根據(jù)礦山充填體強(qiáng)度的要求及當(dāng)?shù)匚采暗痊F(xiàn)場(chǎng)原材料條件，充填用泡沫砂漿配合比設(shè)計(jì)應(yīng)遵循四項(xiàng)原則:①強(qiáng)度要求，抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到礦山強(qiáng)度充填體需要達(dá)到的要求；②泡沫砂漿凝結(jié)硬化后保證具有較高的早期強(qiáng)度，縮短施工工期，提高出礦產(chǎn)量；③所選配合比經(jīng)濟(jì)可行，能有效的降低充填成本；④施工性能良好，具有良好的流動(dòng)性和漿體穩(wěn)定性，充填過程料漿不離析不跑漿，能保證充填的順利進(jìn)行[2]。

2配合比設(shè)計(jì)的基本原理

泡沫砂漿的抗壓強(qiáng)度、流值決定了泡沫砂漿的性能，配合比通過固定的灰砂比和質(zhì)量濃度的條件下，來達(dá)到控制泡沫砂漿的流值和抗壓強(qiáng)度的目的。配合比設(shè)計(jì)的基本原理如下：

(1)通過灰砂比確定尾砂和水泥用量的比例關(guān)系。

(2)通過尾砂和水泥用量的比例關(guān)系，用質(zhì)量濃度來確定泡沫砂漿的用水量比例。

(3)按照水泥、尾砂、用水量的比例關(guān)系，可以確定配合比中在不加入泡沫的情況下各種原材料的摻量。

(4)加入泡沫后，通過氣泡率計(jì)算出配合比中各種原材料的摻量。

在確定各物料配合比時(shí)，應(yīng)注意某些材料的緩凝性，它們會(huì)對(duì)早期強(qiáng)度變化特別是料漿的初凝有重要影響，加量較大時(shí)可能會(huì)降低澆筑的穩(wěn)定性，甚至引起塌模，因此，要控制他們的用量。任何一種設(shè)計(jì)計(jì)算，與生產(chǎn)實(shí)際之間總會(huì)存在一定的偏差，還需要進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整，然后才能在生產(chǎn)中應(yīng)用，并不斷完善[3]。

3試驗(yàn)泡沫砂漿配合比的的設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范[4]，泡沫砂漿的設(shè)計(jì)濕密度與各組分的關(guān)系應(yīng)按下列公式確定：

(1)

(2)

式中，ρW為泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)濕密度；RC為每立方米泡沫輕質(zhì)土中水泥的質(zhì)量；RS為每立方米泡沫輕質(zhì)土中集料的質(zhì)量；RW為每立方米泡沫輕質(zhì)土中水的質(zhì)量；Rf為每立方米泡沫輕質(zhì)土中泡沫的質(zhì)量；RX為每立方米泡沫輕質(zhì)土中外加劑的質(zhì)量；ρC為水泥密度；ρS為集料密度；ρX為外加劑密度；ρf為標(biāo)準(zhǔn)泡沫密度。

在固定灰砂比和質(zhì)量濃度的條件下，無外加劑和泡沫的情況下，砂漿配合比設(shè)計(jì)的關(guān)系式為：

(3)

(4)

(5)

式中，S為砂的質(zhì)量；C為水泥的質(zhì)量；W為水的質(zhì)量；ρS為砂的密度；ρC為水泥的質(zhì)量。

假設(shè)氣泡率為D，加入發(fā)泡劑后：每立方米料漿中砂的質(zhì)量為RS=S(1-D)；每立方米料漿中水泥的質(zhì)量為RC=C(1-D)；每立方米料漿中水的質(zhì)量為RW=W(1-D)。因滿足泡沫輕質(zhì)土施工、質(zhì)量要求最低泡沫表觀密度規(guī)定為50 kg/m3，故每立方米料漿中Rf=(50D)/100[2]。

