建筑垃圾-粉煤灰基胶结充填材料实验研究

2015-10-16陈维新

黑龙江科技大学学报 2015年6期

陈维新

（黑龙江科技大学矿业研究院，哈尔滨150022）

0 引言

煤炭开采给环境带来了巨大压力，最为突出的环境问题是地表沉陷和地下水流失。充填开采是煤矿迈向“无害化”、“安全化”生产的有效途径，但目前无法实现大面积推广，主要原因是充填材料成本过高。中国每年大约有6.5 亿m2 的新建住房，新建住房施工产生的建筑垃圾全年约4 000 万t。旧楼拆迁产生的建筑垃圾，全年约4 000 万t，两者结合起来数量巨大[1-3]。而边远地区电厂产生的粉煤灰供大于求，导致大量粉煤灰废弃在野外。建筑垃圾和废弃粉煤灰给环境带来很大的压力。如将建筑垃圾和粉煤灰回收加工后大量掺入充填材料，并能够达到充填材料的性能要求，则既解决了建筑垃圾和废弃粉煤灰的环境污染问题，又解决了充填材料造价普遍较高的问题。因此，笔者通过正交实验确定建筑垃圾-粉煤灰基胶结充填材料的最佳配方，并分析充填材料的力学特性。

1 原料及其组成关系

充填骨料为建筑垃圾经破碎后的再生骨料（按1 m3建筑垃圾筛取出砖块、玻璃、瓷砖、混凝土的比例混合，作为充填骨料），如图1 所示。水泥为亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产的天鹅牌32.5 复合硅酸盐水泥，粉煤灰为哈尔滨电厂废弃煤灰，拌和水为自来水，外加剂为氯化钠和无水碳酸钠（质量比1∶3）。原材料组成关系如图2 所示。

图1 破碎后的建筑垃圾Fig.1 Construction waste after crushed

图2 充填原材料组成关系Fig.2 Relationships between filling materials

2 实验方案与方法

2.1 正交实验

取建筑垃圾（A）、浆骨比（B）、水胶比（C）和粉泥比（D）为实验因素，各因素分别取三个水平，正交实验因素水平如表1 所示。

表1 正交实验因素水平Table 1 Levels and factors of orthogonal test

根据表1 设计9 组不同配方，如表2 所示。

表2 正交实验方案及结果Table 2 Programs and results of orthogonal test

2.2 充填材料制备

按照表2 所示9 组不同配方，采用电子天平称取实验原材料。将7.07 cm ×7.07 cm ×7.07 cm 三联试模底部用木塞塞上防止浆液流出。然后将所称水、粉煤灰、水泥和外加剂先后倒入强制搅拌器搅拌5 min，再将称好的建筑垃圾倒入后再次搅拌10 min，制成充填浆料。将制好的充填浆料倒入抗压试模，采用手持式平板振动器振捣成型，然后用刮刀将上面抹平再用塑料布盖住表面，将试模放入标准养护箱中养护。

2.3 单轴抗压强度测定

将养护3 d 的试模从标准养护箱取出，拔出木塞，用气泵、脱模枪脱模，使用YAW-300 Sinter 微机控制全自动水泥压力机测量试块的单轴抗压强度，记录实验数据。之后分别养护7、28 d，再测量充填材料试块的单轴抗压强度。

3 结果分析

3.1 正交实验极差分析

正交实验结果，如表2 所示。根据表2 进行抗压强度极差分析，结果如表 3 所示，其中 σc，3d、σc，7d、σc，28d分别表示养护3、7、28 d 的抗压强度，i 表示影响因素的三个水平，Ki表示某影响因素取第i 水平的三个试块抗压强度之和，ki是Ki 的平均值，R 表示影响因素的极差[4-6]。

表3 抗压强度极差分析Table 3 Analysis of compressive strength ange

根据抗压强度极差分析结果，判断因素的主次影响顺序。由表3 可以看出，龄期为3 d 的试块抗压强度极差B>C>A>D，抗压强度影响因素的主次顺序为浆骨比、水胶比、建筑垃圾、粉泥比。其中，B 与C 接近，数值约为A 与D 的两倍，因此，龄期为3 d试块的抗压强度主要取决于浆骨比与水胶比的取值。龄期为7 d 的试块抗压强度极差C>D>A>B，抗压强度影响因素的主次顺序为水胶比、粉泥比、建筑垃圾、浆骨比。龄期为28 d 的试块的抗压强度极差C>D>B>A，抗压强度影响因素的主次顺序为水胶比、粉泥比、浆骨比、建筑垃圾。

分析表3 亦可知，建筑垃圾占量越少，试块抗压强度越大；浆骨比和水胶比逐渐增大，试块的抗压强度逐渐减少；粉泥比逐渐减少，试块的抗压强度逐渐增大。因此，各因素的优化水平组合为A3B1C1D3，即建筑垃圾为 1 000 g，浆骨比为 0.4，水胶比为0.7，粉泥比为5/3，建筑垃圾和粉煤灰分别占材料总质量的71.4%和5.4%。

3.2 凝结时间与水胶比的关系

建筑垃圾无胶凝特性，因此，材料的凝结时间主要针对胶结材料和水混合而成的胶结浆体。胶结材料与水混合后发生水化反应，胶结浆体随着水化反应的进行逐渐凝固，变成拥有一定强度的固体。浆体凝结过程中所用的时间称为凝结时间，凝结时间又分为初凝时间和终凝时间。初凝时间直接影响充填浆液的输送性能，当浆体发生初凝时将不可被输送。为防止堵管等现象，必须保证材料初凝时间大于浆液输送时间，所以需要对胶结浆体的初凝时间进行测定。终凝时间则决定拆模的时间，所以需要测定终凝时间[7-8]。

胶结浆体凝结时间的影响因素主要是水胶比。水胶比选择0.70、0.75、0.80 三个水平，配制三组胶结浆体，进行凝结时间测定，结果如图3 所示。由图3 可知，初凝时间分别为 141、180、232 min，终凝时间分别为205、231、276 min；在水胶比为0.7 时，凝结时间最小，凝结时间随水胶比的增加而增加。因为水胶比增大，胶结材料浓度减小，浆液中水化反应生成更大胶凝结构的几率变小，所以初凝时间和终凝时间增加。由图3 也可知，材料的终凝时间均在8 h 以内，而煤矿的工作制一般为“三八”制，这说明材料在一个工作班内就可以完成充填及拆模，因此，材料具有快凝的特性。

图3 水胶比与凝结时间的关系Fig.3 Relationship between water cement atio and setting time

3.3 材料力学特性

按配方制得实验块后，通过压力机可以得到3 d 龄期载荷-时间曲线，如图4 所示。由图4 可知，曲线可分为四个阶段：第一阶段为压缩阶段，曲线曲率逐渐增大。第二阶段为弹性阶段，曲率斜率近似常数，载荷与时间基本成线性关系。第三阶段为塑性变形阶段，曲线曲率逐渐减小，达到载荷峰值，这说明在受压破坏时实验块表现出很强的塑性。其破坏过程为缓慢渐进的，而不是突发的。这对矿山充填的井下安全极为有利。第四阶段为屈服破坏阶段，曲线曲率逐渐增大，试块产生明显裂纹，直至完全破坏丧失强度，如图5 所示。但材料屈服后残余强度高，约为极限强度的70%～90%，因此，充填体具有良好的承载能力[9-10]。