水泥活性系数在磁化水充填体中的应用

刘光清

（湖南水口山有色金属集团有限公司，湖南 衡阳 421513）

水泥活性系数在磁化水充填体中的应用

刘光清

（湖南水口山有色金属集团有限公司，湖南 衡阳 421513）

为确定某磁化水充填体的最佳磁化参数，利用两种方法来确定其最佳磁化条件，一是采用水泥活性系数，二是通过测定不同条件下充填体最大单轴抗压强度来确定，两者得到的结果是一致的。使用水泥活性系数得到最佳参数的时间比方法二早了28 d，说明利用水泥活性系数能够快速地得到磁化水的参数，提高了工作效率，可以广泛应用于实际生产中。

水泥活性系数；磁化水；充填体；抗压强度

由于环境保护越来越受到国家的重视，加上充填采矿法具有较低的贫化率和较高的回采率，能够充分地利用现有资源，并且能够控制地表的沉陷及控制地压等特点［1］，充填采矿法得到越来越广泛的应用。充入采空区的充填体需要一定的强度，否则就没有实际的价值，且强度越大越好。充填体的强度和水泥的含量、灰砂比、水的含量有关，一定条件下，水泥含量越高，充填体的强度越大，但是也增加了采矿的成本。在如何降低成本的情况下提高充填体的强度，这是一个值得探讨的问题。磁化水在生活当中的应用非常广泛，比如在矿山、医疗保健、农业、化工、冶金等方面，国内外很多的学者对磁化水混泥土进行过研究［2］。

在磁化水充填体方面，霍广新［3］等对磁化水处理后的高水充填体的抗压强度进行了研究，发现磁化水处理后的高水充填体强度比没有经过磁化水处理的高水充填体的抗压强度高35%。王新明［4］等发现在一定磁化条件下，磁化水全尾砂浆体的黏度、屈服剪切应力、沿程阻力损失都有一定程度的下降，特别是对于含硫高黏性的全尾砂来说优势更加明显。在磁感应强度B＝100～200 mT，水循环流速V＝1.4 ～2.0 m／s，磁化时间10～20 min时，经过不同的养护天数，磁化水全尾砂的抗压强度都有不同程度的改变，7 d后能提高19%～28%，14 d后提高17% ～25%，28 d后提高13% ～15%［5］。文献［6］发现磁感应强度为200 mT，水流速度0.3 m／s，经磁化水处理后的建筑垃圾充填体的坍落度、稠度提升15%～20%，抗压强度提升20%～30%，管道阻力损失减少27%。如果要得到最佳的磁化参数，需要测出经过养护的充填体的抗压强度，充填体的抗压强度最大，则使充填体抗压强度最大的磁化参数为最佳。这个过程需要很长的时间，文献［7］认为磁化水改变了水泥的活性，证实水泥的活性系数与磁程长度呈现显著相关，可以用水泥的活性来表示磁化效果，水泥活性越大，磁化效果越好。水泥活性与水流速度、磁化时间相关，与水泥的品种关系不大。这种方法大大地缩短了试验过程，提到了工作效率。

1 均匀布点试验

以某矿全尾砂为例，为获得全尾砂的最佳磁化参数，首先考虑影响磁化水效果的因素，主要有磁场强度、磁化时间、水流速度等。按照均匀布点的理论［8］，设计试验方案。磁场强度取值分别为 50 mT、100 mT、150 mT、200 mT、250 mT、300 mT。时间取值为5 min、10 min、15 min、20 min、25 min。水流速度为0.8 m／s、1.1 m／s、1.4 m／s、1.7 m／s、2.0 m／s、2.3 m／s。表1为均匀布点设计方案表，图中的数字是各个取值从小到大排列，如1表示各个因子取值的最小值，x1代表磁场强度，x2代表磁化时间，x3代表水流速度。

表1 均匀设计方案表

本试验采用直径50mm×高 100mm圆柱形试模，在试模内进行充填浆料的浇注，养护72 h后进行试件脱模，每做完一组编上组号与日期，并送恒温、恒湿养护室继续养护。养护28 d后测试充填体抗压强度。试验采用中国科学院武汉岩石力学研究所研制的RMT-150C岩石力学试验系统，充填体的单轴压缩试验分成30组试验，每3个分为一组，共有90块充填体。以最大充填体抗压强度为目标，试验得到的最佳参数磁感应强度为200 mT，时间为20 min，水流速度为2 m／s。

2 水泥活性试验

如图1所示，将一薄层水泥均匀地铺摊在水平放置的玻璃板上，用酸性滴定管分别滴入自来水和磁化水，相同时间间隔内记录水的湿润面积［7，8］。

磁化水对水泥的活性应该强于自来水，在相同的时间间隔内，磁化水湿润区域的面积应该较自来水湿润面积大。为定量描述磁化水对水泥的活性，引入公式（1）：

图1 浸湿区域面积测量示意图

式中：A为磁化水作用于某种水泥时浸湿的面积；A0为在相同时间内自来水作用于某种水泥时浸湿的面积；Vgc为活化系数。如果Vgc大于0，说明磁化水的水泥活性强于自来水，反之则差，该数值越大越好，其值测量采用网格法。

