喬龍騰 宋志峰
(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院,北京 100013;2.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院,河南 濮陽(yáng) 457000)
近年來,隨著國(guó)內(nèi)諸多礦山淺部資源日益枯竭,不少礦山逐漸轉(zhuǎn)入深井開采,深部礦體回采面臨著更加復(fù)雜的開采環(huán)境,如較高的地應(yīng)力、高低溫等因素[1-3]。 充填采礦法因其具有經(jīng)濟(jì)、高效及環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì),逐漸成為礦山企業(yè)進(jìn)行深部礦體回采的首選方法[4-5]。 然而,充填采礦法也存在一些不足,如工藝復(fù)雜、成本較高,尤其是膠結(jié)劑成本(一般只水泥成本)占據(jù)總成本的75%左右,嚴(yán)重制約著充填采礦方法的推廣應(yīng)用[6-7]。 因此,研制出新型膠凝材料代替或部分代替水泥作為礦山充填膠結(jié)劑,不僅有助于大幅度降低充填開采成本,還有利于實(shí)現(xiàn)礦山綠色開采[8]。
粉煤灰又稱飛灰[9],是指燃煤廠中磨細(xì)粉煤灰在鍋爐中燃燒后從煙道排出、被收塵器收集的物質(zhì)。此外,粉煤灰具有一定的火山灰屬性活性,但其活性大部分是潛在的,常態(tài)條件下活性發(fā)展緩慢,反應(yīng)程度較低,必須借助一定的激發(fā)手段才能發(fā)揮[10]。 目前,許多礦山科技工作者針對(duì)堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料進(jìn)行了大量研究,例如李茂輝等[11]通過開展粉煤灰復(fù)合膠凝材料充填體強(qiáng)度與水化機(jī)理研究,得出摻入一定量的粉煤灰能夠有效改善充填體的力學(xué)性能;邊偉等[12]開展了堿激發(fā)礦渣粉煤灰透水混凝土性能研究,得出利用堿激發(fā)礦渣—粉煤灰膠凝材料可制備出高性能綠色透水混凝土;趙兵朝等[13]開展了黃土—粉煤灰基新型充填材料性能研究,指出黃土與粉煤灰復(fù)摻能夠提高充填體的抗壓強(qiáng)度;劉娟紅等[14]開展了低濃度拜耳赤泥充填材料制備及水化機(jī)理研究,得出粉煤灰摻入比例對(duì)膠凝材料強(qiáng)度具有一定的影響;卓慶奉等[15]開展了摻粉煤灰的混合充填骨料配比優(yōu)化試驗(yàn),得出摻入粉煤灰能夠顯著提高充填體的抗壓強(qiáng)度;吳力波等[16]開展了赤泥粉煤灰膏體充填材料配比優(yōu)化試驗(yàn)研究,得出赤泥粉煤灰含量能夠?qū)Τ涮铙w強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。
綜合上述分析可知,粉煤灰不論是作為膠凝材料的原材料還是細(xì)顆粒均能夠改善充填體的力學(xué)性能,因此有必要針對(duì)不同礦山類型的尾砂開展針對(duì)性研究,進(jìn)一步推動(dòng)粉煤灰在礦山的應(yīng)用,有助于顯著降低充填開采成本[17-18]。 本研究在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合前期試驗(yàn),采用粉煤灰作為原材料部分代替水泥制備新型綠色膠凝材料,制備出粉煤灰基充填體,詳細(xì)分析在不同堿激發(fā)條件下粉煤灰充填體的抗壓強(qiáng)度變化特征,揭示粉煤灰基膠凝材料強(qiáng)度與堿激發(fā)類型,以及粉煤灰含量間的關(guān)系。 在此基礎(chǔ)上,基于環(huán)境掃描電鏡(SEM)技術(shù)探索粉煤灰基充填體的微觀結(jié)構(gòu),并分析其水化反應(yīng)過程。
試驗(yàn)采用全尾砂作為充填骨料,其化學(xué)成分見表1,粒徑分布特征見表2。 粉煤灰來自山西某企業(yè)的二級(jí)粉煤灰。 各項(xiàng)指標(biāo)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)Ⅱ級(jí)質(zhì)量要求。 粉煤灰的物理性能測(cè)試指標(biāo)見表3,化學(xué)組分見表4。 由表1 和表2 可知:尾砂化學(xué)成分中沒有對(duì)充填體強(qiáng)度不利的化學(xué)元素,并且尾砂的曲率和不均勻系數(shù)均在合理參數(shù)取值范圍內(nèi),說明尾砂適合作為充填骨料制備充填體。 SiO2和Al2O3是粉煤灰火山灰活性的主要來源,其含量越高越好。 由表3、表4 可知:SiO2和Al2O3含量較高,因而粉煤灰的質(zhì)量較高。
表1 尾砂化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果Table 1 Chemical composition test results of tailings%
表2 尾砂顆粒粒徑分布特征Table 2 Particle size distribution characteristics of tailings
表3 粉煤灰物理性能指標(biāo)Table 3 Physical properties of fly ash%
表4 粉煤灰化學(xué)組成Table 4 Chemical composition of fly ash%
