封 鑫，劉娟紅，紀洪廣

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083)－0012－04

煤矸石是我國排放量最大的工業(yè)廢渣，約占全國工業(yè)廢渣排放總量的1/4[1]。煤矸石露天堆放時，不僅壓占大量土地，而且嚴重污染礦區(qū)環(huán)境[2]。如何實現(xiàn)煤矸石的合理開發(fā)與礦山地質環(huán)境保護治理工作相互融合，改善礦山地質環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，成為礦山面臨的新課題[3－4]。利用煤矸石作充填骨料[5]，可以解決煤矸石排放問題，消除地表貯存的煤矸石對環(huán)境和水資源的污染，降低充填成本。國內外在采空區(qū)充填中，大多采用水泥作為充填膠結料。長期以來，數(shù)以萬噸計的水泥耗費在了采空區(qū)的回填當中[6]。這就給礦山帶來了巨大的經(jīng)濟壓力，嚴重限制了在礦山充填中的應用和發(fā)展。而且，在已有水泥作膠凝材料運用于煤矸石的充填試驗中，充填體的28d單軸抗壓強度也僅為1個多兆帕[7－8]。因此，研制一種環(huán)保型、性能優(yōu)良的無水泥新型膠凝材料已經(jīng)成為了當今充填技術的主攻方向。本論文采用不同粒徑煤矸石作充填骨料，研究新型充填材料的流動性和抗壓強度，分析其微觀結構，并與水泥基充填材料進行對比。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

北京水泥廠生產金隅P.O42.5水泥，主要性能見表1;未燃燒破碎到不同粒徑區(qū)間的煤矸石，粒徑組成和化學成分測定檢測結果見表2和表3;無水泥新型膠凝材料，該材料由多種無機材料經(jīng)過粉磨、優(yōu)選、優(yōu)化配制而成，呈灰白色細粉末狀，無毒、無害、環(huán)保，具有水泥所不具備的良好特性，凝結時間可調、無收縮、成本低。

表1 水泥的主要性能

表2 煤矸石粒徑組成

表3 煤矸石化學成分測定檢測結果/%

1.2 試驗方法

采用不同粒徑的煤矸石與水泥或無水泥新型膠凝材料按不同的質量濃度混合，制備充填材料，充填材料的流動度采用水泥凈漿流動度測定方法，按照《混凝土外加劑勻質性實驗方法》(GB 8077-2000)進行測試。在無泵送設備的工藝條件下，實際工程中采用高流動性的充填材料，充填材料流動度要求能夠達到150mm。

采用70.7mm ×70.7mm ×70.7mm 標準三聯(lián)試模成型，每一配比共成型6個試塊，脫模后標準養(yǎng)護，到規(guī)定齡期后，測定其14d，28d的單軸抗壓強度。

2 試驗結果及分析

2.1 煤矸石粒徑對水泥基充填材料性能影響

采用水泥作為膠凝材料，不同粒徑的煤矸石作充填骨料來進行試驗。水泥基充填材料的配比及性能見表4。

表4 水泥基充填材料的配比及性能

由表4可知，煤矸石粒徑相同時，隨質量濃度的減小，流動度越來越好，但是抗壓強度也在減小;隨著煤矸石粒徑的減小，要達到相同的流動度時，所需要的用水量越來越大，即充填材料的質量濃度越來越小，此時充填材料的各齡期抗壓強度也在減小。而在流動度達到150mm的前提下，28d的抗壓強度最大時也僅為1.50MPa。

2.2 煤矸石粒徑對新型充填材料性能影響

采用無水泥新型膠凝材料，不同粒徑的煤矸石作充填骨料，研究在相同配比的情況下新型充填材料的性能。新型充填材料的配比及性能見表5。

表5 新型充填材料的配比及性能

由表5可知，煤矸石粒徑對新型充填材料性能的影響規(guī)律與水泥基充填材料基本相同。這是由于當煤矸石粒徑減小時，骨料的總比表面積增大，在膠凝材料用量相同時，要使充填材料達到同樣的流動性，必須增加用水量。但用水量的增加又會使充填材料的抗壓強度減小。另外，當新型充填材料的流動度達到150mm以上，粒徑在 0.075mm ～1.18mm 和 0.075mm ～0.6mm時的28d抗壓強度都能超過2MPa，比水泥基充填材料的抗壓強度分別提高約1.9MPa和1.7MPa。

2.3 水泥基充填材料與新型充填材料性能分析

以煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm為例，在不同質量濃度時，水泥基充填材料與新型充填材料的流動度見圖1。在其它條件相同時，新型充填材料的流動度較水泥基充填材料小，但都能達到150mm，滿足充填要求，且新型充填材料的保水性更好。其它粒徑的影響規(guī)律與上述相同。