3 试验结果与分析

按照上述的均匀布点理论方法及设计方案，测试不同条件下的水泥活性系数，得到的结果见表2、表3。

表2 水泥活性系数试验结果表

表3 单轴抗压强度试验结果表

从表2可以得到基于水泥活性系数的最佳磁化参数条件，这和基于充填体抗压强度得到的磁化条件是相同的。通过两者比较可以发现磁化水充填体强度与水泥活性系数成正相关，即水泥活性系数越大，磁化水充填体的抗压强度也越大。图2为磁化水单轴抗压强度与水泥活性系数的关系。

图2 充填体抗压强度与磁化水水泥活性关系

通过对数据进行拟合，得到如下公式：

式中：y为磁化水充填体的单轴抗压强度；x为水泥活性系数。

对此，分析其主要原因，首先因为水泥的水化只发生在水泥颗粒的表面，但是水泥表面的胶体膜会阻止水泥颗粒的充分水化，从而降低充填体的强度。但是被磁场磁化后的水（一定流速切割磁场线的水），使得原来是大分子的团分解成单个分子的水，这些单分子的水物理化学活性很强，渗透能力也很强，能够渗入到水泥颗粒的内部，让水泥进行深度的水化。普通的水则相反，基本上单分子的水组合成大的分子团，极小数的单分子游离在水中，不能充分地浸入到水泥分子的内部，使水泥充分水化，故不能够提高充填体的强度［2］。水泥活性系数越大，表明磁化的效果越好，水中单分子数目越多，能充分使水泥水化，最终提高充填体的抗压强度。

4 结 论

1.按照均匀布点的理论设计试验方案，得到了最佳的磁化参数是磁场强度200 mT、时间为20 min、水流切割磁场线的速度是2 m／s，这和基于水泥活化系数得到参数是一致的，说明水泥活性系数能够用于确定最佳的磁化水参数。

2.传统的试验方法确定最佳的磁化水充填体参数要28 d，本次试验是测试28 d的充填体单轴抗压，所以需要较长的时间，但是基于活化性系数的方法只需要较短的时间。

3.用均匀布点理论能够确定最佳磁化条件，可以减少试验次数，能够方便地找出最佳磁化条件。

4.经过一定条件磁化后的水用于搅拌充填体，能够提高充填体的单轴抗压强度，在另一方面相当于能够减少充填成本，具有实际价值。

［1］张海波，宋卫东，许英霞.充填采矿技术应用发展及存在问题研究［J］.黄金，2010，（1）：23-25.

［2］王立久，李慧芝.磁化水混凝土的研究现状及进展［J］.建材技术与应用，2007，（1）：13-16.

［3］霍广新，张洪涛，胡全利，等.磁处理提高水充填材料凝胶体的抗压强度［J］.东北大学学报，1996，（2）：163-166.

［4］王新民，李帅，张钦礼，等.基于磁化水的含硫高黏性全尾砂充填新技术［J］.中南大学学报（自然科学版），2014，（12）：4 245 -4 250.

［5］王新民，杨建，张钦礼.基于磁化水的建筑垃圾深井充填新技术［J］.中国矿业大学学报，2014，（6）：981-986.

［6］王新民，贺严，李帅，等.基于磁化水的全尾砂胶结充填体强度研究［J］.中国安全生产科学技术，2014，（4）：80-84.

［7］熊瑞生，张雪颜，郑澎，等.磁化水对水泥活性的影响因素及其相关性研究［J］.信阳师范学院学报（自然科学版），2013，（3）：457-460.

［8］熊瑞生，姚庆钊，易秋玲.磁化水对水泥活性影响的检测［J］.信阳师范学院学报（自然科学版），2007，（1）：113-115.

［9］方开泰.均匀试验设计的理论、方法和应用［J］.数据统计与管理，2004，（23）：99-106.

Activity Coefficient of Cement in the Application of the Magnetized Water Filling Body

LIU Guang-qing
（Shuikoushan of Hunan Nonferrous Metals Group Co.，Ltd.，Hengyang 421513，China）

To determine optimum magnetized parameters of magnetized water filling body，using two methods to determine its optimum magnetization conditions，one is to use cement activity coefficient，the second is by measuring different filling body under the condition of maximum uniaxial compressive strength to determine.The results are consistent.Using cement activity coefficient to get the best parameters for 28 days earlier than method 2，which shows that using cement activation coefficient can quickly get the parameters of the magnetized water，improve the working efficiency.It can be widely used in practical production.

activity of cement coefficient；magnetized water；filling body；the compressive strength

TD352+.3

A

1003-5540（2015）06-0004-03

2015-09-16

刘光清（1990-），男，助理工程师，主要从事采矿工程与矿井通风等方面的工作。