工业固废在超高水材料中综合利用的实验研究

秦大健

（1.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北 邢台 054000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3.河北充填采矿技术有限公司，河北 邢台 054000）

0 引 言

超高水材料作为一种煤矿充填开采技术的核心材料，在研发之初就是以保护煤矿地面生态环境为目的，在经过不断的发展和改良后，逐步在煤矿充填开采、沿空留巷、空区回填、防灭火、防治水等多个技术领域得到广泛的认可与应用，在使用过程中，材料固结体因含水率高的特性，使材料出现压缩泌水的情况，从而影响材料的长期稳定性，如何在保证材料强度、控制材料成本的前提下提高超高水材料性能，也成为超高水材料急需解决的一个技术难题。本文主要通过在超高水材料中掺入不同比例的粉煤灰、粒化高炉矿渣粉（矿渣粉）、选铁尾矿砂（尾砂）等工业固废，研究超高水材料强度、压缩率等性能变化，从而改进超高水材料性能，实现工业固废的综合利用。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验材料

工业固体废物是指我国各工业领域在生产活动中年产生的对环境和安全影响较大的固体废物，其中大宗工业固废主要包括尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣、工业副产石膏、赤泥和电石渣，现以粉煤灰、矿渣粉、尾砂为主要研究材料。

粉煤灰一般是指煤炭燃烧后产生的飞灰，实验选取邯郸武安市大唐电厂二级粉煤灰，45μm方孔筛筛余量为12.5%；矿渣粉是钢铁厂冶炼生铁时产生的熔融物，经水淬形成的工业固体废渣，烘干粉磨形成的一种具有潜在水硬性胶凝材料，实验选取邢台沙河市金隅咏宁水泥厂S95级矿渣粉，45μm方孔筛筛余量为1.8%，比表面面积422 m2/kg；尾砂一般是指金属矿石经破碎、粉磨、选矿后残留的固体废弃物，实验选取邢台沙河市横森选铁厂尾砂，其45μm方孔筛筛余量为15.4%。

实验选取的粉煤灰、矿渣粉、尾砂，主要化学成分分析见表1。

表1 化学成分分析（%）Table 1 Analysis of chemical composition(%)

超高水材料由A料、B料两种纯无机粉体材料组成，使用时取等量材料加入与同比例的水中分别搅拌，搅拌完成后在待充填区域附近混合，最后输送至待充填区域完成充填。该实验选用河北紫晨超高水材料公司生产的材料，单轴抗压强度如图1所示。

图1 超高水材料单轴抗压强度Fig.1 Uniaxial compressive strength of super-high water material

1.2 实验方法

将粉煤灰、矿渣粉、尾砂分别放入红外烘干箱中烘干，取出放置至常温备用；在20±2℃的实验室温度下，称取等量的已掺入外加剂的超高水材料A料、B料，按表2配比将等量的粉煤灰、矿渣粉、尾砂分别掺加至A料与B料中，分别加水搅拌3 min后，再混合搅拌3 min，水温控制在20±1℃；最后将混合好的材料装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三联试模中刮平，将试模密封后放入湿度≥90%、温度20±1℃的恒温恒湿养护箱中养护至所需龄期，最后对不同配比、不同龄期试块进行试验，使用SANS数显伺服压力机获得材料单轴抗压强度。

表2中外掺固废是指粉煤灰、矿渣粉、尾砂3种工业固废，试验时在原水固比（水与A、B料质量和之比）为6∶1、5∶1的超高水材料中，分别用3种工业固废按照表2配比进行试验，最终得出不同材料、不同配比的实验数据。实际水固比是指水与固体物料总质量之比。

表2 试验配比（质量比例）Table 2 Test ratio(mass proportion)

根据表3实验方案，在原超高水材料水固比6∶1时，根据掺入不同量矿渣粉28 d龄期试块的单轴抗压强度，利用压力机设定不同的压力，将试块置于试模中使试块处于受限空间，测定在达到设定压力且压力稳定时，试块压缩高度的变化情况，从而得到压缩率变化规律。

表3 外掺不同量矿渣粉压缩率实验Table 3 Compression ratio experiment with different amount of slag powder

2 实验结果

按表2实验方案，分别对超高水材料原样及掺加了粉煤灰、矿渣粉、尾砂的超高水材料强度进行检测，测得掺加不同工业固废、不同龄期超高水材料单轴抗压强度如图2～图4所示。

图4 掺加尾砂不同龄期试块抗压强度Fig.4 Compressive strength of test blocks with milltailings at different ages

根据图2～4实验结果可知，在超高水材料中掺加粉煤灰、矿渣粉、尾砂后，材料抗压强度均有所提高，掺加量越大，材料强度越高；掺加不同材料时，强度增加的幅度有所不同，且材料强度前期增长幅度较小，后期增幅较大；同时在实验过程中观察可知，随着工业固废掺加量的增大，材料实际水固比不断降低，导致混合浆液粘度逐渐增加，浆液流动性也逐渐变差，材料失去流动性，达到初凝状态所需的时间也逐渐变短。

