矿渣粉掺量对高水材料物理力学性能的影响研究

吴美苏 刘长武(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065))

高水材料是以铝矾土、石灰和石膏等为原料，经磨细、均化等工艺制成甲、乙两料，并由甲、乙两料混和凝固而形成的高含水结石体[1]。高水材料作为一种新型矿山充填材料，具有高含水、可泵性好和速凝等特点，其充填效果明显优于普通胶结材料充填体，因能有效提高资源的回收率而被广泛应用于煤矿采空区的充填[2-3]。

自高水材料问世以来，关于其组成[4]、宏观力学性能和微观结构的研究者众多[5]，近来又出现了关于掺入粉煤灰和黏土等[6-7]对高水材料进行改性及二次改性的研究。针对目前传统的高水材料成本较高、强度较低的问题，冯光明、Li Hongjie等[8-9]研究了水体积分数高达97%的超高水材料，虽然充填成本有所降低，但充填体强度亦有所下降。

矿渣是矿石选冶过程中产生的废料，含有一定量的活性成分。我国每年产出矿渣高达数亿吨，这些矿渣的开发利用，对减少土地占用和环境污染具有重要意义。目前，已有研究者利用矿渣粉的微集料效应和形态效应将其掺入水泥中，以改善水泥的性能[10]。本研究将具有活性的碱性矿渣粉掺入高水材料中，力图实现固体废弃物的有效利用，并改善高水材料的力学性能，降低矿山充填成本，实现矿山的绿色、经济开采。

1 试验原料与试验方法

高水材料由A料、A-A料、B料和B-B料组成，将A料和A-A料的混合浆液称为甲料，B料和B-B料的混合浆液称为乙料；矿渣粉购于巩义市元亨净水材料厂，主要化学成分有CaO(37.95%)、SiO2(31.90%)、Al2O3(9.10%)、Fe2O3(3.42%)、MgO(8.52%)，属碱性矿渣粉，具有活性。

高水材料试件制备按照《水利水电工程岩石试验规范》进行，全过程包括原料称量、加水混合、入模、脱模以及养护编号等环节，以矿渣粉和高水材料的质量比为5%、10%、15%和20%掺入矿渣粉。高水材料试件制备的水灰比为6∶1，所制备试件的径高比为1∶2(φ50 mm×100 mm)，将试件放在温度为20±2 ℃的纯水环境中养护7 d(确保试件完全淹没在水中，以防止试件在空气中风化)，试件配比见表1。

表1 试样配比表Table 1 Mixing ratio of the sample

2 试验结果与分析

2.1 掺矿渣粉对高水材料物理参数影响分析

2.1.1 矿渣粉对初凝时间的影响

以高水材料甲、乙浆液及矿渣粉混合均匀为初凝起始时间，以混合浆液失去塑性流动为初凝完成时间，不同掺量矿渣粉高水材料料浆初凝时间见表2。

表2 试样初凝时间表Table 2 Initial setting time of the sample

从表2可看出，与水泥等普通胶结材料相比，高水材料具有速凝性(普通水泥的初凝时间不低于45 min)，初凝时间随矿渣粉掺量的增加而缩短，且都小于纯高水材料初凝时间，故而矿渣粉的掺入提高了高水材料的速凝性。这是由于矿渣粉中氧化钙含量较高，水化放出大量的热，促进水化反应的进行，因而缩短了高水材料的初凝时间。

2.1.2 矿渣粉对含水率的影响

由甲、乙浆液混合制备的高水材料试件的主要水化产物为钙矾石晶体，分子式为3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，其结构分子中含有大量结晶水，孔隙结构中亦含有大量自由水，含水率对高水材料力学变形性质有着重要的影响。内部孔隙越少，含水率越低，其变形越小。

测定试件含水率的变化，有利于分析力学性质变化。采用烘干法计算试件的含水率。试验将烘干温度设置为108 ℃，烘干试件至2次称量结果一致。需要说明的是此处测定的是孔隙中自由水的含水率，结晶水性质相对较稳定，108 ℃下结晶水呈稳定状态，存在于晶体分子中。矿渣粉掺量对高水材料试件含水率的影响见表3。

表3 含水率变化情况Table 3 Water content of the sample

由表3可看出，随着矿渣粉掺量的增加，高水材料试件含水率小幅下降，这说明矿渣粉作为一种小粒径材料，掺入高水材料中填充了结构的部分孔隙，置换出孔隙中的自由水，使自由水含量降低，大孔隙结构减少，增加了结构的密实性，且随着矿渣粉掺量的增加，置换出的孔隙水增加，含水率逐渐降低。

