泡沫砂浆的研究及充填应用现状

杨蔡君　王小敏　王　浩

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)



泡沫砂浆的研究及充填应用现状

杨蔡君1,2,3王小敏1,2,3王浩1,2,3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

泡沫砂浆充填体因其独特的结构特性,具有特殊的力学性能和使用性能，在矿山充填工程中被广泛应用。综述了泡沫砂浆的研究进展及应用现状，提出了尾矿泡沫砂浆存在的问题及解决措施。

泡沫砂浆研究进展应用现状

近几年来，国家大力提倡建设“绿色矿山”的战略目标，占据采选矿过程中产生的固体废弃物约80%的尾砂和废石的处理，成为矿山急需解决的问题。另外，由于浅部的矿产资源逐渐开采殆尽，世界各国大力发展深部开采技术。采矿充填法不仅能够在确保安全的条件下保护环境，而且能够最大程度的提高矿石回收率，现已成为主流的采矿方法。可是，传统的充填采矿法成本较高，研制新型的充填材料，降低充填成本是现阶段研究的主要方向。泡沫砂浆的研制成功，为采矿充填法带来一种新的工艺和技术，为解决采矿充填法所面对的技术、经济瓶颈，提供了一种新的解决途径[1]。

泡沫砂浆充填体是将混凝土、集料(包括细戈壁集料、细河砂、棒磨砂、粉煤灰、尾砂等)、水、发泡剂形成的泡沫与一定比适的外加剂进行混合，经过物理化学作用，待脱水干燥硬化后形成含有一定空隙比率的、具有一定强度的充填新材料[2]。泡沫砂浆因其特殊的结构特性赋予其优异的物理力学性能和使用性能，其应用前景应十分广阔。

1　尾矿泡沫砂浆的研究进展

1.1掺和料对尾矿泡沫砂浆的性能影响

李百年研究了高掺量粉煤灰泡沫砂浆的性能[3]，结果表明：粉煤灰作细集料，不考虑代替水泥用量的情况下，其用量对泡沫砂浆的强度有一定的影响，但不是很显著。含有较多粉煤灰的砂浆浆体中，可用碱性物质激发其中的活性物质，砂浆强度能得到有效提高。曾珍，张雄研究了在泡沫砂浆中添加EPS颗粒和粉煤灰对泡沫砂浆性能的影响[4]，结果表明：加入适量的EPS颗粒可以优化级配，改善孔的结构；掺入10%左右的粉煤灰不仅可以提高泡沫-EPS保温砂浆的密实度，提高其抗压、抗折强度，且能降低成本，如果掺入的粉煤灰取代水泥量超过10%，就会影响砂浆强度。周小华也对粉煤灰掺量对泡沫砂浆的性能影响进行了研究[5]，其结果表明：掺入粉煤灰可以提高净浆的工作性能，对掺入泡沫有利，但掺入量大于水泥量的20%以后，会影响砂浆的初凝，造成坍塌。除了粉煤灰，于显强将再生建筑垃圾产生的细粉作为掺和料掺入到泡沫砂浆中，以此来研究其性能[6]，结果表明：再生砖粉掺量不宜超过40%，超过40%，泡沫砂浆的强度和软化系数达不到《建筑保温砂浆》要求；再生混凝土粉的掺量为40%时，泡沫砂浆的综合性能最好。

1.2发泡剂及发泡技术的研究进展

目前，我国发泡剂可分为化学发泡剂、物理发泡剂和表面活性剂三大类，而制作泡沫轻质土主要有阴离子表面活性剂，松香皂类发泡剂，动植物蛋白类发泡剂。黄俭才等通过研究这三类发泡剂，对气泡轻质土的性能和微观结构的影响得出结论[7]：阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)、松香皂类发泡剂、动物蛋白类发泡剂中，动物蛋白类发泡剂制备的气泡轻质土的气孔孔径相对较小、气孔形状规整、孔壁较厚，气孔不易破碎，因而形成连通孔的可能性降低，其抗压强度高，吸水率低。李茂辉，高谦，南世卿在泡沫剂对充填材料强度和流变特性的影响方面进行了研究[8]，结果表明：通过强度和流变试验对加入泡沫剂的新型尾砂充填胶结材料砂浆进行分析，发现泡沫剂的适当加入不仅不会降低充填材料强度，反而会提高材料强度，从而在相同条件下，降低了充填体原材料的用量，改善了料浆的流动性。刘佳奇,霍冀川,雷永林等研究了发泡剂的发展趋势[9]，发泡剂在建材上的发展趋势将会朝着高强度、高保坍能力、促使发泡材料具有更高的抗裂性和耐久性的方向发展；以松香热聚物为主体进行的改性研究，为发泡剂研究的主要方向之一，而皂角类、蛋白类发泡剂的改进性研究，也会有良好的发展前景。