試驗(yàn)采用2 種堿性激發(fā)劑來激發(fā)粉煤灰的活性,一種為NaOH,別名燒堿;另一種激發(fā)劑為Na2SiO3,硅酸鈉,俗稱泡花堿,是一種可溶性的無機(jī)硅酸鹽,其水溶液俗稱水玻璃,是一種礦黏合劑。 試驗(yàn)?zāi)康脑谟诓捎梅勖夯掖娌糠炙?從而降低充填成本。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)料漿濃度為75%,灰砂比為1 ∶5。 此外,粉煤灰摻量設(shè)計(jì)為0%、10%、15%、20%;堿性激發(fā)劑摻量為0%、2%、3%及4%,激發(fā)劑摻量為激發(fā)劑與粉煤灰質(zhì)量的百分比。 根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的方案制備試件,試件拆模后移入設(shè)置好的養(yǎng)護(hù)箱中。 分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d,養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)為20 ℃,養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度設(shè)為90%。
為表征粉煤灰摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律,繪制了充填體強(qiáng)度與粉煤摻量的關(guān)系曲線,如圖1 至圖3 所示。 由圖1 可知:當(dāng)激發(fā)劑為NaOH 或Na2SiO3時(shí),充填體3 d 強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量增加而不斷增大,并且摻有堿性激發(fā)劑時(shí),充填體3 d 強(qiáng)度明顯高于未添加激發(fā)劑的充填體3 d 抗壓強(qiáng)度。 由圖2 和圖3 可知:當(dāng)激發(fā)劑為NaOH 或Na2SiO3時(shí),充填體7 d 及28 d 強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量增加而不斷增大,并且添加了堿性激發(fā)劑的充填體7 d 及28 d 抗壓強(qiáng)度明顯高于未添加激發(fā)劑的充填體。 因此,粉煤灰的摻入能夠提高充填體的抗壓強(qiáng)度,并且添加堿性激發(fā)劑能夠提升粉煤灰對(duì)于充填體力學(xué)性能的改善效果。 此外,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期超過3 d 后,添加了堿性激發(fā)劑的充填體強(qiáng)度與未添加激發(fā)劑的充填體強(qiáng)度差距十分明顯。
圖1 不同激發(fā)劑下充填體3 d 抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.1 Relationship between 3 d compressive strength of backfill and fly ash content under different activators
圖2 不同激發(fā)劑下充填體7 d 抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between 7d compressive strength of backfill and fly ash content under different activators
圖3 不同激發(fā)劑下充填體28 d 抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量間的關(guān)系Fig.3 Relationship between 28d compressive strength of backfill and fly ash content under different activators
為揭示粉煤灰基膠結(jié)充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律,繪制了不同激發(fā)劑下充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期間的關(guān)系曲線,如圖4 和圖5 所示。 圖4 為激發(fā)劑為NaOH 時(shí),不同激發(fā)劑含量下,充填體強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的變化特征。 圖5 為激發(fā)劑為Na2SiO3時(shí),不同激發(fā)劑含量下,充填體強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的變化特征。通過圖4可以看出,當(dāng)激發(fā)劑為NaOH 時(shí),不論激發(fā)劑摻量多少,充填體強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加而增大,但添加了NaOH 的充填體各齡期強(qiáng)度要明顯高于未添加堿性激發(fā)劑的充填體。 由圖5 可知:當(dāng)激發(fā)劑為Na2SiO3時(shí),不論激發(fā)劑摻量多少,充填體強(qiáng)度也均隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加而增大,但添加了Na2SiO3的充填體各齡期強(qiáng)度同樣明顯高于未添加堿性激發(fā)劑的充填體。 因此,激發(fā)劑類型和摻量的變化雖然不會(huì)改善粉煤灰基充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期間的關(guān)系,但添加了激發(fā)劑能夠顯著提高充填體強(qiáng)度。 此外,根據(jù)強(qiáng)度演化曲線的斜率可知,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3~7 d 時(shí),充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢,但當(dāng)齡期超過7 d 后,充填體強(qiáng)度增幅變大,并且呈近似直線增長(zhǎng)。 同時(shí),添加了激發(fā)劑的充填體強(qiáng)度在各齡期段的增長(zhǎng)速率明顯高于未添加激發(fā)劑的充填體強(qiáng)度,側(cè)面說明了激發(fā)劑的摻入能夠顯著提高其強(qiáng)度水平。
