碱激发粉煤灰基胶凝材料的水化过程及力学性能

2023-12-22乔龙腾宋志峰

金属矿山 2023年11期

乔龙腾宋志峰

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院,北京 100013;2.濮阳职业技术学院机电与汽车工程学院,河南濮阳 457000)

近年来,随着国内诸多矿山浅部资源日益枯竭,不少矿山逐渐转入深井开采,深部矿体回采面临着更加复杂的开采环境,如较高的地应力、高低温等因素[1-3]。充填采矿法因其具有经济、高效及环保等诸多优势,逐渐成为矿山企业进行深部矿体回采的首选方法[4-5]。然而,充填采矿法也存在一些不足,如工艺复杂、成本较高,尤其是胶结剂成本(一般只水泥成本)占据总成本的75%左右,严重制约着充填采矿方法的推广应用[6-7]。因此,研制出新型胶凝材料代替或部分代替水泥作为矿山充填胶结剂,不仅有助于大幅度降低充填开采成本,还有利于实现矿山绿色开采[8]。

粉煤灰又称飞灰[9],是指燃煤厂中磨细粉煤灰在锅炉中燃烧后从烟道排出、被收尘器收集的物质。此外,粉煤灰具有一定的火山灰属性活性,但其活性大部分是潜在的,常态条件下活性发展缓慢,反应程度较低,必须借助一定的激发手段才能发挥[10]。目前,许多矿山科技工作者针对碱激发粉煤灰胶凝材料进行了大量研究,例如李茂辉等[11]通过开展粉煤灰复合胶凝材料充填体强度与水化机理研究,得出掺入一定量的粉煤灰能够有效改善充填体的力学性能;边伟等[12]开展了碱激发矿渣粉煤灰透水混凝土性能研究,得出利用碱激发矿渣—粉煤灰胶凝材料可制备出高性能绿色透水混凝土;赵兵朝等[13]开展了黄土—粉煤灰基新型充填材料性能研究,指出黄土与粉煤灰复掺能够提高充填体的抗压强度;刘娟红等[14]开展了低浓度拜耳赤泥充填材料制备及水化机理研究,得出粉煤灰掺入比例对胶凝材料强度具有一定的影响;卓庆奉等[15]开展了掺粉煤灰的混合充填骨料配比优化试验,得出掺入粉煤灰能够显著提高充填体的抗压强度;吴力波等[16]开展了赤泥粉煤灰膏体充填材料配比优化试验研究,得出赤泥粉煤灰含量能够对充填体强度产生显著影响。

综合上述分析可知,粉煤灰不论是作为胶凝材料的原材料还是细颗粒均能够改善充填体的力学性能,因此有必要针对不同矿山类型的尾砂开展针对性研究,进一步推动粉煤灰在矿山的应用,有助于显著降低充填开采成本[17-18]。本研究在现有成果的基础上,结合前期试验,采用粉煤灰作为原材料部分代替水泥制备新型绿色胶凝材料,制备出粉煤灰基充填体,详细分析在不同碱激发条件下粉煤灰充填体的抗压强度变化特征,揭示粉煤灰基胶凝材料强度与碱激发类型,以及粉煤灰含量间的关系。在此基础上,基于环境扫描电镜(SEM)技术探索粉煤灰基充填体的微观结构,并分析其水化反应过程。

1 试验材料

试验采用全尾砂作为充填骨料,其化学成分见表1,粒径分布特征见表2。粉煤灰来自山西某企业的二级粉煤灰。各项指标符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)Ⅱ级质量要求。粉煤灰的物理性能测试指标见表3,化学组分见表4。由表1 和表2 可知:尾砂化学成分中没有对充填体强度不利的化学元素,并且尾砂的曲率和不均匀系数均在合理参数取值范围内,说明尾砂适合作为充填骨料制备充填体。 SiO2和Al2O3是粉煤灰火山灰活性的主要来源,其含量越高越好。由表3、表4 可知:SiO2和Al2O3含量较高,因而粉煤灰的质量较高。