图2 掺加粉煤灰不同龄期试块抗压强度Fig.2 Compressive strength of test blocks with fly ash at different ages

图3 掺加矿渣粉不同龄期试块抗压强度Fig.3 Compressive strength of test blocks with slag powder at different ages

在原超高水材料水固比为6∶1时，掺加粉煤灰至材料实际水固比达到2.4∶1时，与原超高水材料相比1 d强度增长5.9%，至28 d时强度增长达14.7%，掺加矿渣粉1 d和28 d强度增长率分别为11.8%和23.5%，掺加尾砂1 d和28 d强度增长率分别为2.9%和8.8%；在原超高水材料水固比为5∶1时，掺加粉煤灰至材料实际水固比达到2.4∶1时，与原超高水材料相比1d强度增长8.3%，28 d强度增长23.1%，掺加矿渣粉1 d和28 d强度增长率分别为20.8%和48.4%，掺加尾砂1 d和28 d强度增长率分别为8.3%和13.2%。由此可知，在掺加相同量的工业固废时，掺加矿渣粉对超高水材料强度提高最为明显，粉煤灰次之，尾砂对材料强度的影响最小。在原超高水材料水固比5∶1时，分别掺加粉煤灰、矿渣粉、尾砂至实际水固比达到2.4∶1时的强度对比如图5所示。

图5 相同配比掺加不同工业固废强度对比Fig.5 Strength comparison of different industrial solid waste with same ratio

根据表3实验方案，将原水固比为6∶1的超高水材料，掺加不同量矿渣粉制成的试块分别置于特制试模中，试模五面固定，仅留上表面可移动压缩，从而能够使试块处于五面受限状态，各面留有小孔泌水，通过压力机设定压力进行稳压压缩实验，由于超高水材料具有强度修复及二次水化特性，试块强度随压缩率不断增加而增大，直至试块强度能够抵消给定压力，使试块达到稳定，稳定后的试块压缩率不再变化[3]，此时通过测量试块的压缩高度，得到材料压缩率变化情况，如图6所示。

图6 不同掺量矿渣粉试块压缩率Fig.6 Compression rate of test block with different content of slag powder

水固比6∶1的超高水材料固结体原样压缩率在相同设定稳定压力下压缩率最高，最易压缩泌水，随着在超高水材料中矿渣粉掺加量的增加，材料固结体在相同设定稳压下压缩率也不断降低，在给定压力1.5 MPa时，超高水材料原样稳定压缩率为64.4%，掺加矿渣粉比1.5后稳定压缩率为35.4%，最终压缩率降低45%，材料压缩泌水缺陷得到明显改善，原因在于超高水材料中随着矿渣粉掺加量的增加，材料实际水固比不断降低，固结体中水含量减少而固体含量增加，使材料固结体在强度增加的同时，能够泌出的水量也有所减少，出现材料压缩率随矿渣粉掺加量的增加而降低的现象。

通过图中曲线还可看出，在材料固结体中，随着设定稳压的不断升高，试块压缩率均出现先缓慢增长，而后快速增长，又趋于稳定的现象，结合材料强度可知，在设定稳压达到材料最大单轴抗压强度之前，材料压缩率增长速度较低，当设定稳压超过材料最大单轴抗压强度后，随着设定稳压的升高，材料压缩率快速增长，材料中自由水大量泌出，当设定稳压达到一定值后，材料中自由水已基本泌出，剩余固结体含水率较低，可压缩空间不足，从而使材料压缩率趋于稳定。

4 结 论

（1）在超高水材料中掺加工业固废粉煤灰、矿渣粉、尾砂后，材料单轴抗压强度均会有所增加，且在一定范围内掺加量越大，材料强度越高。其中掺加矿渣粉时超高水材料强度增长最明显，粉煤灰次之，尾砂对材料强度增长最小。

（2）随着工业固废在超高水材料中掺量的增加，材料相对含水率减少，材料实际水固比降低，导致材料浆液粘度逐渐增加，流动性变差，在实际应用中应注意工业固废掺加量对浆液流动性能的影响，确保浆液正常输送。

（3）在相同水固比的超高水材料中掺加不同量的矿渣粉后，相同的压力条件下，随着超高水材料中矿渣粉掺加量的增加，材料固结体压缩率不断降低，说明在超高水材料中掺加一定的工业固废可有效改善超高水材料压缩泌水的缺陷。

（4）当给定压力低于材料最大单轴抗压强度时，超高水材料固结体压缩率增长较为缓慢，泌水量较小，当给定压力超过材料最大强度后，随着给定压力的增大，材料压缩率首先快速增加，出现大量泌水，而后泌水量减少，压缩变形量趋于平稳。