高沙充填材料的输送性能研究

陈 杰，梁杨芝，王 俊，褚运凯

(西安科技大学材料科学与工程学院，西安 710054)

0 引 言

我国西部神东煤田煤炭储量丰富，主要开采浅部煤层，大规模高强度开采对生态环境构成严重威胁。条带充填保水开采技术是解决煤矿开采地表生态环境问题的有效途径[1]。据统计，充填成本占采矿成本的1/3左右，充填成本中充填材料又占80%以上[2]。近年来，国内外广泛采用工业固体废弃物部分替代水泥和骨料的高浓度全尾砂胶结充填材料[3]、高水速凝充填材料[4]、拟膏体[5]和膏体充填材料[6-7]等，大大降低了充填材料成本。但是，西部大型矿区开采强度高，充填量巨大；采用机械化开采，矸石不上井，煤矸石等工业废弃物比例小，难以有效解决充填材料来源问题。充填材料的成本主要来源于骨料和胶结剂，榆神府矿区地处毛乌素沙漠边缘，风积沙资源丰富，价格低廉，采用风积沙作为充填材料的骨料可大幅度降低充填材料成本。高沙充填材料的研究对于降低充填材料成本，实现环境友好开采，具有重要的实践意义[8-9]。

为了降低充填材料的费用，因此需要减少胶结剂的用量，增加风积沙骨料含量。骨料的增加会增大料浆在管道输送的阻力，必然带来流动性的下降[10-11]，所以高浓度风积沙做为充填材料的输送性能是需要研究的重要性质之一。高沙充填材料输送性能的研究对于对充填系统的优化、提高输送效果、降低输送成本具有重要意义。通过研究质量浓度、灰沙比、粉煤灰掺量等参数对高沙充填料浆的凝结时间、泌水率和流动性等输送性能的影响规律，研究其作用机理，给出合理的配比。

1 实 验

1.1 实验原料

P·P 32.5火山灰质水泥(陕西尧柏水泥有限股份公司)；聚羧酸高效减水剂(山东济南)；葡萄糖酸钠缓凝剂(江苏)；一级粉煤灰(河南四通化有限公司)，其需水量比92%，D50=12.34 μm；风积沙(榆林)，堆积密度1.62 g/cm3，振实密度1.89 g/cm3，细度模数1.2，含泥量2.27%，D50=496 μm。粉煤灰和风积沙的化学组成如表1所示。

表1 粉煤灰及风积沙的化学成分Table 1 Chemical composition of fly ash and aeolian sand /wt%

1.2 实验方法

将各原料按照一定的质量比进行配料、混合、搅拌。坍落度、泌水率测试根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)检测。初凝时间根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346)检测。

2 结果与讨论

充填料浆输送性能指标包含流动性、泌水率、初凝时间。流动性用充填料浆的坍落度来表征。条带充填保水开采对充填材料输送性能的要求是：坍落度大于18 cm，静置泌水率不超过3%，泵送时间不小于2～4 h[12]。

2.1 坍落度

坍落度是表征料浆流动性的重要参数，图1为不同灰沙比下质量浓度对坍落度的影响规律，可以看出，在粉煤灰掺量和灰沙比一定的条件下，随着料浆质量浓度的增大，坍落度逐渐的减小，流动性能变差。这是因为随着料浆质量浓度的增大，固相量增加，风积沙颗粒细，比表面积增大，包裹风积沙的水泥浆相对减少，导致流动性变差。

图1 质量浓度对坍落度的影响规律
Fig.1 Effect of different mass concentrations on slump

图2 风积沙的SEM图
Fig.2 SEM image of aeolian sand

表2为不同灰沙比下满足料浆流动所需坍落度(18 cm)所需要的最大质量浓度。可以看出，随着风积沙掺量的增加，料浆浓度的最大值逐渐减小。这主要与风积沙的形貌和细度有关，风积沙属于超细沙(细度模数1.2)，颗粒比表面积大，胶结料不足，不能保证沙颗粒间有足够的料浆填充润滑，颗粒间的摩擦阻力增大，流动性变小。此外，由风积沙的SEM图(图2)可以看出风积沙颗粒大小虽然比较均匀，但是其形状不规则，棱角状居多，这是不利于促进高沙充填材料的流动性的[13]。

表2 不同灰沙比下满足料浆流动坍落度的最大质量浓度Table 2 Maximum mass concentration that satisfies the slump of slurry flow at different ash-sand ratios

2.2 泌水率

泌水率是胶凝材料在浇注捣实以后凝结以前，从外观看表面析出水分的一种现象，泌水率太高会导致料浆分层，流动性能变差，胶凝材料流失，这不利于对料浆输送时间的调控。图3为不同灰沙比下质量浓度对泌水率的影响规律。以灰沙比为1∶16的一组为例，质量浓度从80%提高到88%时，所配置的料浆的含水量降低了45.5%，但是它的泌水率从原来的40.7%降低到了19.4%，泌水率的变化非常明显。这是由于水泥和粉煤灰的颗粒粒径小于风积沙的颗粒粒径，质量浓度增加，较小的水泥和粉煤灰填充了风积沙骨料之间的空隙，降低了骨料之间的孔隙率，其次，粉煤灰具有部分的多空隙无定型碳的存在，具有吸附自由水的效果，因此导致充填材料的泌水率下降。从图3可以看出泌水率最低为10.3%，无法达到3%充填泌水率的要求，需采用减水剂对泌水率进行改善。