圖4 激發(fā)劑為NaOH 時(shí)充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系Fig.4 Relationship between backfill strength and curing age when the activator is NaOH
圖5 激發(fā)劑為Na2SiO3 時(shí)充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系Fig.5 Relationship between backfill strength and curing age when the activator is Na2SiO3
為揭示激發(fā)劑摻量對(duì)粉煤灰基充填體強(qiáng)度的影響,繪制了不同粉煤灰摻量下的充填體強(qiáng)度與激發(fā)劑摻量的關(guān)系曲線,如圖6 至圖8 所示。
圖6 粉煤灰摻量為10%時(shí)膠結(jié)充填體強(qiáng)度與激發(fā)劑摻量的關(guān)系Fig.6 Relationship between strength of cemented backfilland content of activator when the content of fly ash is 10%
由圖6 可知:當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí),無論激發(fā)劑為何種類型,粉煤灰基膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度隨著激發(fā)劑摻量增加均表現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì),并且在激發(fā)劑摻量為0.3 時(shí)達(dá)到最大值,說明激發(fā)劑摻量存在臨界值。 分析圖7 和圖8 可知:當(dāng)粉煤灰摻量為15%和20%時(shí),粉煤灰基膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度均隨著激發(fā)劑摻量增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),并且也都在激發(fā)劑摻量為0.3%時(shí)達(dá)到最大值,說明當(dāng)粉煤灰摻量為10%~20%時(shí),兩種堿性激發(fā)劑的最佳摻量為0.3%。 此外,當(dāng)激發(fā)劑摻量為0%~0.3%時(shí),隨著養(yǎng)護(hù)齡期不斷增大,粉煤灰基膠結(jié)充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率也逐漸變大,說明激發(fā)劑摻量增加更有利于提高粉煤灰基膠結(jié)充填體的后期抗壓強(qiáng)度。
圖7 粉煤灰摻量為15%時(shí)粉煤灰基膠結(jié)充填體強(qiáng)度與激發(fā)劑摻量的關(guān)系Fig.7 Relationship between strength of flash-based cemented backfill and content of activator when the content of fly ash is 15%
圖8 粉煤灰摻量為20%時(shí)粉煤灰基膠結(jié)充填體強(qiáng)度與激發(fā)劑摻量的關(guān)系Fig.8 Relationship between strength of flash-based cemented backfill and content of activator when the content of fly ash is 20%
為揭示激發(fā)劑類型對(duì)粉煤灰基充填體強(qiáng)度的影響,繪制了不同粉煤灰摻量下的充填體強(qiáng)度與激發(fā)劑的類型關(guān)系曲線,如圖9 至圖11 所示。
圖9 粉煤灰摻量為10%時(shí)不同堿性激發(fā)劑下膠結(jié)充填體強(qiáng)度對(duì)比Fig.9 Strength comparison of cemented backfill under different alkaline activators when fly ash content is 10%
分析圖9 可知:當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí),不論激發(fā)劑為何種類型,充填體的3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度均隨著激發(fā)劑摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì),并且在激發(fā)劑摻量為0.3%時(shí)達(dá)到最大值。 通過圖10、圖11可知:當(dāng)粉煤灰摻量為15%及20%時(shí),無論激發(fā)劑為何種類型,充填體的3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度也均隨著激發(fā)劑摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì),并且同樣在激發(fā)劑摻量為0.3%時(shí)達(dá)到最大值。 然而,在不同的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi),兩種激發(fā)劑對(duì)充填體強(qiáng)度的改善效果表現(xiàn)出顯著的差異性。 當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d 且激發(fā)劑摻量為0%~0.3%時(shí),兩種激發(fā)劑對(duì)充填體強(qiáng)度的改善效果并無明顯差異,說明激發(fā)劑類型對(duì)充填體3 d 強(qiáng)度無顯著性影響。 當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 及28 d 且激發(fā)劑摻量為0%~0.3%時(shí),添加NaOH 的充填體強(qiáng)度明顯高于添加Na2SiO3的充填體抗壓強(qiáng)度,并且對(duì)于28 d 抗壓強(qiáng)度的改善效果優(yōu)勢(shì)更為突出,說明選擇NaOH 作為堿性激發(fā)劑具有更好的效果。 因此,當(dāng)粉煤摻量為10%~20%時(shí),可優(yōu)先選擇NaOH 作為堿性激發(fā)劑,并且激發(fā)劑的臨界摻量為0.3%。
