1、Series No.570December 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第570 期2023 年第 12 期收稿日期 2022-09-02基金项目 河南省交通运输厅科技项目(编号:2021J3)。作者简介 朱丽丽(1986),女,讲师,硕士。通信作者 王一光(1988),男,工程师,博士研究生。综合利用粉煤灰石膏钢渣复掺充填料浆制备与性能研究朱丽丽1 王一光2(1.内蒙古交通职业技术学院建筑工程系,内蒙古 赤峰 024000;2.郑州大学水利与土木工程学院,河南 郑州 450001)摘 要针对水泥作为胶结材料会增大充填采矿成本的问题,采用钢渣、粉煤灰及石膏作为材料开展粉煤
2、灰石膏钢渣基胶结材料研究,并对充填体强度进行了分析。研究表明:充填体强度随着粉煤灰掺量增加表现出先增大后减小的趋势,并且都在粉煤灰掺量为 15%时达到最大值,说明单掺粉煤灰存在最佳掺量现象;充填体的强度随着钢渣掺量增加也表现出先增大后减小趋势,并且都在钢渣掺量为 30%时达到最大值,说明单掺钢渣也存在最佳掺量值;当石膏掺量从 0 增加至 8%时,单掺粉煤灰或钢渣下的充填体抗压强度随着石膏掺量增加表现出不断增大趋势,并且石膏掺量增加更有利于提高充填体的早期抗压强度;复掺粉煤灰和钢渣情况下,充填体的抗压强度得到了显著提高,并且复掺粉煤灰和钢渣的充填体强度均要高于单掺粉煤灰或钢渣的充填体强度。关键词
3、 粉煤灰 钢渣 石膏 充填体 抗压强度 中图分类号TD853 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-12-234-06DOI 10.19614/ki.jsks.202312035Study on Preparation and Properties of Fly Ash-Gypsum-Steel Slag Mixed Filling SlurryZHU Lili1 WANG Yiguang2(1.Department of Architectural Engineering,Inner Mongolia Vocational and Technical College of C
4、ommunications,Chifeng 024000,China;2.School of Water Resources and Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)Abstract In view of the problem that cement as cementing material will increase the cost of filling mining,steel slag,fly ash and gypsum are used as materials to study the
5、 cementing material based on fly ash-gypsum-steel slag,and the strength of filling body is analyzed.The results show that the strength of backfill increases first and then decreases with the increase of fly ash content,and reaches the maximum value when the fly ash content is 15%,indicating that the
6、re is an optimal content of sin-gle fly ash.With the increase of steel slag content,the strength of the backfill increases first and then decreases,and reaches the maximum value when the steel slag content is 30%,indicating that there is also an optimal content value of single steel slag.When the gy
7、psum content increased from 0 to 8%,the compressive strength of the backfill under single fly ash or steel slag increased with the increase of the gypsum content,and the increase of the gypsum content was more conducive to impro-ving the early compressive strength of the backfill.In addition,the com
8、pressive strength of the backfill is improved significantly with the mixture of fly ash and steel slag,and the strength of the backfill with the mixture of fly ash and steel slag is higher than that with the single mixture of fly ash or steel slag.Keywords fly ash,steel slag,gypsum,filling body,comp
