劉之琨

摘要：近年來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需要也在日益加大，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)也有了更高的要求。由于大量礦物質(zhì)廢棄物排放和地下礦山開采而引發(fā)的環(huán)境污染、生態(tài)破壞問題已成為不可忽視的重大社會(huì)問題。采空區(qū)膠結(jié)充填既可以避免生態(tài)破壞，又能夠提高資源利用率、大量消耗固體廢棄物，具有顯著的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

本試驗(yàn)在介紹充填膠結(jié)材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，利用高爐礦渣為主要原料，以水泥熟料和石膏為活化劑，在不同配比下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，制備環(huán)保節(jié)能型充填膠凝材料。通過對(duì)膠凝材料的凈漿進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測試，從而確定最佳配比。然后在最佳配比下，再以粉煤灰、諾普尾礦、河砂作為膠結(jié)的骨料對(duì)制備的節(jié)能型膠凝材料進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，并與普硅水泥進(jìn)行對(duì)比。

關(guān)鍵詞：膠凝材料，抗壓強(qiáng)度，應(yīng)用性能，環(huán)保，節(jié)能

一、環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的定義及研究現(xiàn)狀

膠凝材料又稱膠結(jié)料，在物理和化學(xué)作用下，能從漿體變成堅(jiān)固的石狀體，并能膠結(jié)其他物料，制成有一定機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合固體的物質(zhì)。膠凝材料的發(fā)展有著悠久的歷史，而且膠凝材料具有一些優(yōu)異的性能，在日常生活中應(yīng)用較為廣泛。環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的提出，是針對(duì)傳統(tǒng)水泥資源和能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。作為一種新型的膠凝材料。環(huán)保節(jié)能型膠凝材料具有性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)。環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可消納大量具有活性的工業(yè)廢渣，即將工業(yè)廢渣作為混合材用來取代傳統(tǒng)水泥中部分或大部分熟料環(huán)保型膠凝材料的研究與制備，將促進(jìn)我國的水泥工業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展之路。

二、試驗(yàn)內(nèi)容

本課題利用高爐礦渣、水泥熟料、硬石膏等原料制備環(huán)保節(jié)能型充填凝膠材料，并通過性能指標(biāo)測定，與傳統(tǒng)膠凝材料水泥進(jìn)行比較，分析其膠凝應(yīng)用特點(diǎn)。主要包括以下兩個(gè)方面內(nèi)容：（1）環(huán)保節(jié)能型凝膠材料制備工藝研究，（2）膠凝材料在尾礦膠結(jié)中的應(yīng)用研究。

實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：膠砂攪拌機(jī)（JJ-5 型）、振實(shí)臺(tái)（ZT-96型）、試模及播料器（4㎝×4㎝×16㎝ 三聯(lián)試模，模高為40 mm，槽寬為40 mm）、養(yǎng)護(hù)箱（YH—40B 型）、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)與抗壓夾具（WAY-300 型）、刮平刀（長300mm 寬30mm）等

四、試驗(yàn)方法

（一）環(huán)保節(jié)能型充填膠凝材料制備試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)所用試驗(yàn)原料主要有高爐礦渣、水泥熟料、硬石膏、普硅水泥、安微諾譜鐵礦進(jìn)行試驗(yàn)。

通過試驗(yàn)探索環(huán)保節(jié)能型充填膠結(jié)材料的各種原料的配比，按照配比計(jì)算稱量原料后制備填充材料，然后攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)、脫模后至規(guī)定齡期測定其抗壓強(qiáng)度，最后確定膠凝材料最佳比例。

1、最佳配比的確定試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選用高爐礦渣BFS，水泥熟料和硬石膏。初步設(shè)定BFS摻加量分別為70%、75%、80%，水泥熟料和硬石膏的總和占其余比例，以5%變化率變化，再加上一定量的尾砂測其抗壓強(qiáng)度。尾礦1100g，灰砂比15%，總量1265g，所需要的水量是542g，即542ml水，礦漿濃度70%。按上述配比制作膠凝材料，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，分別記錄第3天、第7天和第28天的單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）隨著齡期的延長，各試體單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大;（2）3d、7d、28d單軸抗壓測試顯示強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在BFS：水泥熟料：硬石膏=70：15：15配比處。因此環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的最佳配比應(yīng)該在該配比值附近。

