建筑垃圾再生骨料对矿山充填膏体输送性能影响的试验研究

刘 音，郭亚兰，李 浩，王昊宇

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

近年来，我国固体废弃物产生量持续增长，仅建筑垃圾每年就产生十几亿吨[1-2]。建筑垃圾的大量堆放不仅会降低土壤质量及土壤生产能力，影响空气质量、危害人体健康，而且建筑垃圾在长期堆放过程中还会造成有害物质渗入地下水域，污染地下水体[3]。

建筑垃圾的再生利用，是当今世界众多国家研究发展的技术追求和可持续发展的战略目标之一，日本、美国、德国、欧盟和韩国等国家均有一定的研究成果，早在上个世纪80年代荷兰就制定了有关利用再生混凝土骨料制备素混凝土、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的规范[4-5]。我国对于建筑垃圾再生骨料的研究已经开展了一段时间，尤其在充填开采方面，为更高效地将建筑垃圾再生骨料利用起来，已有学者进行了一些相关研究和实践。姜明洋等[6-8]采用正交试验手段对城区废旧建筑垃圾充填膏体的配合比进行了研究，得出建筑垃圾充填膏体可以避免煤矸石骨料遇水膨胀的缺点，且在满足塌落度要求的前提下建筑垃圾充填膏体质量浓度越大，其充填效果越好。韩宇峰等[9-10]以建筑垃圾再生骨料、煤矸石、水泥、粉煤灰为原料制备矿山充填膏体，通过测试不同材料配比的膏体流动性、泌水率及抗压强度，得出建筑垃圾再生骨料充填膏体相比于煤矸石充填膏体泌水率降低，流动性能变差，且抗压强度增加。冯国瑞等[11-13]利用混凝土粗骨料代替煤矸石制备充填膏体，通过实验分析出废弃混凝土粗骨料替代矸石量的合理范围。刘音等[14]对建筑垃圾再生骨料充填膏体对地下水环境造成的影响进行了试验研究，建筑垃圾作为充填骨料充填于采空区，由于固化作用重金属离子不会对地下水环境造成影响；山东级索煤矿以废弃混凝土作为充填骨料运用于充填开采，取得较好的经济效益和环境效益。上述研究大都为针对一种建筑垃圾进行的独立研究，但是建筑垃圾分类较多，对不同类型的建筑垃圾用作充填骨料的合理优选性探究鲜有报道；其次在矿山膏体充填过程中，高浓度充填膏体会造成管道堵塞，膏体浓度过低会牺牲充填强度，更低浓度的膏体由于颗粒沉降易导致管道堵塞[15-17]，而目前对于建筑垃圾再生骨料充填膏体的输送性能方面的研究仍处于初步探索阶段。

膏体充填料浆在管道中的输送性能是其在泵送过程中的工作性，即流动性、可塑性和稳定性，这一点与泵送混凝土的特性是一致的。一般情况下衡量膏体充填材料可泵性指标主要有初凝和终凝时间、塌落度、泌水率、分层度及颗粒级配。塌落度是膏体材料输送性能的一个最重要的参考指标，因其便于操作、切实可行而被广泛采用。塌落度的大小在直观上反映了膏体料浆的流动能力和摩擦阻力的大小，煤矿膏体充填材料的塌落度一般控制在18～24 cm，并在此范围内寻找最佳泌水率、分层度等指标。泌水率是指在指定的时间范围内，膏体料浆上层泌出的水分占膏体总质量的百分比。泌水率是测定膏体保水性能的重要指标，泌水率大，膏体料浆的保水性能较差，水分容易在膏体表面析出，影响料浆的和易性，在煤矿膏体充填中一般要求静置泌水率不大于2.5%。分层度在膏体试验中一般指骨料下沉水分上升的一种现象，是由建筑学领域中转变过来的一个技术指标，被最先运用于金属矿的膏体充填中。分层是一种不可避免的客观现象，但是分层度过大会产生离析，严重的话会导致堵管事故，对井下造成重大的经济损失。在配制膏体材料的过程中一定要注意分层度的控制，根据实践经验表明，分层度宜不超过2 cm[18]。