9、ressive strength 充填采矿法不仅能够高效回采地下矿体资源,而且能够有效处理地表堆存的固体废弃物,具有十分广阔的应用前景1-2。该方法通常采用地表堆存的固体废弃物(尾砂,废石等)与水泥搭配制备成流动性能优良的充填体置换采场矿体,因此充填体的力学性能对于整体采矿方法而言至关重要,若充填体强度过高则会导致充填成本增加,强度过小则无法有效保证采场稳定3-4。因此,如何制备出强度高、成本低的充填体受到业内学者和工程技术人员的广泛关注。近年来,采用矿物掺合料及冶炼废料代替部分水泥制备新型绿色充填材料的成果多有报道,采用矿物掺和料及冶炼废料代替部分水泥不仅能够降低采矿成本,也有利于保护环境。
10、李胜辉等5通过矿渣基胶结充填体力学性能试验,得出矿渣的合理掺入能够在一定程度432上改善充填体的力学性能。王永定等6通过复掺粉煤灰和矿渣,得出掺入矿物掺和料后,充填成本与采用普通硅酸盐相比降低了 70%左右。李宏业等7通过开展掺入磷石膏和矿渣的充填体配比优化试验,得出掺入两种矿物掺和料后,充填体的早期强度虽有降低,但后期抗压强度则明显增大7。黄笃学等8通过开展矿渣基充填材料的配比优化试验,得出矿渣的掺入也能够在一定程度上改善充填体的力学性能。吴凡等9通过开展钢渣掺量对膏体早期强度试验,得出掺入适量的钢渣后,充填体的力学强度表现出增大趋势。李召峰等10通过开展多固废基注浆材料试验研究,得出合理调
11、配多元固废材料的配比参数能够有效提高注浆材料的力学性能。王宏宇等11通过开展钢渣基多固废掺和料制备水泥砂浆的试验,得出复合掺入多元固废材料后能更好地改善水泥砂浆的力学性能。本研究在上述成果的基础上,以国内某矿山为工程背景,利用钢渣、粉煤灰及石膏等为材料,开展绿色胶凝材料的尾砂胶结充填体强度性能研究,揭示固废材料掺量及添加方式对充填体强度的影响。1 试验材料试验采用的充填骨料为全尾砂,其化学成分见表1,粒径分布特征参数见表 2。钢渣取自于某冶炼厂的钢渣,其粒径分布特征参数见表 3。其他胶凝材料如石膏和粉煤灰均取自于某建材公司,对其进行测试得到粉煤灰的细度为 3.4%。由表 1 和表 2 可知:尾
12、砂的化学成分并没有对充填体强度不利的化学元素,并且尾砂的曲率和不均匀系数均在参数合理取值范围内,说明尾砂适合作为充填骨料制备充填体。通过表 3 可知,钢渣的细度(+45 m)含量较多,说明钢渣较粗,适合与尾砂搭配使用。表 1 尾砂的化学成分测试结果Table 1 Chemical composition test results of tailings%成分SiO2CaOMgOAl2O3Fe2O3K2O含量30.5535.8910.324.410.576.74表 2 尾砂颗粒粒径分布特征Table 2 Distribution characteristics of particle sized
13、10/md30/md50/md60/md90/mCuCc7.5831.7845.3867.78258.638.51.02表 3 其他材料的颗粒粒径分布特征Table 3 Distribution characteristics of particle size of other materials材料d10/md30/md50/md60/md90/mCuCc钢渣2.997.7214.8019.6651.916.66 1.01粉煤灰2.386.0813.6617.4633.412.38 6.082 试验方案本研究试验方案主要包括粉煤灰和矿渣的单掺和复掺试验,并且与采用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料的
14、充填体进行强度对比分析,进一步说明绿色胶凝材料的可替代性。试验设计粉煤灰的掺量为 5%、10%、15%及 20%,钢渣掺量设计为 10%、20%、30%及 40%,石膏掺量设计为 4%12%。此外,为更好地激发出材料的胶凝效果,添加 99%分析纯级颗粒 NaOH 作为激发剂,掺量取为胶凝材料总质量的 2%。试验首先开展材料的单掺试验,在确定出各自最佳的掺量水平后,开展复合掺入的试验研究,从而揭示出掺入两种材料下的充填体强度变化特征,以期为矿山的充填体配比参数设计提供指导。试验设计充填体的灰砂比为 14,料浆质量浓度为 68%。3 试验结果与分析3.1 单掺粉煤灰对充填体强度的影响结合试验设计的
15、粉煤灰掺量,开展不同粉煤灰掺量下的充填体强度试验,从而揭示出单掺粉煤灰对充填体强度的影响规律。不同粉煤灰掺量下充填体强度的变化特征如图 1 所示。由图 1 可知:随着粉煤灰掺量增加,充填体的强度表现出先增大后减小趋势,并且都在粉煤灰掺量为 15%时达到最大值,说明粉煤灰掺量存在临界值现象。由图 1(a)可以看出,当粉煤灰掺量从 0%增加至 15%时,充填体的 3 d 强度增加了 63.8%,而当粉煤灰掺量从 15%增加至 20%时,充填体的 3 d 强度则下降了 6.9%,但 3 d 强度值仍高于未掺粉煤灰充填体的强度值;通过图 1(b)可以看出,当粉煤灰掺量从 0%增加至 15%时,充填体的
