劉 音，方 瑞，崔博強(qiáng)

（1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島266590；2.霍州煤電呂臨能化煤電綜合項(xiàng)目部，山西呂梁033200）

近年來，隨著我國膏體充填技術(shù)的發(fā)展，將粉煤灰作為一種膠凝材料代替部分水泥制作膏體充填材料，成為越來越多專家學(xué)者研究的方向。[1-5]粉煤灰的利用不僅節(jié)約土地資源，減少其對環(huán)境的污染，同時(shí)也有效地控制了地表沉陷等開采問題。[6-7]

粉煤灰在自然狀態(tài)下不具有膠凝性，但其在物理或化學(xué)作用下可有效激發(fā)其潛在的火山活性，如何充分地激發(fā)其潛在活性，得到眾多研究者的關(guān)注，并取得了大量的基礎(chǔ)性成果。孫仁東等[8]通過X射線衍射、掃描電鏡及孔結(jié)構(gòu)分析等手段對脫硫石膏和粉煤灰膠結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，表明脫硫石膏可顯著提高料漿的抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度；何廷樹等[9]采用強(qiáng)度測試法證明了脫硫石膏有利于粉煤灰-水泥膠結(jié)體早期強(qiáng)度的形成；柯國軍等[10]理論分析了脫硫石膏對水泥-粉煤灰活性激發(fā)原理。

大量研究結(jié)果表明，脫硫石膏在一定程度上能夠激發(fā)粉煤灰的火山灰活性。因此，本試驗(yàn)主要研究脫硫石膏對水泥-粉煤灰基膠凝材料的影響，討論如何在最大程度上將粉煤灰的活性激發(fā)，有效提高粉煤灰的利用率，為增強(qiáng)煤礦膏體充填開采中水泥-粉煤灰基充填體強(qiáng)度、提高充填效果提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原材料以及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）膠凝材料。實(shí)驗(yàn)?zāi)z凝材料為粉煤灰與水泥，其中水泥為山東某水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的32.5號普通硅酸鹽水泥；粉煤灰選用山東某電廠的Ⅲ級粉煤灰，外觀呈灰褐色，45μm方篩篩余量為32%，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量百分比為130%。兩者主要化學(xué)成分含量如表1所示。

表1 膠凝材料主要化學(xué)成分含量 %

（2）脫硫石膏。實(shí)驗(yàn)所用脫硫石膏為黃島電廠濕法脫硫排除的工業(yè)廢渣，主要成分為CaSO4·2H2O，其品位可達(dá)90%～93%，游離水含量10%～12%，含堿低，無放射性，有害雜質(zhì)少。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用對照實(shí)驗(yàn)的方法。首先，分別研究水泥和粉煤灰比例為1∶4、1∶6時(shí)，充填膏體材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、初凝及終凝時(shí)間，規(guī)定養(yǎng)護(hù)期齡的單軸抗壓強(qiáng)度。其次，在兩種體系中分別摻入4%、8%和12%的脫硫石膏，進(jìn)行前后對比，探究脫硫石膏對粉煤灰基充填膏體性能的影響。其各組中脫硫石膏摻量如表2所示。

表2 各組中激發(fā)劑摻量

試驗(yàn)過程具體如下：稱量各種物料量，然后倒入JS膠砂攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，待混合均勻之后加入設(shè)定好的需水量，每組試驗(yàn)攪拌300 s。將拌好的料取出，按照GBT1346-2001的測試方法，立即進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和凝結(jié)時(shí)間的測定，并將剩余料漿裝入模具搗實(shí)成型，制成充填膏體試塊，分組編號，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。到規(guī)定的齡期后取出試件，使用YAW-400型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度檢測，加載方式采用位移控制，加載速度控制在0.02 mm/s。為更好地模擬現(xiàn)場實(shí)際條件，養(yǎng)護(hù)條件設(shè)置為相對濕度不低于90%、溫度40℃，圖1—圖2為實(shí)驗(yàn)的部分圖片。

圖1 制作試塊

圖2 單軸抗壓強(qiáng)度

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰摻量對充填膏體性能的影響

為更好地比較脫硫石膏對粉煤灰基充填膏體性能的影響，首先對水泥和粉煤灰比例為1∶4和1∶6的充填膏體性能進(jìn)行測試，其結(jié)果如表3所示。

由表3可知，兩種不同固相比的充填膏體中，由于粉煤灰摻量不同，充填膏體的各項(xiàng)性能也存在差異。A、B兩組相比，粉煤灰摻量較高的一組，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量也隨著增多，這說明粉煤灰的吸水率很高；當(dāng)水泥和粉煤灰比例為1∶6時(shí)，充填膏體的初凝和終凝時(shí)間相對A組都有所延長，且其終凝時(shí)間為10.58 h，超過礦山生產(chǎn)所規(guī)定的8 h，對安全生產(chǎn)產(chǎn)生不利的影響；對于單軸抗壓強(qiáng)度，在養(yǎng)護(hù)期齡相同的情況下，A組的充填膏體試塊的單軸抗壓強(qiáng)度明顯大于B組。

