粉煤灰基膠結(jié)充填材料基本性能的實驗研究

陳維新,　李鳳義

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)研究院, 哈爾濱 150022)

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粉煤灰基膠結(jié)充填材料基本性能的實驗研究

陳維新,李鳳義

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)研究院, 哈爾濱 150022)

掌握粉煤灰基膠結(jié)充填材料的基本性能有利于其合理應(yīng)用。以水、粉煤灰為主要原料,制備粉煤灰基膠結(jié)充填材料,通過實驗分析材料抗壓強度、凝結(jié)時間、流動性及顯微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:粉煤灰基膠結(jié)充填材料具有速凝、早強、流動性好的性能。充填體高度越高,充填體頂、底部的抗壓強度及凝結(jié)時間差異越大;灰漿和成漿的流動性與粉煤灰的活化時間密切相關(guān);材料中鈣礬石結(jié)構(gòu)與石膏和石灰用量有關(guān)。袋式、擋板式充填開采工業(yè)試驗結(jié)果證實,該材料是一種性能良好的采空區(qū)充填材料。

粉煤灰基膠結(jié)充填材料; 抗壓強度; 流動性; 微觀結(jié)構(gòu); 采空區(qū)充填

充填開采是煤礦邁向“無害化”、“安全化”生產(chǎn)的有效途徑,但目前無法實現(xiàn)推廣的主要原因是充填材料成本過高。而邊遠(yuǎn)地區(qū)電廠產(chǎn)生的粉煤灰供大于求,導(dǎo)致大量粉煤灰廢棄在野外,廢棄粉煤灰給環(huán)境帶來很大的壓力[1-2]。黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院研發(fā)的粉煤灰基膠結(jié)充填材料,粉煤灰占固體料的80%～89%,水固比接近1∶1,既解決了廢棄粉煤灰的環(huán)境污染問題,又解決了充填材料造價普遍較高的問題。對于礦用采空區(qū)充填材料來說,基本性能一般包括材料漿體的黏度、凝結(jié)時間(文中研究的粉煤灰基膠結(jié)充填材料屬于快凝、早強型膠結(jié)材料,其初凝時間與終凝時間很接近,故一般僅考查其初凝時間,并統(tǒng)稱為凝結(jié)時間[3])、流動性、充填固化后的抗壓強度、固化后微觀結(jié)構(gòu)等。這些性能是充填系統(tǒng)及工藝設(shè)計的基本參數(shù)。掌握充填材料的基本性能對實踐應(yīng)用具有重要意義。筆者通過實驗室實驗,分析粉煤灰基膠結(jié)材料基本性能,并通過井下工業(yè)實驗加以驗證。

1　粉煤灰基膠結(jié)充填材料制備

制備粉煤灰基膠結(jié)充填材料時先將水、粉煤灰、活化劑HHJ按配方配比計量后輸送到活化攪拌裝置中攪拌均勻,陳放4～8 h后得到主要固體料——粉煤灰的灰漿?；覞{流動性良好,且基本不會凝固。在灰漿內(nèi)加入硫鋁酸鹽水泥、石灰、石膏、KYY-ZH系列早強緩凝劑、KYY-S系列速凝劑后,攪拌10～15 min就制得粉煤灰基膠結(jié)充填成漿[4-6]。具體制備工藝如圖1所示。

圖1　粉煤灰基膠結(jié)充填材料制備工藝

2　粉煤灰基膠結(jié)充填材料基本性能

2.1材料的抗壓強度與凝結(jié)時間

2.1.1抗壓強度與凝結(jié)時間

在粉煤灰活化時間(th)0～8 h、活化溫度20 ℃的條件下,制得膠結(jié)充填材料,成漿后一部分倒入試模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后測定抗壓強度,一部分測定其凝結(jié)時間,實驗結(jié)果如圖2、3所示。

