李姜山

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用在帶來社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物，對(duì)環(huán)境造成損害，因此，在開采礦產(chǎn)資源時(shí)，必須采取一系列措施，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響［1-2］。目前尾砂膠結(jié)充填是處理固體廢棄物的有效方法之一，它可以支撐采空區(qū)，防止地表沉降和塌陷等問題，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［3-6］。尾砂膠結(jié)充填的力學(xué)性能主要受膠凝劑類型和摻量的影響［7-9］，增加水泥摻量是提高尾砂膠結(jié)充填力學(xué)性能的方法之一，但水泥成本較高，增加摻量會(huì)導(dǎo)致成本增加，對(duì)礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益不利。因此，尋找替代水泥的膠凝材料是一種解決方法，如礦渣、粉煤灰、火山灰、稻草灰等，有效降低成本，增加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益［1-11］。

稻草灰不僅含有豐富的有機(jī)質(zhì)，還含有K、Ca、P等無機(jī)營養(yǎng)元素［12］，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，常將稻草灰作為肥料施用于田地，但是對(duì)于它替代水泥作為膠凝劑對(duì)尾砂膠結(jié)充填體的研究則相對(duì)較少。為探究稻草灰部分替代水泥對(duì)不同膠凝劑摻量（5%，10%，15%，20%，25%）的稻草灰充填體的力學(xué)性能影響，本文通過單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)并結(jié)合微觀性質(zhì)測試進(jìn)行分析，對(duì)稻草灰充填體的抗剪性能進(jìn)行了計(jì)算分析，研究結(jié)果為稻草灰在充填領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

利用稻草灰部分替代水泥制備膠凝劑摻量為5%，10%，15%，20%，25%的稻草灰尾砂膠結(jié)充填體試樣，具體參數(shù)配比見表1。通過JJ-5 型攪拌機(jī)將準(zhǔn)備好的尾砂、水泥、稻草灰和適量自來水添加后充分?jǐn)嚢? min，待充填漿料靜置后裝入用于單軸抗壓強(qiáng)度測試和抗拉強(qiáng)度測試的圓形模具中。經(jīng)過24 h 固化后，將其放入濕度為90%、溫度為20 ℃的恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后進(jìn)行試驗(yàn)，流程圖如圖1所示。

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1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試

將試樣的兩端打磨平整后，采用電子萬能壓力機(jī)對(duì)試樣（直徑50 mm，高度100 mm）進(jìn)行單軸抗壓測試。為進(jìn)行單軸抗拉測試，產(chǎn)生垂直于加載方向的拉應(yīng)力，在測試前對(duì)試樣上下表面分別放置2根直徑為2 mm的鋼筋，將試樣表面載荷轉(zhuǎn)化為線性載荷，并利用電子萬能壓力機(jī)對(duì)試樣（直徑50 mm，高度50 mm）進(jìn)行單軸抗拉測試。單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度的加載方式采用位移加載，速率為0.5 mm/min，共設(shè)計(jì)10組，每組選用3 塊試樣，每1 s 記錄1 次數(shù)據(jù)，最終取3次的平均值作為單軸抗壓強(qiáng)度值。

為進(jìn)一步觀察分析稻草灰對(duì)尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性能的提升情況，采用真空飽和儀使試樣處于水飽和狀態(tài)，然后利用NM-60 型核磁共振儀和對(duì)試樣進(jìn)行微觀性質(zhì)測試，獲得孔隙率變化；選取單軸抗壓測試后的試樣，進(jìn)行SEM-EDS 測試（MLA65 型掃描電鏡）觀察其微觀形貌和元素分布，分析試樣水化產(chǎn)物的組成及孔隙結(jié)構(gòu)的分布。

2 稻草灰尾砂膠結(jié)充填體試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度的影響

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2，當(dāng)確定了膠凝劑摻量后，所有試樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加均逐漸增大；確定了養(yǎng)護(hù)齡期后，除膠凝劑摻量為5%的稻草灰尾砂膠結(jié)充填體之外，所有試樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨著膠凝劑摻量的增加也逐漸增大，且稻草灰尾砂膠結(jié)充填體相較于水泥尾砂膠結(jié)充填體具有更高的單軸抗壓強(qiáng)度，最大增長率為31.03%。

為更好地探究稻草灰對(duì)膠結(jié)充填體的影響，通過Origin 繪圖軟件將膠凝劑摻量和尾砂膠結(jié)充填的單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行多項(xiàng)式擬合分析，結(jié)合理論分析兩者存在三項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，稻草灰對(duì)尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度影響作用存在下限值。根據(jù)圖2的擬合曲線，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，膠凝劑膠摻量的下限值為7.44%，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí)，膠凝劑膠摻量的下限值為6.25%，均位于5%～10%。即當(dāng)膠凝劑摻量大于該下限值時(shí)，稻草灰才能有效提高尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度。