表3 水泥-粉煤灰復(fù)合膠結(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

在膠結(jié)體中，隨著粉煤灰摻量的增加，其粒子周圍所需圍繞的水分增多，使得標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增多。這些光滑的粒子在料漿中起到了潤滑、滾動的作用，使膠結(jié)體的流動性增加，初凝和終凝時(shí)間都有不同程度的延長。

粉煤灰中活性SiO2和Al2O3，能與水泥等熟料礦物水化所釋放的Ca(OH)2進(jìn)行反應(yīng)。在堿性環(huán)境中，其成分中的Si-O和Al-O鍵斷裂，玻璃相逐漸溶解，玻璃體中的硅氧化物開始進(jìn)行水化反應(yīng)，生成大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，為膠凝體系提供強(qiáng)度。其中所涉及的化學(xué)方程式[10]如下。

SiO2+Ca(OH)2+H2O→CaO·SiO·2xH2O

Al2O3+Ca(OH)2+H2O→CaO·Al2O·3xH2O

Al2O3+Ca(OH)2+2SiO2+3H2O→CaO·Al2O3·2SiO·34H2O

2.2 脫硫石膏對充填膏體性能的影響

在水泥和粉煤灰比例分別為1∶4和1∶6的充填膏體中摻入4%、8%和12%的脫硫石膏，觀察脫硫石膏對粉煤灰基充填膏體的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4得出：兩種固相比的充填膏體中，隨著脫硫石膏摻入量的增加，其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量逐漸增加。水泥和粉煤灰比例為1∶4的充填膏體中，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量最大增加5.3%，而在水泥和粉煤灰比例為1∶6的體系中，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量最大增加8.0%，兩者差距不大；在脫硫石膏的摻量為4%、8%時(shí)，兩組膠結(jié)體系的凝結(jié)時(shí)間都有所縮短，其各個齡期的單軸抗壓強(qiáng)度相對提高，尤其是在摻量為8%時(shí)，固相比為1∶4的膠凝體系中各個齡期的強(qiáng)度達(dá)到了最佳值；當(dāng)脫硫石膏摻量為12%時(shí)，固相比為1∶6的膠凝體系中，各期齡單軸抗壓強(qiáng)度相對不加脫硫石膏的膠凝體系提升明顯。為滿足礦山充填需要，且降低成本，建議當(dāng)水泥和粉煤灰比例為1∶4時(shí)，摻4%的脫硫石膏；當(dāng)水泥和粉煤灰比例為1∶6時(shí)，脫硫石膏摻量為8%效果最佳。

硫酸鈣微溶于水，因此脫硫石膏的增加不會對體系標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量影響太大。脫硫石膏的加入為漿體提供了SO42-和Ca2+，粉煤灰玻璃體溶解釋放的活性Al2O3與水泥熟料水化產(chǎn)物生成的水化鋁酸鈣在SO42-的作用下生成鈣礬石(Aft)，在提供強(qiáng)度的同時(shí)大量消耗漿體中的AlO2-和Ca2+。Ca(OH)2的減少又促進(jìn)了水泥熟料中CaO和SiO2的水化，使膠結(jié)體Ca(OH)2的濃度增加。這樣反過來又促進(jìn)了粉煤灰的溶解和鈣礬石的生成，這兩種作用相互促進(jìn)，使粉煤灰活性更容易充分激發(fā)出來，提高料漿強(qiáng)度。其主要反應(yīng)如下：

表4 脫硫石膏對水泥-粉煤灰膠結(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

過量的脫硫石膏會使膠結(jié)體系中存在半水石膏，而且隨著粉煤灰玻璃體中活性Al2O3不斷溶出，體系中有越來越多的鈣礬石生成，兩種物質(zhì)都具有膨脹性，生成過多會造成膠結(jié)體強(qiáng)度的降低。因此，摻量為8%的脫硫石膏激發(fā)效果最佳。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰的吸水性大于水泥，在沒有添加劑的情況下，粉煤灰摻量越多，越不利于充填膏體早期強(qiáng)度的形成。

（2）脫硫石膏對粉煤灰的激發(fā)效果顯著，其能減少充填膏體的凝結(jié)時(shí)間，增強(qiáng)膠結(jié)體各個時(shí)期的強(qiáng)度。

（3）為滿足礦山充填需要，且降低成本，提高充填膏體早期強(qiáng)度，建議當(dāng)水泥和粉煤灰比例為1∶4時(shí)，摻4%的脫硫石膏；當(dāng)水泥和粉煤灰比例為1∶6時(shí)，脫硫石膏摻量為8%效果最佳。

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