2.1.3 矿渣粉对容重的影响

本试验测定的是7 d养护龄期试件的容重，根据式(1)计算试件容重。试件容重与矿渣粉掺量的关系见表4。

(1)

式中，γ为试件容重，N/cm3；M为试件质量，g；d为试件直径，mm；h为试件高度，mm。

由表4知，随着矿渣粉掺量的增加,高水材料试件的容重增大，当掺量超过10%以后，容重增幅微弱。这是因为矿渣粉填充在孔隙结构中，增加了结构密实度，在宏观上表现为试件容重增大，但当掺量达到一定值后，结构中的大孔隙已被完全填充，多余的矿渣粉只能填充在微小孔隙中，且矿渣粉与高水材料甲、乙料之间发生复杂的水化反应，消耗了部分矿渣粉，使试件容重总体上增加不大。

表4 试件容重变化表Table 4 Unit weight of the sample

2.2 矿渣粉对试件微观结构的影响

为探究掺矿渣粉对高水材料试件微观结构的影响，采用四川大学分析测试中心的SEM扫描电镜对高水材料试件的微观结构进行了分析，有利于后续从微观层面解释高水材料试件力学性质的变化机理。根据高水材料试件水化机理可知，甲、乙浆液混合后立即发生水化反应，生成大量的钙矾石晶体，原料中的CaO作为矿渣粉的碱性激发剂，与矿渣粉反应生成绒球状的水化硅酸钙凝胶，分布于晶体结构和孔隙之间，钙矾石晶体及绒球状水化硅酸钙凝胶在空间上相互交错搭接形成高水材料试件独特的空间网状结构。纯高水材料试件及掺量为10%和20%矿渣粉的高水材料试件的微观结构见图1～图3。

图1 纯高水材料试件的SEM图片Fig.1 SEM of pure high-water material

对比图1～图3可知，掺入矿渣粉的高水材料试件基本晶体空间结构未改变，但促进了高水材料试件的水化，生成了更多的钙矾石晶体，同时促进了水化硅酸钙凝胶的生成。纯高水材料试件水化反应生成的钙矾石晶体形貌以短棒状、针状为主，晶体直径较小，大孔隙分布较多；矿渣粉的掺入使大直径晶体数量增加，绒球状的水化硅酸钙凝胶增加，晶体形貌由短棒状发展为细长的针棒状、枝网状，晶体分叉现象明显。在矿渣粉掺量为20%时，绒球状的水化硅酸钙凝胶附着在钙矾石晶体之间，包裹着钙矾石晶体，形态更为明显。针棒状及枝网状的晶体更有利于形成交错搭接的网状结构，未反应完的残留物质及水化生成的硅酸钙凝胶填充在钙矾石晶体结构孔隙中，减小了大孔隙的分布，增加了空间结构的致密性，提高了晶体之间的搭接强度。这说明了高水材料试件微观结构的改变在宏观上表现为力学性质的改善，从微观上解释了高水材料试件力学性能的变化机理。

图2 掺10%矿渣粉的高水材料试件的SEM图片Fig.2 SEM of high-water material mixed with 10% slag powder

图3 掺20%矿渣粉的高水材料试件的SEM图片Fig.3 SEM of high-water material mixed with 20% slag powder

2.3 掺矿渣粉对高水材料试件力学性质的影响

为探究矿渣粉的掺入对高水材料试件力学性能的影响，采用四川大学微机控制电子万能试验机对养护好的试件进行单轴抗压强度试验，对高水材料试件变形特点及强度变化进行分析，试验加载速率为3 mm/min。

2.3.1 应力—应变关系分析

试件的应力—应变关系曲线定性地反应了试件在加载过程中的变形特点，不同掺量矿渣粉的高水材料试件的应力—应变关系曲线见图4。

图4 应力—应变关系曲线Fig.4 Stress-strain curves of the sample

图4表明，掺入矿渣粉的高水材料试件与纯高水材料试件具有相似的应力—应变关系，均经历了孔隙压密、弹性变形、屈服变形、应变平稳发展以及试件破坏5个阶段。分析高水材料变形过程可知，较脆性岩石而言，高水材料塑性较大，试件承载力达峰值后，应力没有立即减小，而是出现一个水平段，且高水材料试件残余强度可达峰值强度的30%～70%，使高水材料试件在破坏后仍具有相对较高的承载力，这也进一步说明高水材料适合做矿山采空区充填材料。

