碱对掺杂油页岩灰渣高水充填材料性能的影响研究

李虎威 齐琦

摘要：高水材料在煤炭充填开采中得到一定的应用，但其较高的价格制约了其大范围的应用。本文采用NaOH对工业废料油页岩灰渣进行改性研究，探索适合改性高水充填材料的碱用量。试验结果表明：在油页岩灰渣掺量为40%水灰比为1：1和NaOH含量为0.4%时掺杂油页岩灰渣高水充填材料的强度较大。此外，可以通过调整PH值可以实现对油页岩灰渣高水材料的凝结性能调整，降低充填成本具有重要的工程应用价值。

关键词：高水充填材料;NaOH含量;抗压强度;充填成本

中图分类号：TQ172          文献标识码：A

高水速凝固结材料（简称高水材料）作为一种新型水硬性胶凝材料以其高水灰比、早强、速凝等技术优点，在矿上开采，特别是煤矿充填开采方面得到成功应用。与传统的水泥基材料相比，高水材料成本相对较高，制约了其在煤矿充填开采过程中的大范围应用。近年来，采用具有活性成分的工业废料替代高水材料中的部分成分正逐步引起重视。相关研究结果表明：在保持高水材料基本物理力学性能相对稳定的条件下，采用工业废料部分替代高水材料主要成分，不仅对降低充填成本、进一步扩大高水材料的推广应用具有重要的意义。而且，通过可以实现工业废料的有效应用，对发展循环经济、延长企业生产链具有重要的作用[1]。

本文提出采用油页岩灰渣作为高水材料替代成分，研发掺杂油页岩灰渣的新型高水充填材料。尽管可以采用具有活性成分的工业废料替代部分高水材料，但随着掺量的增加，高水材料原有力学性质，特别是单轴压缩强度呈现显著变化。与工业废料主要成分、配合比等影响因素相比，pH对于高水材料的固结影响作用最为明显[2]。

1 实验

1.1 原材料

本实验主要包括工业废料油页岩灰渣和高水充填材料组成。实验所用油页岩灰渣（OSA）由新疆某油页岩矿提供，主要成分SiO2占60%左右，Al2O3占20%左右，其他Fe2O3、MgO、CaO、SO3等占20%左右。

高水材料由甲料、乙料、甲添和乙添组成。甲料[硫铝酸盐水泥（SAC）]产地为江苏某特种水泥厂，主要成分为Al2O3、CaO，还有少量的SiO3、SiO2，表1给出了甲料主要原材料的化学成分;乙料（石膏、石灰）由江苏某厂提供;甲添和乙添由江苏某厂提供，主要用作添加剂，控制高水材料的固结特性。

1.2 试样制备

控制甲料（乙料）：甲添（乙添）为10的质量比，按照甲、乙料质量比为1的原则分别称重适量样品和纯净水，按照表2所示的质量比进行配置。其中，固定油页岩灰渣分别替代甲料、乙料0%和40%，制备NaOH浓度变化（0，0.1%，0.2%，0.4%和0.6%）时的标准试样。

按照图1所示的工艺流程，将制备的标准试件脱模后放入湿度50%、温度20 ℃的养护室中养护至测试当日。

2 结果与讨论

2.1 不同NaOH含量对新型高水材料单轴抗压强度的影响

由图2可以看出，在相同水灰比的条件下，随着NaOH含量的增加，改性高水充填材料的单轴抗压强度呈现上升趋势。当油页岩灰渣掺量为40%，水灰比为1：1时候，采用0.4%的NaOH含量可以获得最高的单轴抗压强度。结果表明，NaOH含量与改性高水充填材料强度之间具有正向关联作用，在实际配置改性高水材料过程中可以考虑控制NaOH含量的方法获取合适的单轴抗压强度[3]。

2.2 不同NaOH含量对新型高水材料微观结构发育的影响

图3为油页岩灰渣高水材料在不同NaOH含量的碱性（0.1%、0.2%、0.4%、0.6%）溶液条件下固结产物的微观结构。通过扫描电子显微镜下的微观结构图可以看出，随着NaOH含量的增加，生成产物中钙矾石的数量显著增多。由于钙矾石的存在是高水材料早强性能的主要原因，因此可以认为通过调节NaOH含量，可以获取实际工程所需的早期强度。

同时，图3a所示为掺杂油页岩灰渣高水材料反应的产物的形貌，可以看出有少量结晶良好的钙矾石柱状晶体生成，但是油页岩灰渣本身没有参与化学反应，钙矾石晶体主要由高水材料生成。随着NaOH的使用，溶液的碱性显著增强，油页岩灰渣中的活性成分在碱性环境下与高水材料发生化学反应，更多的钙矾石出现（图3b、图3c）。当反应溶液碱度过高时（图3d），由于溶液容易吸附空气中的CO2，与生成的钙矾石产生化学反应，形成水化碳铝酸钙，原有的晶状结构遭到破坏。

3 结论

（1）碱对掺杂油页岩灰渣高水充填材料的相互反应有促进作用，随着反应溶液碱度的提高，改性高水材料的单轴抗压强度呈现上升趋势，当NaOH含量在0.4%左右时，油页岩灰渣高水材料抗压强度较高。

（2）不同NaOH含量對掺杂油页岩灰渣高水材料微观结构变化产生影响，碱性环境加剧了油页岩灰渣活性成分与高水材料有效成分的化学反应，其主要生成产物钙矾石的数量和形态均发生较大变化。因此，可以通过改变NaOH含量调节改性高水材料的早期强度。

参考文献

[1] 谭丽泉，胡相红，余梅，等.油页岩灰渣的应用研究进展[J].化学工程师，2016（10）：44-47.

[2] 季桂娟，杨春明，甘树才，等.利用油页岩灰渣制备通用硅酸盐水泥[J].化学工程师，2012（7）：1173-1178.

[3] 张立栋，刘洪鹏，贾春霞，等.我国油页岩综合利用相关研究进展[J].化工进展，2012（11）：6-10.