本研究采集废弃路面混凝土、城区废旧建筑物、建筑工地废弃物三种来源的建筑垃圾再生骨料制备充填膏体，首先测试三种建筑垃圾的表观密度、堆积密度、吸水率、压碎指标及针片状颗粒含量；依据矿上要求进行试验，然后分别测试三种不同建筑垃圾充填膏体的塌落度、分层度和泌水率，确定适合矿山充填膏体的最佳建筑垃圾类型；最后采用单因素试验分析方法，通过改变充填膏体的质量浓度、固相比，探究对充填膏体输送性能的影响，寻求使建筑工地废弃物充填膏体输送性能达到最佳的质量浓度和固相比。

1 实验材料及方法

1.1 试验原材料

水泥(32.5#)来自山东山水水泥集团有限公司；粗粉煤灰(Ⅲ级)取自山东省济宁市岱庄煤矿电厂，外观呈灰褐色[14]，其主要化学成分和物理性能如表1。建筑垃圾取自废弃路面混凝土、城区废旧建筑物、建筑工地废弃物。分类后进行破碎，将建筑垃圾破碎成粒径在25 mm以下的再生骨料，选用粒径5～25 mm的骨料为制备充填膏体骨料。不同骨料的来源及基本特征见表2。

表1 粉煤灰的化学成分及物理性能Tab. 1 Chemical composition and physical properties of fly ash

表2 不同骨料的来源及基本特征Tab. 2 Source and basic characteristics of different aggregates

1.2 试验方案

方案1 测试废弃路面混凝土、城区废旧建筑物、建筑工地废弃物的表观密度、堆积密度、吸水率、压碎指标、针片状颗粒含量；分别制备充填膏体，质量浓度均为76%，水泥∶粉煤灰基∶再生骨料=1∶4∶6，确定适合矿山充填膏体的最佳建筑垃圾类型。

方案2 以建筑工地废弃物再生骨料制备充填膏体，固相比(水泥∶粉煤灰基∶再生骨料)=1∶4∶6，质量浓度分别设定为74%、75%、76%、77%、78%，以探究质量浓度对充填膏体输送性能影响试验。

方案3 以建筑工地废弃物再生骨料制备充填膏体，质量浓度均为76%，固相比分别设定为1∶4∶4、1∶4∶5、1∶4∶6、1∶4∶7、1∶4∶8，以探究固相比对充填膏体输送性能影响试验。

1.3 试验方法

1.3.1 物理性质测试

对三种建筑垃圾进行取样，进行基本物理性质测试。测试内容主要包括表观密度、堆积密度、吸水率、压碎指标、针片状颗粒含量，试验严格参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)进行。

1.3.2 输送性能测试

每次试验之前先按照试验配比称取各材料，然后全部倒入搅拌机(NJ-160A型水泥净浆搅拌机，产地河北沧州路达建筑仪器厂)，待充分混合均匀后添加合适的水量，按照规定搅拌3～5 min，倒出膏体，立即测试膏体的塌落度(坍落度筒，产地河北沧州冀路试验仪器有限公司)、分层度(砂浆分层度测量仪，产地沧州鑫鑫试验仪器有限公司)和泌水率(量筒、CP2202S型精密电子称，产地深圳市铭科化工有限公司)，并及时做好相关记录，试验严格按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)进行。

1) 塌落度测量

塌落度测量按照GB/T 50080—2002进行，用上口直径100 mm，下口直径200 mm，高300 mm的圆台形仪器测量。将充填膏体料浆分三层均匀地装入塌落度筒内，每装一层充填膏体料浆便用捣棒由边缘到中心按螺旋形均匀插捣25次，顶层插捣完成后，取下装料漏斗，将多余充填膏体料浆刮去，并沿筒口抹平，清除筒边底板上充填膏体料浆后，垂直平稳的提起塌落度筒，当试样不再继续塌落时，用钢尺测量出筒高与塌落后充填膏体料浆试体之间的高度差，作为该充填膏体料浆的塌落度值，精确至cm。