16、 7 d 强度增加了 75.1%,而当粉煤灰掺量从 15%增加至 20%时,充填体的 7 d 强度则下降了 11.9%,但7 d 强度值仍要高于未掺粉煤灰充填体的7d 强度值;通过图 1(c)可知,当粉煤灰掺量从 0%增加至 15%时,充填体的 28 d 强度增加了 47.6%,而当粉煤灰掺量从 15%增加至 20%时,充填体的 28 d 强度则下降了 14.5%,但 28 d 强度值仍高于未掺粉煤灰充填体的 28 d 强度值。因此,随着粉煤灰掺量从 0%增加至15%,充填体的 3、7、28 d 抗压强度均表现出不同程度的增加,其中早期抗压强度递增最为明显,但掺入过量的粉煤灰也会降低粉煤灰对充
17、填体强度的改善效果。在碱性环境下,粉煤灰中会解离出活性 SiO2和 Al2O3,这些物质参与水化反应,从而能够更有效地提高充填体的早期抗压强度12。3.2 单掺钢渣对充填体强度的影响结合试验设计的钢渣掺量,开展不同钢渣掺量下的充填体强度试验,不同钢渣掺量下充填体强度的变532 朱丽丽等:粉煤灰石膏钢渣复掺充填料浆制备与性能研究 2023 年第 12 期图 1 单掺粉煤灰下充填体强度的变化特征Fig.1 Variation characteristics of backfill strength under single fly ash化特征如图 2 所示。由图 2 可知:随着钢渣掺量增加,充填
18、体的强度表现出先增大后减小趋势,并且都在钢渣掺量为 30%时达到最大值,说明钢渣掺量也存在临界值的现象。由图 2(a)可知:当钢渣掺量从0%增加至 30%时,充填体的 3 d 强度增加了 60.1%,而当钢渣掺量从 30%增加至 40%时,充填体的 3 d 强度则下降了 3.9%,但 3 d 强度值仍高于未掺钢渣充填体的强度值;由图 2(b)可知:当钢渣掺量从 0%增加至 30%时,充填体的 7 d 强度增加了 65%,而当钢渣掺量从 30%增加至 40%时,充填体的 7 d 强度则下降了 5.05%,但 7 d 强度值仍高于未掺钢渣的充填体7 d 强度值;由图 2(c)可知:当钢渣掺量从 0
19、%增加至30%时,充填体的 28 d 强度增加了 40.5%,而当钢渣掺量从 30%增加至 40%时,充填体的 28 d 强度则下降了 6.80%,但 28 d 强度值仍高于未掺钢渣充填体的 28 d 强度值。因此,随着钢渣掺量从 0%增加至30%,充填体的 3、7、28 d 抗压强度均表现出不同程度增加,其中早期抗压强度递增最为明显,但掺入过量的钢渣同样也会降低钢渣对充填体强度的改善效果。在碱性环境下,钢渣中也会解离出活性 SiO2和Al2O3,这些物质参与水化反映,从而能够有利于充填体强度的形成13。图 2 单掺钢渣下充填体强度的变化特征Fig.2 Variation characteri
20、stics of backfill strength under single steel slag3.3 石膏掺量对充填体强度的影响结合试验设计的石膏掺量,开展了不同石膏掺量下的充填体强度试验。粉煤灰掺量为 15%时,充填体抗压强度随石膏掺量的变化特征如图 3 所示。钢渣掺量为 30%时,充填体抗压强度随石膏掺量的变化特征如图 4 所示。由图 3 可知:当粉煤灰掺量为15%时,充填体 3、7、28 d 抗压强度均随着石膏掺量增加而增大,说明添加适量的石膏能够有效提高粉煤灰充填体的抗压强度;当石膏掺量从 0%增加至 8%,单掺粉煤灰的充填体 3、7、28 d 抗压强度分别提高了18.3%、14
21、.6%及 14.3%,说明石膏的掺入不仅能够提高充填体的强度,而且更有利于提高单掺粉煤灰充填体早期强度。由图 4 可知:单掺钢渣时,充填体的抗压强度与石膏掺量间表现出了明显的正相关关系,即单掺钢渣的充填体 3、7、28 d 抗压强度随着石膏掺量增加均表现出增大趋势,说明添加适量的石膏也能够有效提高钢渣基充填体的抗压强度;当钢渣掺量为30%时,随着石膏掺量从 0%增加至 8%,单掺钢渣的充填体 3、7、28 d 抗压强度分别提高了 17.9%、19.7%及 13.5%,说明石膏的掺入不仅能够提高充填体的强度,而且同样更有利于提高单掺钢渣充填体的早期强度。此外,进一步分析图 3 和图 4 可知:当
22、石膏掺量从 8%增加至 12%时,单掺钢渣和粉煤灰的充填体强度基本没有表现出明显增大趋势,说明此时石膏掺量增加对充填体强度的提升效果开始弱化,因此石膏的合理掺量应控制在 12%以内。3.4 复掺粉煤灰和钢渣对充填体强度的影响通过前述分析可知,单掺粉煤灰和钢渣时,最佳的掺入量分别为 15%和 30%,并且石膏的最佳掺量为 8%。因此在单掺粉煤灰和钢渣的试验结果基础632总第 570 期 金 属 矿 山 2023 年第 12 期图 3 粉煤灰掺量为 15%时充填体抗压强度与石膏掺量的关系Fig.3 Relationship between compressive strength of backf
23、ill and gypsum content when fly ash content is 15%图 4 钢渣掺量为 30%时充填体抗压强度与石膏掺量的关系Fig.4 Relationship between compressive strength of backfill and gypsum content when steel slag content is 30%上开展了粉煤灰和钢渣的复掺试验,试验方案见表4。依据表 4 所示方案开展试验,所得复掺粉煤灰和钢渣下的充填体强度变化特征如图 5 和图 6 所示。表 4 粉煤灰和钢渣的复掺设计方案Table 4 Design schemes
