矿渣基充填体抗压强度影响因素的研究现状

合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009

摘 要：碱激发矿渣应用到矿山胶结充填方面的研究由来已久，至今已取得大量成果。本文从常见的影响矿渣基充填体抗压强度的激发剂和养护条件出发，对已有成果进行总结，并提出了矿渣粒径是矿渣基充填体抗压强度的潜在影响因素。

关键词：胶结充填；矿渣；碱性激发剂；养护条件；抗压强度

1引言

长期以来，矿产资源的开采引发的采空区塌陷和尾矿砂堆积问题都在影响着我国矿产行业的可持续发展[1]。鉴于此，从上世纪中开始有国内外学者研究能同时解决上述两个问题的胶结充填技术。传统的胶结充填胶凝材料一般选用普通硅酸盐水泥，但因其早期抗压强度低、充填成本高的弊端使得众多学者将目光投向其他胶凝材料的研制。由中国矿业大学的孙恒虎教授研制的高水速凝材料具有早期强度高、凝结速度快、固水能力强、泵送性能佳等优点，但由于双管道输送导致的成本提高限制了其在工业实践中的应用。赤泥胶凝材料一般由赤泥、粉煤灰和活性激发剂组成，具有稳定性好、愈合能力强、胶结性能好等优点，但由于产地限制，主要适用在铝矿充填中，在其他矿山中使用则会增加运输成本。还有将多种工业废渣混合制成的复合胶凝材料，虽然有利于多种工业废弃物的回收与利用，但其性能往往劣于单一胶凝材料。相比之下，矿渣胶凝材料胶结能力好、来源广泛、价格低廉，是非常理想的矿山充填胶凝材料。接下来，本文将从激发剂与养护条件两种影响因素的角度，对国内外的研究成果进行总结，并根据已有结果提出可能的影响因素，即矿渣粒径。

2 激发剂与温度对矿渣基充填体抗压强度的影响

2.1激发剂对矿渣基充填体性能的影响

上世纪的人们常常将水泥与矿渣混合使用，由水泥水化提供的碱性环境对矿渣活性进行激发，其中主要起激发作用的为Ca(OH)2，但由于水泥成本较高，后转向对其他激发剂的研究，尤其是石灰与石膏对矿渣基充填体抗压强度的影响研究。这可能是由于经过石灰、石膏激发，矿渣基充填体的主要水化产物为钙矾石，钙矾石超高的含水率，使之在高含水溶液拥有很强的结晶能力，这也使得水化产物拥有较多钙矾石的矿渣胶凝材料比水泥更适合在高含水的矿山充填中使用。赵鹏凯等[2]以以硬石膏、水玻璃、CaCl2和Na2SO4为激发剂，研究了不同激发剂种类对充填体强度的影响，发现配比为矿渣：生石灰：硬石膏：氯化钙=76.2:10.4:12.37:1时，充填体抗压强度达到最高。董璐等[3]以脱硫石膏和高钙石灰为碱性激发剂，通过各组分比例的调整优化，最终充填体的抗压强度达到了水泥充填料的6.5倍。刘苗苗等[4]选取Na2SO4、NaOH、Na2CO3、水玻璃作为碱性激发剂，发现碱性激发剂激发效果最优的为水玻璃，其次为NaOH，Na2CO3的激发效果最差。梁峰等[5]以脱硫石膏、水泥熟料、芒硝为激发剂，利用正交实验方法以及人工神经网络模型优化了其配比，最终实现成本下降23%。李立涛等[6]以生石灰、芒硝和NaOH为激发剂，通过组分比例调控，抗压强度可达到水泥的2.16倍。杜聚强等[7]以石膏、石灰为激发剂，并加入少量水泥，采用正交实验的方法探索出了最优组合，在此组合下，充填体抗压强度可达胶凝材料为水泥的充填体的3倍左右。

2.2养护条件对矿渣基充填体抗压强度的影响

一般来说，养护条件是影响胶凝材料水化反应速率的重要因素。M. Fall等[8]通过实验的方法研究了养护温度的影响以及温度与胶结充填组分的联合作用对充填体的主要力学性能的影响。在不同的养护时间和温度(2°C、20°C、35°C和50°C)下测试不同类型的充填体试件。结果表明，养护温度对充填体的力学性能有显著影响且这些影响取决于胶凝材料类型、水灰比、尾砂类型和养护时间。刘树龙等[9]对恒温恒湿标养、套袋密封标养、不拆模标养、35°C水浴湿养以及自然养护5种养护条件下矿渣基胶结充填体的微观结构变化进行了研究，发现温度是影响矿渣基胶结充填早期水化反应的显著因素，而标准养护则可以最大程度的发挥矿渣胶凝材料的水化活性，不拆模标养对矿渣胶凝材料的水化起到了抑制作用，导致充填体早期抗压强度降低。张发文[10]通过设置养护温度为10°C、20°C、25°C、30°C探究了不同养护温度下矿渣基胶结充填体抗压强度的变化，发现抗压强度随温度上升而不断提高，在20℃后，抗压强度提升速度变缓。

2.3颗粒粒径对矿渣胶凝材料的影响

在矿渣基胶结充填的研究中，化学激发是主要研究的内容，但由于目前对矿山开采逐渐深入地下，对充填体抗压强度等性能也不断提出新的要求，需要从其他方面寻求突破，矿渣在矿渣水泥中的应用研究是矿渣研究的一大重要方面，在对这方面的文献进行查阅后可以发现，矿渣的粒径分布也是影响矿渣胶凝材料性能的重要因素之一。王伟等[11]改变矿渣的粒径分布并研究了其对矿渣水泥胶砂强度的影响，发现小于

5μm的矿渣细颗粒含量越多，水泥砂浆早期强度越高。万惠文等[12]采取50%矿渣取代水泥测定胶砂强度后发现，当矿粉的比表面积相同时，小于3μm的细颗粒含量越多的矿粉，水泥砂浆的早期强度越高；张雄等[13]采用灰色关联分析和建立GM灰色模型的方式探究了矿渣粒径区间和矿渣水泥的活性指数的关系。结果表明，矿粉粒径在0~10μm范围内，粒径小于5μm的颗粒与活性的关联度最大，随着粒径增大，与活性的关联度也在减小。当小于5μm粒径颗粒含量大于35％时，矿渣不同龄期的活性指数均有较大的提高。由此可以发现，矿渣粒径是影响矿渣胶凝材料的重要因素，当化学激发无法满足实际充填要求时，可以考虑对矿渣的粒径进行调控实现对充填体抗压强度的进一步提升。

3 结语

作为一种理想的矿山充填胶凝材料，矿渣胶凝材料具有胶结能力、来源广泛、价格低廉等优势，针对矿渣基充填体的研究持续到现在，已取得大量进展。

（1）针对激发剂对影响矿渣基充填体性能的影响研究，主要集中于矿渣的激发剂种类与掺量研究，最终的矿渣基充填体抗压强度显著高于水泥充填体。

（2）养护条件是影响胶凝材料水化反应速率的一大重要因素，尤其是养护温度，养护温度越高，充填体抗压强度越高，尤其对矿渣基充填体的早期抗压强度存在显著影响。

（3）矿渣粒径对矿渣水泥的性能存在显著影响，可以考虑将矿渣粒径调控作为提高充填体抗压强度的一个有效手段。

参考文献

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