圖10 粉煤灰摻量為15%時(shí)不同堿性激發(fā)劑下膠結(jié)充填體強(qiáng)度對(duì)比Fig.10 Strength comparison of cemented backfill under different alkaline activators when fly ash content is 15%
圖11 粉煤灰摻量為20%時(shí)不同堿性激發(fā)劑下膠結(jié)充填體強(qiáng)度對(duì)比Fig.11 Strength comparison of cemented backfill under different alkaline activators when fly ash content is 20%
NaOH 摻量為3%、粉煤灰摻量為15%時(shí),不同養(yǎng)護(hù)齡期下的粉煤灰基充填體微觀結(jié)構(gòu)特征如圖12 所示。 由圖12 可知:對(duì)于球形粉煤灰顆粒,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d 時(shí),在激發(fā)劑作用下球體表面出現(xiàn)突破口,開始釋放活性物質(zhì),例如SiO2和Al2O3。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí),球體表面已經(jīng)出現(xiàn)很多個(gè)孔口,并且表面有一些水化產(chǎn)物,水化硅酸鈣呈現(xiàn)為白色凝膠物質(zhì),說明此時(shí)粉煤灰中的活性物質(zhì)大部分已經(jīng)釋放出來,在后期養(yǎng)護(hù)過程中參與到水化反應(yīng)中。在28 d 時(shí),很明顯,這些活性物質(zhì)反應(yīng)生成大量的凝膠物質(zhì),并且看到有針狀晶體連接不同的顆粒。 從微觀電鏡掃描圖中觀察到了水化產(chǎn)物的形成過程,驗(yàn)證了強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律。
圖12 不同養(yǎng)護(hù)齡期下粉煤灰充填體微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.12 Microstructure characteristics of fly ash fill under different curing ages
(1)當(dāng)粉煤灰摻量為10%~20%時(shí),充填體3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰含量增加而不斷增大,并且添加了堿性激發(fā)劑的充填體7 d 及28 d 抗壓強(qiáng)度明顯高于未添加激發(fā)劑的充填體。
(2)激發(fā)劑類型和摻量的變化雖然不會(huì)改善粉煤灰基充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期間的關(guān)系,但添加了激發(fā)劑的充填體強(qiáng)度在各齡期段的增長(zhǎng)速率明顯高于未添加激發(fā)劑的充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)速率。
(3)粉煤灰基膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度隨著激發(fā)劑摻量的增加均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),并且在激發(fā)劑摻量為0.3 時(shí)達(dá)到最大值。 當(dāng)激發(fā)劑摻量為0%~0.3%時(shí),隨著養(yǎng)護(hù)齡期不斷增大,粉煤灰基膠結(jié)充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率也逐漸變大,說明激發(fā)劑摻量的增加更有利于提高粉煤灰基膠結(jié)充填體的后期抗壓強(qiáng)度。
(4)不論激發(fā)劑為何種類型,充填體的3、7、28 d抗壓強(qiáng)度均隨著激發(fā)劑摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),并且同樣在激發(fā)劑摻量為0.3%時(shí)達(dá)到最大值。 添加NaOH 的充填體強(qiáng)度明顯高于添加Na2SiO3的充填體抗壓強(qiáng)度,并且對(duì)于28 d 抗壓強(qiáng)度的改善效果優(yōu)勢(shì)更為突出。
(5)充填體微觀結(jié)構(gòu)的致密性隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加而增大,并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,水化反應(yīng)生成的凝膠物質(zhì)也逐漸增多,水化產(chǎn)物填充了孔隙結(jié)構(gòu)從而促使充填體具有較好的承載性能。