图3 质量浓度对泌水率的影响规律
Fig.3 Effect of mass concentration on bleeding rate

图4 灰沙比对泌水率的影响规律
Fig.4 Effect of ash-sand ratios on bleeding rate

图4为灰沙比对泌水率的影响规律。从图中可以看出，相同质量浓度下，随着沙掺量的增加，泌水率逐渐增大。这是因为风积沙表面虽有少量孔隙，水可以进入其颗粒的内部，但其保水能力很差，所以随着沙量的增大，高沙充填材料的料浆的泌水率也随之增大。且随着风积沙含量的不断变化，泌水率增加速率也在不断变化，风积沙含量较低时，泌水率增加速率较慢，风积沙含量较高时，泌水率增加速率较快。这是因为随着风积沙含量的增大，矿物掺合料粉煤灰的量在不断减少，粉煤灰具有一定的保水性，但随着其含量的减少，保水性不断变弱。同时由于细颗粒风积沙的大量增加，其比表面积也随之增大，由于其吸水能力较差，所以随着风积沙掺量的增大，泌水率增大。泌水率均未达到充填开采对3%的泌水率要求，需要进一步通过减水剂来调控。

减水剂是调节混凝土拌合物流动性的外加剂，在保持工作性不变的条件下可以减少用水量，从而达到提高混凝土强度的一种外加剂。一般减水剂用量为胶凝材料的1%～2%。高效减水剂在0.5%左右。研究采用了聚羧酸高效减水剂，研究不同灰沙比下质量浓度为85%配比的坍落度和泌水率，减水剂加入量为胶凝材料的0.1%～0.5%

从图5可以看出，加入减水剂后，料浆的泌水率均都有明显的降低，以灰沙比1∶8为例，加入0.1%～0.5%的减水剂后，泌水率由13.6%降低到了1.8%，这是由于减水剂有极性很强的亲水基团，易与水分子以氢键结合，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，有利于水泥颗粒的滑动，使拌合物的流动性进一步提高所以在拌合物流动性一定的情况下，随着减水剂的加入可以大大减少用水量从而达到降低泌水率的效果[13]。

从图6中可以看出在确定某一个灰沙比的条件下，随着减水剂加入量的增加，坍落度呈现出先减小后逐渐增大的趋势。减水剂的最佳加入量在0.3%～0.4%之间，超过这个最佳加入量坍落度增加趋缓。加入0.3%含量的减水剂后可以使灰沙比为1∶8的质量浓度为85%的料浆同时满足泌水率低至3%和坍落度达到18.0～22.0 cm这两个要求。

图5 减水剂对泌水率的影响规律
Fig.5 Effect of water reducing agent on bleeding rate

图6 减水剂对坍落度影响规律
Fig.6 Effect of water reducing agent on slump

2.3 初凝时间

充填材料初凝时间对料浆在管道中的输送与施工具有重要的参考作用。水泥∶粉煤灰∶沙子为1∶2∶12时，质量浓度对高沙充填材料的初凝时间影响如图7所示。可以看出[13]，随着质量浓度的增大，充填材料的初凝时间逐渐变短，这主要是因为水泥在加水拌和后会发生水化反应。在单位体积的充填材料中，随着质量浓度的增加，单位充填材料中用水量降低，水泥熟料在水中的浓度相对较高，在较短时间内熟料水化反应产物在浆体中累计到一定程度，使浆体达到一定的密实度，从而使初凝时间变短。

图7 质量浓度对充填材料初凝时间的影响规律
Fig.7 Effect of mass concentration on initial setting time of filling material

图8 灰沙比对充填材料初凝时间的影响规律
Fig.8 Effect of ash-sand ratio on initial setting time of filling material

水泥与粉煤灰比为1∶2，质量浓度为85%时，灰沙比对高沙充填材料的初凝时间影响如图8所示，可以看出，随着沙子掺量的增加，充填材料的初凝时间逐渐减少。灰沙比由1∶8增加到1∶16时，初凝时间缩短了一半，可以看出，风积沙掺量对初凝时间的影响效果非常明显。这是由于随着风积沙掺量增加，导致料浆分层严重，沙子沉降。料浆中胶凝材料的量相对减少，胶凝材料无法全部充填沙子间的空隙，上层的胶凝材料与上层水分充分接触，水化反应强烈，导致初凝时间的缩短，无法达到充填要求，因此需要加缓凝剂调节初凝的时间。

缓凝剂由于具有表面活性，能在胶结料颗粒的固液界面吸附，改变了胶结料颗粒表面的亲水性，形成一层可抑制水泥水化的缓凝剂膜层，从而有效改善料浆的流动性，并降低其经时损失，延长凝结时间[14]。以灰沙比1∶8，质量浓度85%为例，葡萄糖酸钠缓凝剂的掺入量为0.03%～0.11%，由图9可以看出初凝时间随缓凝剂掺量的增大而延长，缓凝剂掺量在0.05%～0.09%范围内缓凝效果最明显，且掺量为0.07%时即可达到凝结时间要求。

图9 缓凝剂对充填材料初凝时间的影响规律
Fig.9 Effect of retarder on initial setting time of filling material

3 结 论

(1)满足充填料浆自流输送性能要求的高沙充填材料配比:灰沙比1∶8，质量浓度85%，聚羧酸高效减水剂0.3%～0.4%，缓凝剂0.07%；

(2)随着料浆质量浓度增大，泌水率下降，初凝时间减小。风积沙掺量增加，料浆流动性变差，初凝时间逐渐减小，泌水率增加；

(3)减水剂的加入使得泌水率得到大幅度的下降，坍落度显著改善。缓凝剂的加入有效延长了充填料浆的凝结时间，有利于长距离管道输送，缓凝剂掺量在0.05%～0.09%范围内缓凝效果明显。