由圖2 可知,粉煤灰活化4 h是材料抗壓強度的閾值,活化時間在4 h以下的各養(yǎng)護(hù)齡期材料的抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于活化4 h以上的,且材料養(yǎng)護(hù)時間越長,活化時間閾值體現(xiàn)越明顯,如粉煤灰活化4 h、養(yǎng)護(hù)齡期24 h材料的抗壓強度是活化3 h的1.13倍。由此可見,活化時間保持在4～8 h即可充分發(fā)揮活化劑對粉煤灰的激發(fā)效果。由圖3可見,材料各齡期的凝結(jié)時間隨著活化時間增加逐漸縮短,同樣,粉煤灰活化4 h為材料對應(yīng)凝結(jié)時間的閾值,活化時間低于4 h材料的凝結(jié)時間較長,活化時間高于4 h材料的凝結(jié)時間較短。由此可見,材料的凝結(jié)時間與抗壓強度有一定的關(guān)聯(lián),凝結(jié)時間越短抗壓強度越高。

圖2　粉煤灰活化時間對材料抗壓強度的影響

圖3　粉煤灰不同活化時間對材料凝結(jié)時間的影響

2.1.2充填體高度對抗壓強度及凝結(jié)時間的影響

充填體高度對材料抗壓強度及凝結(jié)時間的影響,實質(zhì)是材料水化速率小于固體顆粒在水中的沉積速率,從而導(dǎo)致充填體上下部存在一定性能差異[7]。在實驗室內(nèi)采用模板支設(shè)高度為1、3、5、7 m,寬度和長度均為0.5 m的四個封閉空間,將成漿注入后在常溫下養(yǎng)護(hù),然后測量每個充填體頂、底部的凝結(jié)時間后,再在凝固體頂、底部分別取出兩個方形塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中,齡期為8 h時,由壓力機得到單軸抗壓強度,如表1所示。由表1可知,充填高度越高充填體頂、底部強度及凝結(jié)時間差異就越大。這是因為粉煤灰基膠結(jié)充填材料在成漿后開始水化,被輸送到充填地點后仍在不斷水化,這時料漿處于靜止?fàn)顟B(tài),一些未活化的粉煤灰顆粒及未水化的水泥、石灰等膠凝材料的顆粒開始向下沉積,直到料漿失去流動性,因此,底部比頂部的膠凝材料更多,充填體底部的凝結(jié)時間比頂部短,在各水化齡期,充填體底部的強度要比頂部的更大一些。

在現(xiàn)場施工中,如果煤層較厚,充填體較高,可采用分層充填來減少一次充填體的高度[8]。

表1　充填體高度對材料抗壓強度及凝結(jié)時間的影響

2.2材料漿體的流動性

2.2.1灰漿

采用SNB-2型數(shù)字式旋轉(zhuǎn)黏度計對粉煤灰不同活化時間的灰漿進(jìn)行測量[9]。每次測量間隔0.5 h,測量前需重新攪拌被測灰漿,待靜止時馬上進(jìn)行黏度測量。結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,活化前2.0～4.5 h黏度變化不大,之后黏度顯著增大。整體來看,粉煤灰活化后的灰漿均屬低黏度。

圖4　粉煤灰不同活化時間對應(yīng)灰漿的表觀黏度

采用Kinexus超級旋轉(zhuǎn)流變儀[10]測量粉煤灰活化時間為2、4、8 h灰漿的流動曲線,如圖5所示。分析可知,在活化時間為2 h時,漿體的流動性基本接近牛頓模型,但活化時間為4 h和8 h時,初始漿體的流動性向非牛頓模型中的假塑性模型貼近。

