減水劑對全尾砂膠結(jié)膏體充填料漿中粉狀組成分散程度的影響試驗

鄭娟榮，呂杉杉

（鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州450002）

全尾砂膏體充填的優(yōu)點是可以最大限度地利用礦業(yè)工業(yè)廢物，充填料在采場內(nèi)不用脫水，充填體強(qiáng)度高，水泥消耗量少，充填成本低，能夠確保采礦生產(chǎn)安全和實現(xiàn)礦業(yè)生產(chǎn)廢物零排放。國外膏體充填的特點是固體濃度達(dá)75%～85%，膠結(jié)劑用量為總固體質(zhì)量的3%～7%，28d抗壓強(qiáng)度約為2．5 MPa［1］。目前，我國工程中膠結(jié)充填料漿中膠結(jié)劑高達(dá)20%（灰砂比1︰4），料漿固體濃度70%～75%（28d抗壓強(qiáng)度大于2MPa）［2－3］；采用新型膠結(jié)劑（即礦渣粉為主要成分）的膠結(jié)充填料漿中的膠結(jié)劑達(dá)11%（灰砂比1︰8），料漿固體濃度68%，28d抗壓強(qiáng)度約為1．56MPa［4］。所以，進(jìn)一步提高固體濃度才能降低膠結(jié)劑含量。提高膏體料漿固體濃度會增大料漿在管道中的輸送阻力，因此在膏體料漿中添加泵送劑改善料漿的流動性是一種趨勢［5－6］。我國金川集團(tuán)有限公司在工程試驗中驗證［7］：在膏體料漿中添加1%～1．5%的JKJ－NF型泵送減水劑，能降低膏體料漿管路的沿程阻力損失，提高膏體料漿的流動性及充填體早期強(qiáng)度。JKJNF型泵送減水劑是一種以萘磺酸甲醛縮合物高效減水劑為主要成分的水泥混凝土泵送劑，將水泥混凝土領(lǐng)域的泵送劑直接用于全尾砂膠結(jié)膏體充填料漿可能在效果上較差，經(jīng)濟(jì)上也不合適。要研制適合全尾砂膠結(jié)膏體料漿的泵送劑，必須對組成泵送劑的減水劑、引氣劑及增黏劑等在全尾砂膠結(jié)膏體料漿中的作用進(jìn)行系統(tǒng)研究。泵送劑中減水劑的主要作用是破壞粉狀顆粒漿體的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放自由水，從而分散粉狀顆粒，提高漿體流動性［8］。粉狀組成指的是粒徑小于0．075mm并用手捏沒有顆粒感的材料，全尾砂膠結(jié)膏體充填材料的粉狀組成包括尾砂粉、水泥、礦渣粉、粉煤灰或石灰石粉。目前，我國許多礦山的全尾砂中含大量尾砂粉。在制備全尾砂膠結(jié)膏體充填材料中還要摻入粉狀的膠結(jié)劑（水泥、礦渣粉等）和輔助材料（粉煤灰和／或石灰石粉等）。所以，要選擇適合全尾砂膠結(jié)膏體料漿的減水劑，減水劑對全尾砂膠結(jié)膏體料漿中的水泥、礦渣粉、粉煤灰、尾砂粉和石灰石粉的分散程度的對比試驗研究十分必要。

本文選擇目前水泥混凝土領(lǐng)域常用的四種高效減水劑作為研究對象，即聚羧酸系高效減水劑（簡稱聚羧酸系）、萘磺酸甲醛縮合物高效減水劑（簡稱萘系）、氨基磺酸鹽高效減水劑（簡稱氨基系）和脂肪族高效堿水劑（簡稱脂肪族系），采用漿體流動度試驗測定了五種粉狀組成（水泥、礦渣粉、粉煤灰、尾砂粉和石灰石粉）的漿體流動度分別隨減水劑摻量的變化規(guī)律，其結(jié)論為制備全尾砂膠結(jié)膏體充填材料選擇合適的減水劑提供試驗依據(jù)。