圖1 煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm時水泥基充填材料與新型充填材料的流動度對比

以煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm為例，在不同質量濃度時，水泥基充填材料與新型充填材料的28d抗壓強度見圖2。在其它條件相同時，新型充填材料的28d抗壓強度比水泥基充填材料大，比水泥基充填材料的抗壓強度分別提高約1.7MPa。其它粒徑的影響規(guī)律與上述相同。

圖2 煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm時水泥基充填材料與新型充填材料的28d抗壓強度對比

從圖1和圖2中的水泥基充填材料與新型充填材料的流動度和28d抗壓強度對比來看，雖然新型充填材料的流動度相對于水泥基充填材料時更小，但是仍然能夠達到充填要求，而充填材料的抗壓強度卻能得到大幅度提高。

2.4 SEM-EDX分析及機理探討

對煤矸石粒徑在0.075mm～0.6mm、72%質量濃度的水泥基充填材料與新型充填材料，分別對其28d、56d的齡期形貌以及能譜進行了分析。

圖3 充填材料(煤矸石粒徑0.075mm～0.6mm、質量濃度72%)28d齡期的SEM圖

在圖3的掃描電鏡圖中可以發(fā)現(xiàn):水泥基充填材料中骨料與水泥基凝膠體的結合較為疏松，孔隙較多。而新型充填材料中骨料與凝膠體的結合非常緊密，且凝膠體密實，分布均勻。

圖4、圖5分別是水泥基充填材料與新型充填材料56d齡期的SEM、EDX圖。從圖4(a)下觀察到生成的C-S-H凝膠以Ⅰ型和Ⅱ型為主;從圖5(a)下觀察到生成的C-S-H凝膠顆粒是“云狀”的。從能譜圖4(c)、圖5(c)可以看出，新型充填材料中的C-S-H凝膠體的Ca/Si有很大程度的降低。Ca/Si的降低，有利于強度的發(fā)揮與耐久性的改善。

圖4 水泥基充填材料56d齡期的SEM與EDX圖

圖5 新型充填材料56d齡期的SEM與EDX圖

新型充填材料硬化體的微結構取決于水化產物的組成及結構。SEM檢測結果表明，在孔坑中填充大量的CSH凝膠，從凝膠的形態(tài)可以看出與普通水泥體系中所含的CSH在形貌上有很大的不同。這是由于無水泥膠凝材料在水化過程包括了水化反應和火山灰反應，這兩類反應交替進行，且相輔相成;另外，無水泥膠凝材料在水化時還會與煤矸石粉體或粘土發(fā)生反應，生成更多的固化產物，提高充填體的密實程度，并將煤矸石粉體或粘土膠接起來，形成具有一定連續(xù)性的硬骨架。

3 結果

(1)用水泥作膠凝材料時，充填材料的流動性都能達到充填要求，但是28d抗壓強度最大時也僅為1.50MPa。

(2)使用無水泥膠凝材料時，充填材料的流動性能達到充填要求，而且強度得到大幅度提升，粒徑在0.075mm ～1.18mm和0.075mm ～0.6mm 時的 28d 抗壓強度都能超過2MPa，比水泥基充填材料的抗壓強度分別提高約1.9MPa 和1.7MPa。

(3)掃描電鏡試驗表明:水泥基充填材料中骨料與水泥基凝膠體的結合較為疏松，孔隙較多。而新型充填材料中骨料與凝膠體的結合非常緊密，且凝膠體密實，分布均勻。

(4)能譜圖表明:新型充填材料中的C-S-H凝膠體的Ca/Si有很大程度的降低。Ca/Si的降低，有利于強度的發(fā)揮與耐久性的改善。

[1]崔俊華.全煤矸石-粉煤灰燒結磚試驗研究[J].河北建筑科技學院學報，2001，3，18(1):9-13.

[2]劉志鈞.煤矸石似膏體充填開采技術研究[J].煤炭工程，2010，(3):29-31.

[3]李鵬波，胡振琪，吳軍等.煤矸石山的危害及綠化技術的研究與探討[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26(4):93-96.

[4]劉元明，丁瑞，田偉等.煤矸石井下充填置換技術的研究與應用[J].煤炭加工與綜合利用，2009(5):50-52.

[5]鄭保才，周華強.煤矸石膏體充填材料的試驗研究[J].采礦與安全工程學報，2006(4):460-463.

[6]ERCIKDI B，KESIMA L A，CIHANGIR F，et al.Cemented paste backfill of sulphide rich tailings:Importance of binder type and dosage[J].Cement and Concrete Composites，2009，31(4):268-274.

[7]王新民，姚建，張欽禮等.煤矸石作為膠結充填骨料性能的實驗研究[J].礦業(yè)快報，2006，(3).20-23+63.

[8]王新民，曹剛，龔正國.煤矸石作充填骨料的似膏體料漿流動性能試驗研究[J].礦業(yè)快報，2008，(1).20-23