2.3.2 强度变化分析

高水材料试件的应力—应变关系曲线定性地反映了高水材料具有相似的变形过程，但掺量的不同，试件也呈现着不同的强度特点。试件的峰值抗压强度代表了试件的最大承载力，而残余强度则体现了试件在达到峰值强度以后的承载力大小，高水材料作为采空区充填材料，直接与采空区上覆岩层接触作用，研究峰值承载强度和残余强度的变化规律对其稳定性具有重要意义。矿渣粉掺量对高水材料峰值强度和残余强度的影响规律见表5。

从表5可知，随着矿渣粉掺量的增加，试件的峰值强度和残余强度均先减小后增大，掺量为20%时，峰值强度和残余强度均达到最大值，与纯高水材料试件相比，峰值强度和残余强度分别增加了13.33%和84.62%。但在矿渣粉掺量为10%时，高水材料试件的峰值强度和残余强度均达到最小，不利于材料强度的发展。因此，在工程应用中，应避免使用10%掺量这一不利配比。

表5 不同掺量矿渣粉高水材料强度对比表Table 5 Compressive strength of the sample mixed with different content slag powder

与纯高水材料试件的SEM图片比较，掺10%矿渣粉的试件的微观结构中，虽然钙矾石晶体数量增加，大直径晶体也有所增加，但晶体形貌发展为细长的针棒状，且晶体多向一个方向生长发育，细长的针棒状减小了材料的刚度，使试件在相同的受力状态下更容易折断破坏，且生长方向的有序化不利于形成空间网状结构，导致10%掺量矿渣粉高水材料试件的承载力低于纯高水材料试件和其他掺量的试件；而掺入20%矿渣粉的高水材料试件，钙矾石晶体发育茂盛，且水化生成的大量硅酸钙凝胶充填于结构孔隙及晶体之间，增加了晶体结构的致密性，在宏观上表现为抗压强度的提高。综合以上可知，高水材料宏观力学性质的变化是微观结构改变的结果，且受晶体发育形貌、直径、发育方向、水化硅酸钙凝胶数量以及空间结构的致密性等多因素控制，但以晶体结构的致密状态为主导作用。

3 抗压强度相关关系分析

3.1 含水率与抗压强度相关关系分析

利用二次回归方程得出高水材料试件含水率与抗压强度的相关关系曲线见图5。

图5 含水率与抗压强度的相关关系曲线Fig.5 Water content and compressive strength′s correlation relationship curve

由图5可知，含水率与抗压强度之间具有高度二次相关性，R2=0.9833，且在含水率为82.67%时，抗压强度达最小值，而掺10%矿渣粉的高水材料试件的含水率为82.20%，靠近曲线最低点，在宏观上表现为抗压强度最低。在工程应用中应考虑含水率对材料强度发展的影响，选用合适的水灰比进行充填。

3.2 容重与抗压强度相关关系分析

容重在宏观上反映了试件的密实状态，根据容重与抗压强度的相关关系拟合的曲线见图6。

图6 容重与抗压强度相关关系曲线Fig.6 Unit weight and compressive strength′s correlation relationship curve

图6表明，容重与抗压强度具有较好的二次相关关系，其R2=0.8436，且在容重为11.05 N/cm3时，峰值抗压强度达最小值，而掺10%矿渣粉的高水材料试件的容重为11.08 N/cm3，接近拟合曲线最低点，其峰值强度在掺量范围内达最低值。因此，在实际工程应用中，应充分振捣料浆，排除料浆间的气泡，使制得的充填体料浆更密实，从而提高材料的抗压承载力。

4 结论与展望

(1)随着矿渣粉掺量的增加，初凝时间缩短，试件含水率逐渐减小，容重值逐渐增大；含水率与峰值抗压强度及容重与峰值抗压强度均具有较好的二次相关关系，其相关系数分别为0.983 3和0.843 6。

(2)掺入矿渣粉改变了高水材料试件晶体的微观结构，促进了晶体的生长发育，且掺入20%矿渣粉促进了大量水化硅酸钙的生成，增加了晶体空间结构的密实性，在宏观上表现为力学性能的提高。

(3)在试验掺量范围内，掺20%矿渣粉的高水材料试件能有效提高峰值抗压强度和残余强度，与纯高水材料相比，其增幅分别为13.33%和84.62%。但掺10%矿渣粉的高水材料试件的峰值抗压强度和残余强度在试验掺量范围内均达最小值，不利于填充体的稳定，在实际工程应用中应避免采用此掺量配比。

(4)本试验只探究了掺入0～20%矿渣粉对高水材料充填体的物理力学性质，后续应探究矿渣粉更高掺量对高水材料充填体物理力学性质的影响，并加强理论创新研究。

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