1 試驗原材料及試驗方法

1．1 試驗原材料

水泥：水泥為基準(zhǔn)水泥（建筑材料部門用于檢驗外加劑性質(zhì)的水泥為42．5的硅酸鹽水泥，但規(guī)定了水泥的粒度、礦物組成和化學(xué)成分），其比表面積（氮氣吸附法測定）1 704m2／kg，顆粒平均粒徑14．59 μm，顆粒分布見圖1。

礦渣粉：為S95級礦渣粉，其比表面積1 558 m2／kg，顆粒平均粒徑16．98μm，顆粒分布見圖1。

石灰石粉：由石灰石磨細(xì)而成，主要礦物是碳酸鈣，其比表面積1 965m2／kg，顆粒平均粒徑13．69 μm，顆粒分布見圖1。

尾砂粉：由鐵礦尾砂磨細(xì)而成，其主要礦物是石英、白云石和赤鐵礦，其比表面積1 265m2／kg，顆粒平均粒徑18．44μm，顆粒分布見圖1。

外加劑：聚羧酸系、萘系、氨基系和脂肪族系各一種。

水：城市自來水。

圖1 粉狀組成的顆粒分布（激光圖像法）Fig．1 Particle size distribution of powdered compositions（laser image method）

從圖1可以看出，本試驗用到的五種材料（水泥、粉煤灰、礦渣、石灰石粉和尾砂粉）的最大粒徑均小于100μm，呈粉狀，所以稱為粉狀組成。石灰石粉在所有五種粉狀組成中顆粒最細(xì)（平均粒徑最?。⒎植挤秶钫?；水泥顆粒平均粒徑次之，但水泥的顆粒分布范圍最寬；礦渣粉與尾砂粉顆粒分布較接近（兩條顆粒分布曲線幾乎重合）。

1．2 試驗方法

通過測定減水劑—粉狀組成漿體的流動性隨減水劑摻量的變化來評價減水劑對粉狀組成的分散程度。減水劑摻量越少，粉狀組成漿體流動度越大，說明該減水劑對該粉狀組成的分散程度越大，反之則越小。

所用到的主要儀器如下：水泥漿體攪拌機(jī)；截錐圓模（微型坍落度筒），其上口直徑36mm、下口直徑64mm、高60mm、壁厚5mm，是內(nèi)壁光滑無接縫的金屬制品；玻璃板（400mm×400mm，厚5 mm）；電子稱；秒表；刮尺等。

1946年，世界上第一臺計算機(jī)埃尼阿克(ENIAC)誕生，主要應(yīng)用于軍事上的彈道計算，此后相當(dāng)長一段時間，計算機(jī)都用于科學(xué)計算，直到20世紀(jì)八九十年代，軟硬件性能不斷提高，特別是數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得計算機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，已逐漸成為普通老百姓必備的生活電器?？梢哉f計算機(jī)或者說基于計算機(jī)的通訊已經(jīng)成為了一門世界性的語言，在這其中互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展功不可沒。

主要試驗步驟：按照預(yù)先規(guī)定的比例稱取粉狀組成300g；再按照預(yù)先規(guī)定的比例加入減水劑，然后加水?dāng)嚢?min；最后，將拌和好的漿體迅速注入截錐圓模內(nèi)，刮平，將截錐圓模按垂直方向迅速提起，30s后量取相互垂直的兩直徑，并取它們的平均值作為此粉狀組成漿體的流動度（mm）。

2 試驗結(jié)果

2．1 幾種減水劑對水泥漿體流動度的影響規(guī)律

幾種減水劑對水泥漿體流動度影響規(guī)律的試驗結(jié)果見圖2。

圖2 水泥漿體流動度與減水劑摻量的關(guān)系Fig．2 Relationship between cement paste fluidity and water－reducing agent amount

從圖2可以看出：當(dāng)聚羧酸系、氨基系、萘系和脂肪族高效減水劑的摻量分別為水泥質(zhì)量的0．25%、0．3%、0．5%和0．6%時，水泥漿體（水灰比0．29）的流動度分別為320mm、288mm、277mm和277mm。所以，從減水劑摻量和漿體流動度比較，幾種減水劑對水泥漿體分散程度大小的順序是：聚羧酸系＞氨基系＞萘系＞脂肪族高效減水劑。