4試驗(yàn)泡沫砂漿的制備

4.1普通尾礦砂漿的制備

試驗(yàn)室拌制普通尾礦砂漿，按照配合比依次量取尾砂、水泥、水等原材料，放入攪拌機(jī)中攪拌，拌合時(shí)間不少于2 min。

4.2泡沫砂漿的制備

在尾礦砂漿中引入氣泡的方法有兩種：一種是將發(fā)泡劑直接加入到砂漿中同時(shí)攪拌發(fā)泡；另一種是先制泡再與砂漿拌合。前一種方法由于是在水泥漿中形成氣泡，水泥漿黏度較大，且在攪拌初期料漿不均勻，一般不能充分發(fā)揮發(fā)泡劑的作用。因此，需要的發(fā)泡劑用量大，成本較高且泡徑不勻，不適用于制備泡沫砂漿。后一種是預(yù)先制泡的方法，即采用高速攪拌機(jī)，利用攪拌機(jī)的高速葉片攪拌發(fā)泡劑溶液制取泡沫。采用這種方法不僅可以將發(fā)泡劑完全轉(zhuǎn)變成泡沫且泡徑均勻，能形成類似“剔須泡沫”。試驗(yàn)采用先制泡再與砂漿拌合的方法[5]。尾礦泡沫砂漿試驗(yàn)工藝流程見圖1。

圖1　尾礦泡沫砂漿試驗(yàn)工藝流程

5配合比設(shè)計(jì)工程實(shí)例

5.1設(shè)計(jì)要求

工程為和睦山鐵礦充填工程，設(shè)計(jì)泡沫砂漿強(qiáng)度為2 MPa，流值為170±10 mm。

5.2設(shè)計(jì)原則

泡沫砂漿配合比設(shè)計(jì)原則為通過確定泡沫砂漿的灰砂比和質(zhì)量濃度，進(jìn)而計(jì)算出每平方米中各種原材料的摻量。

5.3設(shè)計(jì)步驟

(6)

式中，ρS取2 400 kg/m3；ρC取3 100 kg/m3；ρF取 2 600 kg/m3，經(jīng)計(jì)算可得到未加泡沫劑時(shí)，每立方米料漿中水泥的含量為：C=1/0.005 336=187.42 kg/m3，每立方米尾砂的含量為S=6C=1 124.50 kg/m3，每立方米水的含量為W=2.417C=452.99 kg/m3，每立方米粉煤灰的含量為F=0.25C=46.86 kg/m3，從而可以得到在未加泡沫劑的情況下，每立方米中尾砂的含量為1124.50 kg/m3，水泥的含量為187.42 kg/m3，水的含量為452.99 kg/m3，每立方米中粉煤灰的含量為46.86 kg/m3。

假設(shè)加入發(fā)泡劑和減水劑后，氣泡率為25%，則每立方米料漿中水泥的含量為RC=C(1-D)=140.56 kg/m3≈141 kg/m3，每立方米尾砂的含量為RS=S(1-D) =843.375 kg/m3≈844 kg/m3，每立方米水的含量為RW=W(1-D)=339.743 kg/m3≈340 kg/m3，每立方米粉煤灰的含量為RF=F(1-D)= 35.145 kg/m3≈36 kg/m3，每立方米減水劑的含量為RW=2.0%C=2.82 kg/m3。1∶8系列試驗(yàn)配合比見表1。

由表1可知，以上配合比經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)性能指數(shù)符合試驗(yàn)室要求，澆筑砂漿試塊時(shí)砂漿料漿呈現(xiàn)良好的充填性，拆模后試塊質(zhì)量均勻。

6結(jié)語

(1)通過確定泡沫砂漿的質(zhì)量濃度和灰砂比，進(jìn)而計(jì)算出設(shè)計(jì)泡沫砂漿的配合比。

(2)通過泡沫砂漿配合比的設(shè)計(jì)，可以有效的控制水泥、尾砂、泡沫劑的摻量?jī)?yōu)化各原材料之間的比例關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到控制泡沫砂漿質(zhì)量的目的。

(3)此配合比設(shè)計(jì)方法在試驗(yàn)室試驗(yàn)中達(dá)到了預(yù)期的效果，但在工程實(shí)踐中，由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，尚未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，因此對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的適用性尚需進(jìn)一步研究論證。

參考文獻(xiàn)

[1]杜向紅.鉛鋅礦尾砂綜合回收與利用技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

表1　1∶8系列試驗(yàn)配合比

[2]李冬.泡沫砂漿在金川礦區(qū)的應(yīng)用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[3]李應(yīng)權(quán)，朱立德，李菊麗，等.泡沫混凝土的配合比設(shè)計(jì)[J]. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011(2)：1-5.

[4]陳忠平，汪建斌，鄒宇,等.CECS 249—2008現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

[5]曾珍，張雄.泡沫-EPS保溫砂漿的最佳配比及其性能研究[J].新型建筑材料，2005(12)：18-21.

(收稿日期2016-01-18)

楊蔡君(1980—)，男，工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。