1.3外加剂对泡沫砂浆的性能影响

为了满足泡沫砂浆的输入和充填等某些特殊性能的要求，可以在泡沫砂浆中加入各种外加剂。如加入减水剂用来增加泡沫砂浆输送过程中的和易性。

杨志强、王永前、高谦等通过泵送减水剂对充填体强度的研究表明：结合泵送减水剂对充填体强度、膏体和易性以及流变特性影响分析，并考虑膏体充填成本与采矿经济效益，确定1%的泵送减水剂为比较合理的添加量[10]。欧阳仕元、杜向红等为了解决岩溶动水环境条件下解决高浓度尾砂浆输送困难、易离析、结石率低、堵水效果差等问题，在尾砂浆中加入可塑剂，形成一种“果冻”状膏体料浆[11]。结果表明，“果冻”料浆满足了岩溶动水条件下的注浆技术要求。曾珍、张雄在泡沫-EPS保温砂浆中加入了丙烯酸乳液和纤维素醚研究对砂浆性能的影响[4]，试验发现：在泡沫-EPS保温砂浆中，丙烯酸乳液的最佳掺量为6%，小于该掺量时，砂浆的黏聚性和保水性显著提高，当大于该掺量时，砂浆的抗压、抗折强度迅速降低；在泡沫-EPS保温砂浆中加入3%左右的纤维素醚，可使砂浆获得适宜的保水性和稠度，有效提高材料的工作性能，防止砂浆分层。

2　泡沫砂浆充填技术的应用现状

2.1泡沫砂浆的充填技术

泡沫砂浆具有突出的轻质性，易流动性、均衡性、抗离析性等特点，现主要用于充填工程中。陈忠平，翟淑花，高谦等为了将泡沫砂浆充填技术用于现场，首先对国内外关于泡沫充填体的力学特性研究结果进行分析，然后开展了泡沫充填体的试验研究[2]。通过金川三矿区现场充填技术试验：泡沫砂浆充填体具有流动性好、充填接顶率高、脱水率高等特点，能够满足远距离高浓度自流输送。张耀平，苏晓萍，谭伟等通过在某公司三矿区F17以东采场进行试验研究[12]，表明泡沫砂浆在充填过程中表现出了优于常规砂浆充填的轻质性、流动性、均衡性、抗离析性、经济性、接顶率高等特点，与常规砂浆充填费用相比，具有良好的经济效益，泡沫砂浆代替常规砂浆进行充填，是经济可行的。翟淑花，高谦，张梅花等通过充填试验和数值模拟，发现泡沫砂浆能够自流到充填采场, 自流平稳，接顶率高[13]；经过室内及现场取样检测，泡沫砂浆充填体单轴抗压强度达到设计指标；泡沫砂浆因含有泡沫，可以增大充填体体积，提高充填体的流动性和早期强度；泡沫砂浆充填体进入充填采场以后，因其含有泡沫，可造成充填体缝隙，进而造成地表的沉降比常规充填体大，但没有发生地表位移突变的情况，充填效果稳定。田志刚，向军通过室内配比试验和现场的充填试验，建立并应用于生产实践，取得了良好的应用效果[14]。杜向红针对全尾砂矿房充填达不到设计要求和搅拌后容易板结影响生产等问题，通过铅锌分级尾砂泡沫砂浆的各种物理性质的研究，开展了分级尾砂泡沫砂浆的充填试验，提高了充填质量，降低了充填成本[15]。在泡沫砂浆的物理性质研究方面，李冬从损伤理论角度建立了充填体的损伤模型，来对充填体进行能量分析和稳定性研究[1]。