2．2 幾種減水劑對礦渣粉漿體流動度的影響規(guī)律

幾種減水劑對礦渣粉漿體流動度影響規(guī)律的試驗結(jié)果見圖3。

圖3 礦渣粉漿體流動度與減水劑摻量的關(guān)系Fig．3 Relationship between slag powder paste fluidity and water－reducing agent amount

從圖3可以看出：當(dāng)聚羧酸系、氨基系、萘系和脂肪族高效減水劑的摻量分別為礦渣粉質(zhì)量的0．09%、0．2%、0．2%和0．3%時，礦渣粉漿體（水灰比0．35）的流動度分別為302mm、225mm、202mm和264mm。所以，從減水劑摻量比較，幾種減水劑對礦渣粉漿體分散程度大小的順序是：聚羧酸系＞氨基系＞萘系＞脂肪族系；從漿體流動度大小比較，幾種減水劑對礦渣粉漿體分散程度大小的順序是：聚羧酸系＞脂肪族系＞氨基系＞萘系高效減水劑。

2．3 幾種減水劑對粉煤灰漿體流動度的影響規(guī)律

幾種減水劑對粉煤灰漿體流動度影響規(guī)律的試驗結(jié)果見圖4。

圖4 粉煤灰漿體流動度與減水劑摻量的關(guān)系Fig．4 Relationships between fly－ash paste fluidity and water－reducing agent amount

從圖4可以看出：當(dāng)聚羧酸系、脂肪族系、氨基系和萘系摻量分別為粉煤灰質(zhì)量的0．09%、0．15%、0．15% 和 0．15% 時，粉煤灰 漿體（水 灰 比0．29）的流動度分別為278mm、258mm、236mm和227mm。所以，從減水劑摻量和漿體流動度比較，幾種減水劑對粉煤灰漿體分散程度大小的順序是：聚羧酸系＞脂肪族系＞氨基系＞萘系高效減水劑。

2．4 幾種減水劑對石灰石粉漿體流動度的影響規(guī)律

幾種減水劑對石灰石粉漿體流動度影響規(guī)律的試驗結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出：當(dāng)脂肪族系、氨基系、萘系和聚羧酸系高效減水劑摻量分別為石灰石粉質(zhì)量的0．11%、0．15%、0．15%和0．4%時，石灰石粉漿體（水灰比0．35）的流動度分別為327mm、279mm、265mm和260mm。所以，從減水劑摻量和漿體流動度比較，幾種減水劑對石灰石粉漿體分散程度大小的順序是：脂肪族系＞氨基系＞萘系＞聚羧酸系高效減水劑。

2．5 幾種減水劑對尾砂粉漿體流動度的影響規(guī)律

幾種減水劑對尾砂粉漿體流動度影響規(guī)律的試驗結(jié)果見圖6。

圖5 石灰石粉漿體流動度與減水劑摻量的關(guān)系Fig．5 Relationships between limestone powder paste fluidity and water－reducing agent amount

從圖6可以看出：當(dāng)脂肪族系、氨基系、聚羧酸系和萘系高效減水劑摻量分別為尾砂粉質(zhì)量的0．08%、0．09%、0．13%和0．5%時，尾砂粉漿體（水灰比0．29）的流動度分別為292mm、251mm、220 mm和224mm。所以，從減水劑摻量和漿體流動度比較，幾種減水劑對尾砂粉漿體分散程度大小的順序是：脂肪族系＞氨基系＞聚羧酸系＞萘系高效減水劑。

圖6 尾砂粉漿體流動度與減水劑摻量的關(guān)系Fig．6 Relationships between tailings powder paste fluidity and water－reducing agent amount

3 試驗結(jié)果分析

綜合上述試驗結(jié)果可知，對于水泥、礦渣粉和粉煤灰漿體，聚羧酸系高效減水劑的分散效果最好；對于石灰石粉和尾砂粉漿體，脂肪族高效減水劑的分散效果最好；對于試驗中的五種粉狀組成漿體，氨基系高效減水劑的分散效果較好并較穩(wěn)定，萘系高效減水劑的分散效果較差。下面從減水劑的結(jié)構(gòu)特點來分析試驗結(jié)果。