圖5　粉煤灰不同活化時間對應(yīng)灰漿的流變

2.2.2成漿

在灰漿中加入其他原材料,攪拌過程中材料即開始水化,其流動性隨著時間推移發(fā)生較為顯著的變化。

粉煤灰活化2、4、8 h制得的成漿隨放置時間(tf)變化的黏度如圖6所示。由圖6可知,粉煤灰活化2 h制得的成漿黏度在60 min內(nèi),增加不明顯,此后迅速攀升,至100 min時接近2 000 mPa·s,110 min時黏度計無法測出黏度,說明成漿此時已失去流動性。粉煤灰活化4 h時的成漿黏度在50 min內(nèi)變化不明顯,此后增長明顯,至90 min時達(dá)到1 600 mPa·s,100 min時黏度無法測出。粉煤灰活化8 h時的成漿黏度變化規(guī)律與活化4 h較類似,均是50 min內(nèi)黏度變化不明顯,但之后黏度增長率明顯比活化4 h大,90 min時成漿失去流動性。總結(jié)以上規(guī)律可知,粉煤灰的活化時間是影響成漿黏度的主要因素。

圖6　粉煤灰不同活化時間對應(yīng)成漿的表觀黏度

采用Kinexus超級旋轉(zhuǎn)流變儀測量粉煤灰活化2、4、8 h制得成漿每隔10 min的流動曲線,如圖7所示。粉煤灰活化2 h制成的成漿40 min內(nèi)基本服從牛頓流體模型的兩相流型,隨著時間的增加,緩凝劑的作用逐漸消退,水化開始劇烈進(jìn)行,60 min時,漿體為非牛頓體中的有屈服值的偽塑性流體模型,80 min后,逐漸向賓漢流動模型轉(zhuǎn)變。

粉煤灰活化4 h和8 h制得成漿20 min內(nèi),流變曲線基本服從牛頓流體偽塑性流動模型,40～60 min時,流變曲線服從有屈服值的偽塑性流體模型,隨后基本服從賓漢流動模型。

圖7　粉煤灰不同活化時間對應(yīng)成漿的流變

2.3微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1石灰與石膏用量不同的材料微觀結(jié)構(gòu)

將材料配方中石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高30%,使石灰在成漿中飽和,作為實驗方案一;將材料配方中石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高40%,使石膏在成漿中飽和,作為實驗方案二。按照兩個方案,制得成漿,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境養(yǎng)護(hù)8 h,終止水化后利用日立S-4800型電子掃描電鏡觀察材料微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖8所示。

圖8　石灰與石膏用量不同的材料微觀結(jié)構(gòu)

由圖8可知,在飽和石灰溶液中,鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)形成速度較快,往往為細(xì)針狀晶體(圖8a);而在低濃度石灰溶液中,3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O形成的速度較慢,一般都生成較粗的長柱狀晶體(圖8b)。

2.3.2粉煤灰活化時間不同的材料微觀結(jié)構(gòu)

粉煤灰活化時間為0(粉煤灰未活化)、2、4、8 h時,分別制得的成漿,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d即同時終止水化后,由掃描電鏡觀察材料微觀結(jié)構(gòu),如圖9所示。由圖9可知,在粉煤灰不活化的情況下,材料僅生成針網(wǎng)狀鈣礬石;粉煤灰活化2 h制成的材料中針狀鈣礬石明顯被水化產(chǎn)物部分包裹;粉煤灰活化4 h和8 h制成的材料中,針狀鈣礬石被水化產(chǎn)物基本包裹,結(jié)構(gòu)進(jìn)一步致密。

圖9　　　　粉煤灰不同活化時間對應(yīng)材料的SEM照片

由圖9也可以看出,隨著粉煤灰活化時間的增長,材料水化產(chǎn)物不斷增多,結(jié)構(gòu)越來越致密,但活化4 h與8 h結(jié)構(gòu)致密程度相差不大,這與粉煤灰不同活化時間對應(yīng)材料的強度規(guī)律相吻合[11]。

3　應(yīng)用實例

應(yīng)用粉煤灰基膠結(jié)材料作為采空區(qū)充填材料,在桃山礦九采三井進(jìn)行炮采袋式條帶式充填采煤工業(yè)實驗,在通化八寶立井進(jìn)行水采擋板式全部充填采煤工業(yè)實驗。