2.2泡沫砂浆充填工艺的发展

近2a由于泡沫砂浆的影响增大，其充填工艺也有了一定程度的发展。杜向红总结了充填工艺流程[15]，大致为骨料制备、骨料运输、配砂、制浆、釆场充填、脱水等。田志刚、向军发明了新型发泡混合装置和砂浆制备系统[14]，发泡混合装置能够根据砂浆的流量调整泡沫流量，确保气泡的含有率，同时能够保证气泡与砂浆充分混合。砂浆制备系统通过对砂、水泥、水用量的精确控制，确保对砂浆灰砂比、浓度及用量的精确控制。

3　存在的问题及解决措施

3.1理论研究方面

(1)对泡沫砂浆的掺合料研究主要集中于粉煤灰、聚苯乙烯等，掺和料的研究较为单一，应充分了解其他掺合料、泡沫砂浆性能的变化，对拓展其应用范围和规模，具有积极的作用。因此，应加大泡沫砂浆掺和料的研究范围，建立组成与性能相关的理论体系，推动其在工程中的应用。

(2)泡沫砂浆的微观结构的研究较少，研究的系统性不够。应加大微观结构的研究力度，改善其物理性能，提高使用范围。

3.2应用方面

(1)虽然泡沫砂浆具有常规砂浆难以比拟的优势，但市场化应用范围较小。应加大泡沫砂浆的市场推广力度，使泡沫砂浆规模化，市场化。

(2)进一步降低采矿充填的技术成本，采用相应的技术措施来提高充填的经济效益。如：采用相应的固化剂来降低水泥用量，节约成本。

(3)随着矿产资源开采逐步向矿床的两侧进行，造成矿床的开采倾角变缓，水平走向距离远，而开采面与充填站的水平走向大，垂直高差小，充填倍线大，从而引起管道输送自流压力小，易堵管等问题，给输送带来很大的困难，影响日常生产。因此，要研发水平输送距离远、垂直高差小的输送系统，以解决管理输送的问题。

[1]李冬.泡沫砂浆在金川矿区的应用研究[D]. 内蒙古：内蒙古农业大学，2010.

[2]陈忠平，翟淑花，高谦,等.泡沫砂浆充填体力学特性及其应用研究[J].金属矿山，2010(8)：7-10.

[3]李百年.高掺量粉煤灰泡沫砂浆性能研究[J]. 山西建筑，2011(5)：103-104.

[4]曾珍,张雄.泡沫-EPS保温砂浆的最佳配比及其性能研究[J]. 新型建筑材料，2005(12)：18-21.

[5]周小华.承重保温型复合墙体的保温与应用[D]. 广东：华南理工大学，2011.

[6]于显强.建筑垃圾再生细粉用于保温砂浆的研究[D].北京：北京建筑大学，2014.

[7]黄俭才,徐浩,朱洁,等.发泡剂对气泡轻质土的性能和微观结构影响研究[J]. 新型建筑材料，2005(12)：18-21.

[8]李茂辉,高谦,南世卿.泡沫剂对充填胶结材料强度和流变特性的影响[J]. 金属矿山，2012(9)：43-47.

[9]刘佳奇,霍冀川,雷永林,等.发泡剂及泡沫混凝土的研究进展[J]. 化学工业与工程，2010(1)：73-78.

[10]杨志强,王永前,高谦,等.泵送减水剂对尾砂棒磨砂膏体料浆和易性与充填体强度影响研究[J]. 福州大学学报，2015(2)：129-134.

[11]欧阳仕元,杜向红.用于岩溶动水注浆的泡沫尾砂浆试验研究[J]. 有色金属，2015(5)：53-56.

[12]张耀平，苏晓萍，谭伟,等.泡沫砂浆充填体的应用价值研究[J].金属矿山，2013(10)：40-42.

[13]翟淑花，高谦，张梅花,等.高强轻质泡沫砂浆充填体在矿山的应用研究[J].IM&P化工矿物与加工，2010(12)：30-34.

[14]田志刚，向军.泡沫砂浆新材料充填技术工艺研究及应用[J].采矿技术，2015(3)：34-38.

[15]杜向红.铅锌矿尾砂综合回收与利用[D].长沙：中南大学，2012.

2016-03-10)

杨蔡君(1980—)，男，工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。