目前聚羧酸系高效減水劑均是接枝共聚物，其主鏈的分子結(jié)構(gòu)有三類：一是甲基丙烯酸（丙烯酸），二是馬來酸酐，三是烯丙醇；其側(cè)鏈為梳形接枝聚合物，即由長的側(cè)鏈聚氧乙烯基（EO）和聚氧丙烯基（PO）提供空間位阻，羧酸基團(tuán)（－COOH）提供吸附。所以，聚羧酸系高效減水劑的作用機(jī)理除了靜電斥力，主要有空間位阻作用，結(jié)果對漿體中水泥及水泥產(chǎn)物有很好的分散及保持分散的能力［9］。

萘系高效減水劑是由萘或萘的同系物的磺酸鹽與甲醛的縮合物，是我國目前產(chǎn)量最大的縮聚型高效減水劑，其對水泥顆粒的作用機(jī)理主要是靜電斥力。萘系高效減水劑在被水泥顆粒吸附后，呈橫臥吸附狀態(tài)，不具有立體穩(wěn)定效果，這是萘系高效減水劑對漿體中水泥及水泥產(chǎn)物分散能力較差并保持能力也較差的原因［8］。

氨基高效磺酸鹽類減水劑是以氨基芳基磺酸（鹽）、酚基化合物和甲醛進(jìn)行縮合反應(yīng)的產(chǎn)物，由于在其立體結(jié)構(gòu)中引入了羥基（－OH）、磺酸基（－SO3）、氨基（－NH2）等極性基團(tuán)，它們在水泥顆粒表面產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附，并呈齒狀吸附狀態(tài)，具有立體效果，所以氨基系比萘系高效減水劑的效果好［9］。

脂肪族高效減水劑是醛酮縮合物，主要反應(yīng)物是甲醛、丙酮、硫酸鹽和堿等，主要產(chǎn)物的主鏈?zhǔn)牵ǎ瑿－C－）n鍵（側(cè)鏈具有大量磺酸基團(tuán)），所以，這種減水劑也稱為脂肪族高效減水劑［10］。脂肪族高效減水劑在20世紀(jì)90年代才開始出現(xiàn)在市場上，它的主要特點是使用成本低，其單價約為聚羧酸系高效減水劑的1／4，比氨基系和萘系高效減水劑的單價也低，目前有取代萘系高效減水劑的趨勢。脂肪族高效減水劑對石灰石粉和尾砂粉的分散效果是本試驗四種減水劑中最好的，對粉煤灰的分散效果也較好，其作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。由于全尾砂膠結(jié)膏體充填材料中尾砂粉和粉煤灰或石灰石粉的含量遠(yuǎn)大于水泥和礦渣粉的含量，所以，脂肪族高效減水劑將是制備全尾砂膠結(jié)膏體充填材料的性價比最高的減水劑。

4 結(jié)論

1）對于水泥、礦渣粉和粉煤灰漿體，在聚羧酸系、萘系、氨基系和脂肪族高效減水劑中，聚羧酸系高效減水劑摻入量最小，所形成的漿體流動度最大，所以，聚羧酸系高效減水劑對水泥、礦渣粉和粉煤灰的分散效果最好。

2）對于石灰石粉和尾砂粉漿體，在聚羧酸系、萘系、氨基系和脂肪族高效減水劑中，脂肪族高效減水劑摻入量最小，所形成的漿體流動度最大，所以，脂肪族高效減水劑對石灰石粉和尾砂粉的分散效果最好。此外，脂肪族高效減水劑對粉煤灰的分散效果也較好（僅次于聚羧酸系高效減水劑）。

3）由于全尾砂膠結(jié)膏體充填料漿中尾砂粉和粉煤灰和／或石灰石粉的含量遠(yuǎn)大于水泥和礦渣粉，并且脂肪族高效減水劑的單價約為聚羧酸系高效減水劑單價的1／4。所以，脂肪族高效減水劑將是制備全尾砂膠結(jié)膏體充填材料的性價比最高的減水劑。

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