袋式充填采煤中充填漿料的封閉空間由充填袋、模板、支柱構(gòu)成。充填前先在采空區(qū)支設(shè)木支柱,然后在木支柱內(nèi)架設(shè)模板,在模板內(nèi)掛設(shè)充填袋,充填成漿通過充填袋上部的入料口注入。擋板充填采煤的封閉空間由三面煤壁和一面擋板組成。充填前先支設(shè)擋板,在擋板最上方留設(shè)入料口注入充填成漿。充填效果見圖10。

圖10　不同充填方式拆模后的充填體效果

從現(xiàn)場充填情況來看,灰漿和成漿的流動性良好。袋式充填完畢后,平均高為1 m的充填袋在材料凝結(jié)時間內(nèi)即有自承能力,并可將模板拆掉,接頂率超過了95%,如圖10a所示。擋墻式充填完畢后,平均高為1.5 m的充填體接頂良好,如圖10b所示,拆模時間較材料實驗室測得的凝結(jié)時間縮短10 min,這可能是由于充填體積較大,水化熱累積增加了材料的水化速度所致。兩類充填體均在一個工作班內(nèi)拆模,且充填3 d后頂板均無破斷,說明該材料具有快凝、早強的特性。再經(jīng)長期跟蹤監(jiān)測,兩類充填方法均達(dá)到地表無明顯沉陷的效果。

4　結(jié)　論

(1)粉煤灰基膠結(jié)充填材料具有快凝、早強的特點。粉煤灰活化時間為4～8 h時,材料的抗壓強度較高,但隨著活化時間的增加,材料凝結(jié)時間呈縮短趨勢。充填體高度越高,充填體頂、底部的抗壓強度及凝結(jié)時間差異越大。

(2)灰漿和成漿均具有良好的流動性,且流動性均與粉煤灰的活化時間密切相關(guān)。粉煤灰活化4 h和8 h對應(yīng)的灰漿及成漿流動性相差不大,但比粉煤灰活化2 h對應(yīng)的灰漿及成漿流動性要差。

(3)粉煤灰基膠結(jié)材料中鈣礬石結(jié)構(gòu)與石膏和石灰用量有關(guān);隨粉煤灰活化時間的增加,材料中的水化產(chǎn)物不斷增加,材料結(jié)構(gòu)也越顯致密。

(4)采空區(qū)袋式和擋板式兩種充填開采方法的工業(yè)實驗結(jié)果表明,粉煤灰基膠結(jié)充填材料具備良好的應(yīng)用前景。

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(編輯荀海鑫)

Experimental research on basic performance of fly-ash-based cement filling material

CHENWeixin,LIFengyi

(Institute of Mining Research, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper describes a study based on a prevailing notion that better knowledge of the basic performance of fly ash-based cement filling material is beneficial for its rational application. This study is focused on preparing fly ash-based cement filling material using water, fly ash, sulphoaluminate cement, lime and gypsum as the main raw material and analyzing the compression strength, setting time, fluidity and micro-structure based on the tests. The results show that the fly ash-based cement filling material exhibits the performance of quick-setting, early strength and good fluidity; the higher filling height means the greater difference between the top and bottom of filling body in compressive strength and setting time; the fluidity of mortar and slurry is closely related to activation time of the fly ash; the structure of ettringite is linked to the plaster or lime content in the material. The bag and apron filling mining industry test prove that the material is a goaf filling material of better performance.

ash-based cement filling materials; compressive strength; fluidity;microstructure; goaf filling

2015-07-09

黑龍江省發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(非信息產(chǎn)業(yè))專項資金項目(FW12A018)

陳維新(1984-),男,山西省忻州人,助教,碩士,研究方向:充填采煤,E-mail:287760448@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.006

TD823.7

2095-7262(2015)04-0375-06

A