基于煤矸石综合利用的新型充填材料性能研究*

封 鑫，刘娟红，纪洪广

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)－0012－04

煤矸石是我国排放量最大的工业废渣，约占全国工业废渣排放总量的1/4[1]。煤矸石露天堆放时，不仅压占大量土地，而且严重污染矿区环境[2]。如何实现煤矸石的合理开发与矿山地质环境保护治理工作相互融合，改善矿山地质环境和生态环境，成为矿山面临的新课题[3－4]。利用煤矸石作充填骨料[5]，可以解决煤矸石排放问题，消除地表贮存的煤矸石对环境和水资源的污染，降低充填成本。国内外在采空区充填中，大多采用水泥作为充填胶结料。长期以来，数以万吨计的水泥耗费在了采空区的回填当中[6]。这就给矿山带来了巨大的经济压力，严重限制了在矿山充填中的应用和发展。而且，在已有水泥作胶凝材料运用于煤矸石的充填试验中，充填体的28d单轴抗压强度也仅为1个多兆帕[7－8]。因此，研制一种环保型、性能优良的无水泥新型胶凝材料已经成为了当今充填技术的主攻方向。本论文采用不同粒径煤矸石作充填骨料，研究新型充填材料的流动性和抗压强度，分析其微观结构，并与水泥基充填材料进行对比。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

北京水泥厂生产金隅P.O42.5水泥，主要性能见表1;未燃烧破碎到不同粒径区间的煤矸石，粒径组成和化学成分测定检测结果见表2和表3;无水泥新型胶凝材料，该材料由多种无机材料经过粉磨、优选、优化配制而成，呈灰白色细粉末状，无毒、无害、环保，具有水泥所不具备的良好特性，凝结时间可调、无收缩、成本低。

表1 水泥的主要性能

表2 煤矸石粒径组成

表3 煤矸石化学成分测定检测结果/%

1.2 试验方法

采用不同粒径的煤矸石与水泥或无水泥新型胶凝材料按不同的质量浓度混合，制备充填材料，充填材料的流动度采用水泥净浆流动度测定方法，按照《混凝土外加剂匀质性实验方法》(GB 8077-2000)进行测试。在无泵送设备的工艺条件下，实际工程中采用高流动性的充填材料，充填材料流动度要求能够达到150mm。

采用70.7mm ×70.7mm ×70.7mm 标准三联试模成型，每一配比共成型6个试块，脱模后标准养护，到规定龄期后，测定其14d，28d的单轴抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 煤矸石粒径对水泥基充填材料性能影响

采用水泥作为胶凝材料，不同粒径的煤矸石作充填骨料来进行试验。水泥基充填材料的配比及性能见表4。

表4 水泥基充填材料的配比及性能

由表4可知，煤矸石粒径相同时，随质量浓度的减小，流动度越来越好，但是抗压强度也在减小;随着煤矸石粒径的减小，要达到相同的流动度时，所需要的用水量越来越大，即充填材料的质量浓度越来越小，此时充填材料的各龄期抗压强度也在减小。而在流动度达到150mm的前提下，28d的抗压强度最大时也仅为1.50MPa。

2.2 煤矸石粒径对新型充填材料性能影响

采用无水泥新型胶凝材料，不同粒径的煤矸石作充填骨料，研究在相同配比的情况下新型充填材料的性能。新型充填材料的配比及性能见表5。

表5 新型充填材料的配比及性能

由表5可知，煤矸石粒径对新型充填材料性能的影响规律与水泥基充填材料基本相同。这是由于当煤矸石粒径减小时，骨料的总比表面积增大，在胶凝材料用量相同时，要使充填材料达到同样的流动性，必须增加用水量。但用水量的增加又会使充填材料的抗压强度减小。另外，当新型充填材料的流动度达到150mm以上，粒径在 0.075mm ～1.18mm 和 0.075mm ～0.6mm时的28d抗压强度都能超过2MPa，比水泥基充填材料的抗压强度分别提高约1.9MPa和1.7MPa。

2.3 水泥基充填材料与新型充填材料性能分析

以煤矸石粒径在0.075mm～0.6mm为例，在不同质量浓度时，水泥基充填材料与新型充填材料的流动度见图1。在其它条件相同时，新型充填材料的流动度较水泥基充填材料小，但都能达到150mm，满足充填要求，且新型充填材料的保水性更好。其它粒径的影响规律与上述相同。