表1 尾砂化学成分测试结果Table 1 Chemical composition test results of tailings%

表2 尾砂颗粒粒径分布特征Table 2 Particle size distribution characteristics of tailings

表3 粉煤灰物理性能指标Table 3 Physical properties of fly ash%

表4 粉煤灰化学组成Table 4 Chemical composition of fly ash%

2 试验方案

试验采用2 种碱性激发剂来激发粉煤灰的活性,一种为NaOH,别名烧碱;另一种激发剂为Na2SiO3,硅酸钠,俗称泡花碱,是一种可溶性的无机硅酸盐,其水溶液俗称水玻璃,是一种矿黏合剂。试验目的在于采用粉煤灰代替部分水泥,从而降低充填成本。试验设计料浆浓度为75%,灰砂比为1 ∶5。此外,粉煤灰掺量设计为0%、10%、15%、20%;碱性激发剂掺量为0%、2%、3%及4%,激发剂掺量为激发剂与粉煤灰质量的百分比。根据预先设计的方案制备试件,试件拆模后移入设置好的养护箱中。分别养护3、7、28 d,养护温度设为20 ℃,养护环境湿度设为90%。

3 试验结果分析

3.1 粉煤灰掺量对胶结充填体强度的影响规律

为表征粉煤灰掺量对充填体强度的影响规律,绘制了充填体强度与粉煤掺量的关系曲线,如图1 至图3 所示。由图1 可知:当激发剂为NaOH 或Na2SiO3时,充填体3 d 强度均随着粉煤灰掺量增加而不断增大,并且掺有碱性激发剂时,充填体3 d 强度明显高于未添加激发剂的充填体3 d 抗压强度。由图2 和图3 可知:当激发剂为NaOH 或Na2SiO3时,充填体7 d 及28 d 强度均随着粉煤灰掺量增加而不断增大,并且添加了碱性激发剂的充填体7 d 及28 d 抗压强度明显高于未添加激发剂的充填体。因此,粉煤灰的掺入能够提高充填体的抗压强度,并且添加碱性激发剂能够提升粉煤灰对于充填体力学性能的改善效果。此外,当养护龄期超过3 d 后,添加了碱性激发剂的充填体强度与未添加激发剂的充填体强度差距十分明显。

图1 不同激发剂下充填体3 d 抗压强度与粉煤灰掺量的关系Fig.1 Relationship between 3 d compressive strength of backfill and fly ash content under different activators

图2 不同激发剂下充填体7 d 抗压强度与粉煤灰掺量的关系Fig.2 Relationship between 7d compressive strength of backfill and fly ash content under different activators

图3 不同激发剂下充填体28 d 抗压强度与粉煤灰掺量间的关系Fig.3 Relationship between 28d compressive strength of backfill and fly ash content under different activators

3.2 粉煤灰基胶结充填体强度增长分析

为揭示粉煤灰基胶结充填体强度增长规律,绘制了不同激发剂下充填体强度与养护龄期间的关系曲线,如图4 和图5 所示。图4 为激发剂为NaOH 时,不同激发剂含量下,充填体强度随着养护龄期的变化特征。图5 为激发剂为Na2SiO3时,不同激发剂含量下,充填体强度随着养护龄期的变化特征。通过图4可以看出,当激发剂为NaOH 时,不论激发剂掺量多少,充填体强度均随着养护龄期增加而增大,但添加了NaOH 的充填体各龄期强度要明显高于未添加碱性激发剂的充填体。由图5 可知:当激发剂为Na2SiO3时,不论激发剂掺量多少,充填体强度也均随着养护龄期增加而增大,但添加了Na2SiO3的充填体各龄期强度同样明显高于未添加碱性激发剂的充填体。因此,激发剂类型和掺量的变化虽然不会改善粉煤灰基充填体强度与养护龄期间的关系,但添加了激发剂能够显著提高充填体强度。此外,根据强度演化曲线的斜率可知,当养护龄期为3～7 d 时,充填体强度增长较为缓慢,但当龄期超过7 d 后,充填体强度增幅变大,并且呈近似直线增长。同时,添加了激发剂的充填体强度在各龄期段的增长速率明显高于未添加激发剂的充填体强度,侧面说明了激发剂的掺入能够显著提高其强度水平。

图4 激发剂为NaOH 时充填体强度与养护龄期的关系Fig.4 Relationship between backfill strength and curing age when the activator is NaOH

图5 激发剂为Na2SiO3 时充填体强度与养护龄期的关系Fig.5 Relationship between backfill strength and curing age when the activator is Na2SiO3

3.3 激发剂掺量对粉煤灰基充填体强度的影响

为揭示激发剂掺量对粉煤灰基充填体强度的影响,绘制了不同粉煤灰掺量下的充填体强度与激发剂掺量的关系曲线,如图6 至图8 所示。

图6 粉煤灰掺量为10%时胶结充填体强度与激发剂掺量的关系Fig.6 Relationship between strength of cemented backfilland content of activator when the content of fly ash is 10%