2、配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)與上述配比確定實(shí)驗(yàn)選用實(shí)驗(yàn)藥品相同，即高爐礦渣BFS，水泥熟料和硬石膏，此時(shí)選用水泥熟料含量以2%變化率變化，得出四個(gè)不同的比例，通過摻加不同比例的水泥熟料和硬石膏活化劑測其抗壓強(qiáng)度，記錄第3天，第7天和第28天單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）隨著齡期的延長，各試體單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大;（2）3d、7d、28d單軸抗壓測試顯示，強(qiáng)度最高的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料制備最佳配比為：高爐礦渣：水泥熟料：硬石膏=70：17：13。

（二）環(huán)保節(jié)能型充填材料膠凝應(yīng)用試驗(yàn)

1、應(yīng)用性能試驗(yàn)

為了考察制備的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的應(yīng)用性能，分別以粉煤灰，諾普尾礦，河砂為骨料，以節(jié)能型膠凝材料做膠結(jié)，分別養(yǎng)護(hù)3天、7天、28天，通過測試他們的單軸抗壓強(qiáng)度，并與普通硅酸鹽水泥做膠結(jié)材料的對(duì)比試體作比較，從而確定環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的應(yīng)用性能。根據(jù)各種骨料的密度，確定粉煤灰質(zhì)量為1054g，骨料濃度為62%，諾普尾礦的質(zhì)量為1190g，骨料濃度為70%，而河砂的質(zhì)量為1275g，骨料的濃度為75%。在此次試驗(yàn)中，灰砂比在骨料不同的情況下，他們的數(shù)值都是相同的，分別是10%、15%、20%，這樣有一定的對(duì)比關(guān)系，以不同骨料之間相互比較，從而更好的討論環(huán)保型充填膠凝材料的應(yīng)用的性能。

2、試驗(yàn)配比和試驗(yàn)結(jié)果

本文針對(duì)上述膠凝材料與普硅水泥進(jìn)行了砂漿實(shí)驗(yàn)，以考察其單軸抗壓強(qiáng)度。砂漿試驗(yàn)采用諾普鐵尾礦、河砂、粉煤灰，灰砂比取10%、15%、20%。相同灰砂比情況下試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）粉煤灰作為膠凝骨料時(shí)，試體單軸抗壓強(qiáng)度與灰砂比呈正比;環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強(qiáng)度不如普硅水泥強(qiáng)。（2）諾普尾礦作為膠凝骨料時(shí)，試體單軸抗壓強(qiáng)度與灰砂比呈正比;環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強(qiáng)度總體上要比普硅水泥強(qiáng)。（3）河砂作為膠凝骨料時(shí)，試體單軸抗壓強(qiáng)度與灰砂比呈正比;環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強(qiáng)度總體上要比普硅水泥強(qiáng)。

五、結(jié)果與討論

（一）環(huán)保節(jié)能型膠凝材料配比

通過試驗(yàn)確定的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的最佳配比為：高爐礦渣：水泥熟料：石膏=70：17：13。

（二）不同膠結(jié)材料砂漿單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比

通過比較發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)期的增長各種凝結(jié)材料凈漿的單軸抗壓強(qiáng)度基本是增大的趨勢。砂漿的強(qiáng)度與凈漿強(qiáng)度變化規(guī)律類似。而且無論是前期還是后期，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的單軸抗壓強(qiáng)度基本上都高于普硅水泥的單軸抗壓強(qiáng)度。

（三）節(jié)能型膠凝材料的應(yīng)用性能

通過環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的應(yīng)用試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中制備的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料在應(yīng)用過程中是可以對(duì)普硅水泥進(jìn)行部分替代的，在現(xiàn)實(shí)中是可以進(jìn)行廣泛應(yīng)用的。在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中膠結(jié)較粗骨料時(shí)，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料的抗壓強(qiáng)度是高于普硅水泥的。因此在一定條件下環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可以完全代替普硅水泥。

相對(duì)于普硅水泥來說，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可根據(jù)膠結(jié)的骨料不同而改變其配比，與普硅水泥相比有更好的靈活性，并具有低成本，無需煅燒，能耗低，無污染等優(yōu)勢。另外，環(huán)保節(jié)能型膠凝材料對(duì)顆粒較大的骨料的膠結(jié)效果較好，對(duì)細(xì)顆粒的骨料效果不理想。

（四）討論

通過試驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)：

1、由高爐礦渣、水泥熟料、石膏等制備的環(huán)保節(jié)能型膠凝材料可以完全替代部分水泥作為充填的膠凝材料。

2、普硅水泥完全可以被環(huán)保節(jié)能型膠凝材料所代替，不論是在性能方面還是在成本方面都有著出色的表現(xiàn)。并且具有無需煅燒，能耗低，無污染等優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

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