24、 of fly ash and steel slag%方案编号粉煤灰掺量钢渣掺量石膏掺量A115108A215208A315308B15308B210308B315308图 5 粉煤灰掺量为 15%时不同钢渣掺量下的充填体强度变化特征Fig.5 Variation characteristics of backfill strength under different steel slag content when fly ash content is 15%由图 5 可知:当粉煤灰固定为 15%时,充填体的抗压强度与钢渣掺量表现出明显的正相关关系,即充填体的 3、7、28 d 抗压强度随着钢
25、渣掺量增加而不断图 6 钢渣掺量为 30%时不同粉煤灰掺量下的充填体强度变化特征Fig.6 Variation characteristics of backfill strength under different fly ash content when steel slag content is 30%增大,说明钢渣掺量的增加能够改善充填体的力学性能。分析图 6 可知:当钢渣掺量为 30%时,充填体的抗压强度与粉煤灰掺量间也表现出明显的正相关关系,即充填体的 3、7、28 d 抗压强度也随着粉煤灰掺量增加而不断增大,说明粉煤灰掺量的增加能够改善充填体的力学性能。因此,综合图 5 和图 6
26、 的充填体强度变化可知,固定粉煤灰或钢渣掺量不变时,随着钢渣或粉煤灰掺量增加,充填体强度均表现出逐渐增大趋势,说明两种材料发挥了正向协同作用,有利于充填体强度形成。此外,为进一步分析复掺粉煤灰和钢渣对充填体力学性能的改善效果,将复掺和单掺粉煤灰或钢渣下的充填体强度进行了对比分析,复掺粉煤灰和钢渣与单掺粉煤灰或钢渣下的充填体强度随养护龄期的变化特征如图 7 所示。由图 7 可知:不论732 朱丽丽等:粉煤灰石膏钢渣复掺充填料浆制备与性能研究 2023 年第 12 期单掺还是复掺粉煤灰和钢渣,充填体的抗压强度随着养护龄期延长均表现出不断增大趋势,并且复掺粉煤灰和钢渣的充填体强度均高于单掺粉煤灰或钢
27、渣的充填体强度,进一步说明复掺粉煤灰钢渣对充填体力学性能的改善效果明显于单掺粉煤灰或钢渣对充填体力学性能的改善效果,反映出两种固废材料之间存在正向协同作用,从而进一步提高了充填体的强度14-15。图 7 复掺与单掺粉煤灰和钢渣下的充填体强度随养护龄期的变化特征Fig.7 Variation characteristics of backfill strength with curing age under mixed and single fly ash and steel slag4 结 论(1)通过开展单掺粉煤灰对充填体强度试验,发现随着粉煤灰掺量增加,充填体的强度表现出先增大后减小的趋势
28、,并且都在粉煤灰掺量为 15%时达到最大值。(2)通过开展单掺钢渣对充填体强度试验反映出,随着钢渣掺量增加,充填体的强度表现出先增大后减小的趋势,并且都在钢渣掺量为 30%时达到最大值。(3)当石膏掺量从 0%增加至 8%时,单掺粉煤灰或钢渣下的充填体抗压强度随着石膏掺量增加表现出不断增大趋势,并且石膏掺量增加更有利于提高充填体的早期抗压强度。此外,当石膏掺量从 8%增加至 12%时,单掺钢渣和粉煤灰的充填体强度基本没有表现出明显增大趋势,说明石膏的合理掺量应控制在 12%以内。(4)复掺粉煤灰和钢渣下,充填体抗压强度也得到了显著提高,并且复掺粉煤灰和钢渣的充填体强度均高于单掺粉煤灰或钢渣的充
29、填体强度,进一步说明复掺粉煤灰钢渣对充填体力学性能的改善效果显著于单掺粉煤灰或钢渣。参 考 文 献1 贺桂成,刘生龙,黄炳香,等.废石胶结充填体与砂页岩合理匹配研究J.采矿与安全工程学报,2017,34(2):371-377.HE Guicheng,LIU Shenglong,HUANG Bingxiang,et al.Reasonable matching for cemented waste rock backfill and sand shaleJ.Jour-nal of Mining&Safety Engineering,2017,34(2):371-377.2 胡亚飞,李克庆,韩斌,
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35、portion of phosphogypsum-slag composite cementitious ma-terialJ.Metal Mine,2021(3):28-33.8 黄笃学,温震江,高谦,等.矿渣基充填胶凝材料开发及料浆配比优化研究J.金属矿山,2020(2):163-168.HUANG Duxue,WEN Zhenjiang,GAO Qian,et al.Development of slag-based cementitious filling material and the proportioning optimi-832总第 570 期 金 属 矿 山 2023 年第
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