图1 煤矸石粒径在0.075mm～0.6mm时水泥基充填材料与新型充填材料的流动度对比

以煤矸石粒径在0.075mm～0.6mm为例，在不同质量浓度时，水泥基充填材料与新型充填材料的28d抗压强度见图2。在其它条件相同时，新型充填材料的28d抗压强度比水泥基充填材料大，比水泥基充填材料的抗压强度分别提高约1.7MPa。其它粒径的影响规律与上述相同。

图2 煤矸石粒径在0.075mm～0.6mm时水泥基充填材料与新型充填材料的28d抗压强度对比

从图1和图2中的水泥基充填材料与新型充填材料的流动度和28d抗压强度对比来看，虽然新型充填材料的流动度相对于水泥基充填材料时更小，但是仍然能够达到充填要求，而充填材料的抗压强度却能得到大幅度提高。

2.4 SEM-EDX分析及机理探讨

对煤矸石粒径在0.075mm～0.6mm、72%质量浓度的水泥基充填材料与新型充填材料，分别对其28d、56d的龄期形貌以及能谱进行了分析。

图3 充填材料(煤矸石粒径0.075mm～0.6mm、质量浓度72%)28d龄期的SEM图

在图3的扫描电镜图中可以发现:水泥基充填材料中骨料与水泥基凝胶体的结合较为疏松，孔隙较多。而新型充填材料中骨料与凝胶体的结合非常紧密，且凝胶体密实，分布均匀。

图4、图5分别是水泥基充填材料与新型充填材料56d龄期的SEM、EDX图。从图4(a)下观察到生成的C-S-H凝胶以Ⅰ型和Ⅱ型为主;从图5(a)下观察到生成的C-S-H凝胶颗粒是“云状”的。从能谱图4(c)、图5(c)可以看出，新型充填材料中的C-S-H凝胶体的Ca/Si有很大程度的降低。Ca/Si的降低，有利于强度的发挥与耐久性的改善。

图4 水泥基充填材料56d龄期的SEM与EDX图

图5 新型充填材料56d龄期的SEM与EDX图

新型充填材料硬化体的微结构取决于水化产物的组成及结构。SEM检测结果表明，在孔坑中填充大量的CSH凝胶，从凝胶的形态可以看出与普通水泥体系中所含的CSH在形貌上有很大的不同。这是由于无水泥胶凝材料在水化过程包括了水化反应和火山灰反应，这两类反应交替进行，且相辅相成;另外，无水泥胶凝材料在水化时还会与煤矸石粉体或粘土发生反应，生成更多的固化产物，提高充填体的密实程度，并将煤矸石粉体或粘土胶接起来，形成具有一定连续性的硬骨架。

3 结果

(1)用水泥作胶凝材料时，充填材料的流动性都能达到充填要求，但是28d抗压强度最大时也仅为1.50MPa。

(2)使用无水泥胶凝材料时，充填材料的流动性能达到充填要求，而且强度得到大幅度提升，粒径在0.075mm ～1.18mm和0.075mm ～0.6mm 时的 28d 抗压强度都能超过2MPa，比水泥基充填材料的抗压强度分别提高约1.9MPa 和1.7MPa。

(3)扫描电镜试验表明:水泥基充填材料中骨料与水泥基凝胶体的结合较为疏松，孔隙较多。而新型充填材料中骨料与凝胶体的结合非常紧密，且凝胶体密实，分布均匀。

(4)能谱图表明:新型充填材料中的C-S-H凝胶体的Ca/Si有很大程度的降低。Ca/Si的降低，有利于强度的发挥与耐久性的改善。

[1]崔俊华.全煤矸石-粉煤灰烧结砖试验研究[J].河北建筑科技学院学报，2001，3，18(1):9-13.

[2]刘志钧.煤矸石似膏体充填开采技术研究[J].煤炭工程，2010，(3):29-31.

[3]李鹏波，胡振琪，吴军等.煤矸石山的危害及绿化技术的研究与探讨[J].矿业研究与开发，2006，26(4):93-96.

[4]刘元明，丁瑞，田伟等.煤矸石井下充填置换技术的研究与应用[J].煤炭加工与综合利用，2009(5):50-52.

[5]郑保才，周华强.煤矸石膏体充填材料的试验研究[J].采矿与安全工程学报，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，张钦礼等.煤矸石作为胶结充填骨料性能的实验研究[J].矿业快报，2006，(3).20-23+63.

[8]王新民，曹刚，龚正国.煤矸石作充填骨料的似膏体料浆流动性能试验研究[J].矿业快报，2008，(1).20-23