2) 分层度测量

将充填膏体试样装入分层度筒中，待装满后，用橡皮锤在容器周围距离大致相同的四个不同地方轻轻敲击1～2次，然后刮去多余料浆，并抹平，测量料浆的沉入度值(cm),静置30 min后，去掉上面20 cm的料浆，将剩下的料浆倒出，放入搅拌器中拌2 min，将搅拌后的料浆重新倒入分层筒中，按刚才的方法继续测量料浆的沉入值(cm)，以前后两次沉入度之差定为充填膏体料浆的分层度(cm)。

3) 泌水率测量

用湿布润湿量筒内壁后应立刻进行称量，并记录量筒的质量，将充填膏体料浆分两次装入量筒内，每次的插捣次数为25次，每次捣完用橡皮锤沿量筒外壁敲击5～10次，进行振实。将筒口及外表面擦净，称量并记录量筒与试样的总质量，盖好量筒口并开始计时，每隔30 min吸取试样表面泌水，直至不再泌水为止，记录每次的吸水量，并计算累计吸水量。充填膏体料浆的泌水率按公式(1)计算。

(1)

其中：B—表示泌水率，%，精度1%；VW—表示泌水总量，mL；m—表示充填膏体料浆试样质量g；mT—试验拌制充填膏体拌合物的总质量，g；W—试验拌制充填膏体拌合物拌和用水量，mL。

2 试验结果及分析

2.1 不同来源的建筑垃圾再生骨料物理性质及对膏体输送性能的影响

2.1.1 基本物理性质分析

三种建筑垃圾再生骨料的基本物理性质如表2～4所示。其中A01～A03分别表示废弃路面混凝土、城区废旧建筑物、建筑工地废弃物。由试验结果可知，建筑垃圾再生骨料之间存在较大差异，A01、A02的表观密度和堆积密度均略高于A03，这是因为A01、A02杂质含量较少，易于破碎，较小的骨料粒径可以使得材料获得较小的空隙率和较大的密度。A01、A02的吸水率、含泥量和压碎指标均高于A03。由于吸水率在很大程度上取决于含泥量，A01、A02的高含泥量导致其吸水率较高，即在同等条件下用A01、A02制备充填膏体时用水量较大；压碎指标是用来间接表示骨料强度性能的一个指标，由于A03中主要成分为混凝土，相比于以砖块、砂浆为主的A01、A02，根据《建筑用卵石、碎石国家标准》(GB/T 14658—2011)可知，其压碎指标较低，即骨料强度较高。A01、A02、A03的针片状颗粒含量是5%～6%，根据《混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，对于泵送混凝土，针片状颗粒含量应不大于10%，因此三种建筑垃圾再生骨料均符合矿山充填膏体泵送标准。综合各种物理性质结果，以混凝土为主要成分的A03性能高于A01、A02。

表3 不同影响因素对充填膏体输送性能影响试验数据Tab. 3 Experimental data of influence of different factors on conveying performance of filling paste

表4 再生骨料性质测试实验Tab. 4 Recycled aggregate properties test

2.1.2 对充填膏体输送性能的影响分析

按照试验方案1，将A01、A02、A03型三种建筑垃圾分别与水泥和粉煤灰制备充填膏体，测试其塌落度、分层度、泌水率，试验结果如图1所示。根据现场经验，煤矿膏体充填材料的塌落度一般控制在18～24 cm，分层度一般不大于2 cm，静置泌水率不大于2%[18]。从图1可以看出，三种建筑垃圾的塌落度、分层度、泌水率符合矿山充填膏体的要求，证实了建筑垃圾用于制备矿山充填膏体的可行性。其中，三种建筑垃圾的分层度和泌水率变化幅度极小，均在控制标准范围内，A01和A02的塌落度均低于A03。这是因为A01和A02中的砂石和砖块含量较多，骨料吸水率均大于A03, 用以增加流动性能的水分被骨料吸收，从而导致A01和A02的塌落度降低。A03主要成分为混凝土，其中的骨料质量、粒径级配优于成分单一的A01和A02。因此，结合物理性质测试及本试验，以混凝土为主要成分的A03制备矿山充填膏体的输送性能最佳。