由图6 可知:当粉煤灰掺量为10%时,无论激发剂为何种类型,粉煤灰基胶结充填体抗压强度随着激发剂掺量增加均表现出先增大后减小趋势,并且在激发剂掺量为0.3 时达到最大值,说明激发剂掺量存在临界值。分析图7 和图8 可知:当粉煤灰掺量为15%和20%时,粉煤灰基胶结充填体抗压强度均随着激发剂掺量增加表现出先增大后减小的趋势,并且也都在激发剂掺量为0.3%时达到最大值,说明当粉煤灰掺量为10%～20%时,两种碱性激发剂的最佳掺量为0.3%。此外,当激发剂掺量为0%～0.3%时,随着养护龄期不断增大,粉煤灰基胶结充填体强度的增长速率也逐渐变大,说明激发剂掺量增加更有利于提高粉煤灰基胶结充填体的后期抗压强度。

图7 粉煤灰掺量为15%时粉煤灰基胶结充填体强度与激发剂掺量的关系Fig.7 Relationship between strength of flash-based cemented backfill and content of activator when the content of fly ash is 15%

图8 粉煤灰掺量为20%时粉煤灰基胶结充填体强度与激发剂掺量的关系Fig.8 Relationship between strength of flash-based cemented backfill and content of activator when the content of fly ash is 20%

3.4 激发剂类型对粉煤灰基充填体强度的影响

为揭示激发剂类型对粉煤灰基充填体强度的影响,绘制了不同粉煤灰掺量下的充填体强度与激发剂的类型关系曲线,如图9 至图11 所示。

图9 粉煤灰掺量为10%时不同碱性激发剂下胶结充填体强度对比Fig.9 Strength comparison of cemented backfill under different alkaline activators when fly ash content is 10%

分析图9 可知:当粉煤灰掺量为10%时,不论激发剂为何种类型,充填体的3、7、28 d 抗压强度均随着激发剂掺量增加呈现出先增大后减小趋势,并且在激发剂掺量为0.3%时达到最大值。通过图10、图11可知:当粉煤灰掺量为15%及20%时,无论激发剂为何种类型,充填体的3、7、28 d 抗压强度也均随着激发剂掺量增加呈现出先增大后减小趋势,并且同样在激发剂掺量为0.3%时达到最大值。然而,在不同的养护龄期内,两种激发剂对充填体强度的改善效果表现出显著的差异性。当养护龄期为3 d 且激发剂掺量为0%～0.3%时,两种激发剂对充填体强度的改善效果并无明显差异,说明激发剂类型对充填体3 d 强度无显著性影响。当养护龄期为7 d 及28 d 且激发剂掺量为0%～0.3%时,添加NaOH 的充填体强度明显高于添加Na2SiO3的充填体抗压强度,并且对于28 d 抗压强度的改善效果优势更为突出,说明选择NaOH 作为碱性激发剂具有更好的效果。因此,当粉煤掺量为10%～20%时,可优先选择NaOH 作为碱性激发剂,并且激发剂的临界掺量为0.3%。

图10 粉煤灰掺量为15%时不同碱性激发剂下胶结充填体强度对比Fig.10 Strength comparison of cemented backfill under different alkaline activators when fly ash content is 15%

图11 粉煤灰掺量为20%时不同碱性激发剂下胶结充填体强度对比Fig.11 Strength comparison of cemented backfill under different alkaline activators when fly ash content is 20%

3.5 粉煤灰基充填体的微观结构特征

NaOH 掺量为3%、粉煤灰掺量为15%时,不同养护龄期下的粉煤灰基充填体微观结构特征如图12 所示。由图12 可知:对于球形粉煤灰颗粒,养护时间为3 d 时,在激发剂作用下球体表面出现突破口,开始释放活性物质,例如SiO2和Al2O3。养护时间为7 d时,球体表面已经出现很多个孔口,并且表面有一些水化产物,水化硅酸钙呈现为白色凝胶物质,说明此时粉煤灰中的活性物质大部分已经释放出来,在后期养护过程中参与到水化反应中。在28 d 时,很明显,这些活性物质反应生成大量的凝胶物质,并且看到有针状晶体连接不同的颗粒。从微观电镜扫描图中观察到了水化产物的形成过程,验证了强度增长规律。