2.2 單軸抗拉強(qiáng)度的影響

單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)與單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果規(guī)律類似。如圖3 所示，當(dāng)確定了膠凝劑摻量后，所有試樣的單軸抗拉強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加都有增大；當(dāng)確定了養(yǎng)護(hù)齡期后，除膠凝劑摻量為5%的稻草灰尾砂膠結(jié)充填體之外，試樣的單軸抗拉強(qiáng)度隨著膠凝劑摻量的增加逐漸增大，且其他稻草灰尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗拉強(qiáng)度均高于水泥尾砂膠結(jié)充填體，最大增長率為20.22%。砂膠結(jié)充填體和稻草灰尾砂膠結(jié)充填體的孔隙率分別從11.609%、12.077%減小至10.037%、9.66%，且當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí)，兩者孔隙率則進(jìn)一步減小為11.023%、8.355%和11.899%、7.34%。

采用MLA65 型掃描電鏡，對(duì)其中具有代表性的C-1、C-3、C-5、R-1、R-3和R-5 6組養(yǎng)護(hù)齡期28 d下的尾砂充填體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測試，如圖5所示。結(jié)合ImageJ 軟件對(duì)其的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及最大孔隙尺寸進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)稻草灰的活性SiO2與水泥發(fā)生水化反應(yīng)額外的凝膠，主要吸附在尾砂上。除稻草灰摻量為5%時(shí)，稻草灰尾砂膠結(jié)充填體的最大孔隙直徑小于水泥尾砂膠結(jié)充填體，此外，尾砂膠結(jié)充填體的孔隙尺寸和數(shù)量隨著膠凝劑摻量的增加而逐漸減小。

將膠凝劑摻量和尾砂膠結(jié)充填的單軸抗拉強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行三項(xiàng)式函數(shù)擬合分析，確定稻草灰增強(qiáng)尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗拉強(qiáng)度同樣存在膠凝劑摻量下限值。由圖3 的擬合曲線可知，養(yǎng)護(hù)齡期為7，28 d時(shí)，膠凝劑膠摻量的下限值分別為8.41%和6.59%，同樣均位于5%～10%。即當(dāng)膠凝劑摻量大于該下限值時(shí)，稻草灰才能有效提高尾砂膠結(jié)充填體的強(qiáng)度。

2.3 孔隙率的影響

為進(jìn)一步觀察分析稻草灰對(duì)膠結(jié)充填體的影響變化，利用NM-60 型核磁共振儀和對(duì)試樣進(jìn)行微觀性質(zhì)測試。圖4 為養(yǎng)護(hù)齡期7，28 d 時(shí)不同膠凝劑摻量下試樣的孔隙率測試結(jié)果，可知，隨著稻草灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，所有試樣的孔隙率在逐漸降低。養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 時(shí)，膠凝劑摻量逐漸增大時(shí)，水泥尾

3 結(jié) 論

（1）膠凝劑和養(yǎng)護(hù)時(shí)間是尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性能的重要影響因素，并且尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性能的提升與這2個(gè)因素呈正相關(guān)。同時(shí)，稻草灰部分替代水泥對(duì)尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都具有顯著作用，即相較于全為水泥時(shí)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度最大增長率分別為31.03%和20.22%。但稻草灰的作用存在明顯的膠凝劑摻量下限值，只有當(dāng)膠凝劑摻量超過下限值稻草灰才能發(fā)揮增強(qiáng)作用，尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的膠凝劑摻量下限值均位于5%～10%。

（2）研究表明，稻草灰部分替代水泥也能降低尾砂膠結(jié)充填體的降低孔隙率、孔隙尺寸和數(shù)量，除凝劑摻量5%時(shí)，尾砂膠結(jié)充填體的孔隙率隨著養(yǎng)護(hù)齡期和膠凝劑摻量的增加而逐漸降低，稻草灰部分替代水泥也能進(jìn)一步對(duì)尾砂膠結(jié)充填體的孔隙率、孔隙尺寸和數(shù)量達(dá)到降低效果，與稻草灰對(duì)尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性能作用效果相對(duì)應(yīng)。

（3）通過研究分析，稻草灰是具有火山灰活性的材料，稻草灰中的活性SiO2因與水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生額外的凝膠，使顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度加大故而提高了尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)性能和降低了孔隙率。而膠凝劑摻量存在下限值是因?yàn)楫?dāng)?shù)静莼抑械幕钚許iO2與水泥發(fā)生水化反應(yīng)不夠充分，導(dǎo)致水化產(chǎn)物不足從而產(chǎn)生了過量的SiO2，進(jìn)而造成了強(qiáng)度損失。