图1 不同来源建筑垃圾对膏体输送性能的影响Fig. 1 Effect of construction waste from different sources on paste conveying performance

2.2 质量浓度对A03型充填膏体输送性能的影响

按照试验方案2，将A03型建筑垃圾再生骨料与水泥和粉煤灰制备充填膏体，测试其塌落度、分层度、泌水率试验结果如图2所示。质量浓度是影响充填膏体性能的一个重要因素，充填膏体的质量浓度逐渐增大，即拌和用水量逐渐减少，势必会降低充填膏体的塌落度、分层度和泌水率。从图2可知，充填膏体质量浓度从72%增加到80%，塌落度从26.6 cm降低到16.8 cm，分层度从3.0 cm降低到0.6 cm，泌水率从5.3%降低到0.68%。质量浓度过低，分层和泌水现象较为严重；质量浓度过高，易发生堵管现象，均不利于充填膏体的输送。对于不同配比的膏体材料来说，质量浓度存在一个最佳的取值范围。试验可知，当质量浓度在76%～78%时，膏体的塌落度均保持在18～24 cm之间，分层度在2 cm以下，泌水率均小于2%，此时输送性能达到最佳状态。

2.3 固相比对A03型充填膏体输送性能的影响

按照试验方案3，将A03型建筑垃圾再生骨料与水泥和粉煤灰制备充填膏体，测试其塌落度、分层度、泌水率，结果如图3所示。随着充填膏体固相比从1∶4∶4增加到1∶4∶6，其塌落度分层度和泌水率均降低；当固相比大于1∶4∶6，其塌落度、分层度和泌水率均开始增高，最大分别可达到27.4 cm、4.5 cm和5.2%。可解释为由于粉煤灰表面光滑致密，在充填膏体拌合物中发挥其滚珠轴承的功能，起到润滑、减小摩擦的作用；同时，粉煤灰为细骨料，均匀分布在水泥颗粒之中发挥其微集料作用，阻止了水泥颗粒的粘聚，使滞留于水泥颗粒之间的部分拌和水释放出来，从而改善了膏体的塌落度。在质量浓度一定时，固相比为1∶4∶4时所占的细骨料比例最大，当固相比增加到1∶4∶6时，粉煤灰量减少，导致塌落度降低；又因为粉煤灰吸水率要远大于建筑垃圾的吸水率，所以分层度和泌水率也逐渐降低。当固相比为1∶4∶7～1∶4∶8，建筑垃圾再生骨料比例继续增大，即拌和用水量继续增大，但是再生骨料保水作用比粉煤灰弱，因此料浆体系中会产生多余的水分，直接增加了膏体的塌落度、分层度和泌水率，各项性能达不到试验要求。可知，当固相比为1∶4∶6时，充填膏体的塌落度、分层度和泌水率均达到最佳。

图2 质量浓度对膏体输送性能的影响Fig. 2 Effect of mass concentration on paste transport performance

图3 不同固相比条件下膏体的输送性能影响Fig. 3 Effect of paste transport performance under different solid-state conditions

3 结论

通过三组室内模拟试验，探究建筑垃圾作为矿山充填骨料对充填膏体输送性能的影响，得出以下结论：

1) 废弃路面混凝土、城区废旧建筑物、建筑工地废弃物均可用作矿山充填骨料, 以废弃混凝土为主的建筑工地废弃物制备的充填膏体输送性能最佳。

2) 建筑工地废弃物充填膏体的质量浓度在76%～78%时，随着固相比中建筑工地废弃建筑物比例的增大，塌落度、分层度、泌水率均呈先降低后升高的趋势，其中固相比为1∶4∶6时，输送性能最佳。

3) 本试验在浆体制备过程中，由于不可控制的外界环境因素(温度、湿度、二氧化碳浓度等的变化)，在测试塌落度等宏观指标过程中，不能保证各环境恒定不变，使试验数据产生一定误差，但在实验误差范围之内。后期拟使用相关模拟软件对充填料浆的管道输送性能做进一步研究。