泡沫砂浆配合比的设计

2016-05-12杨蔡君王小敏

现代矿业 2016年3期

关键词：灰砂尾砂发泡剂

杨蔡君　王小敏　王　浩

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

泡沫砂浆配合比的设计

杨蔡君1，2，3王小敏1，2，3王浩1，2，3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

摘要为解决我国尚无泡沫砂浆标准的配合比设计方法，通过研究泡沫砂浆各种原材料性能和在大量试验的基础上，运用数理统计归纳分析，设计出确立泡沫砂浆的质量密度和灰砂比来计算出泡沫砂浆的配合比，进而指导其生产工艺工程，确保产品质量。

关键词泡沫砂浆配合比灰砂比质量浓度

矿产资源的开采，是现代化工业生产的基础。随着我国社会主义现代化事业的建设，必然要对矿产资源进行大规模和高强度的开采，因此不可避免的对生态环境产生了严重的负面影响，例如地表下沉、塌陷，排放的“三废”污染环境等。而我国每年采选过程中产生的尾砂和废石约占“三废”中固体废弃物总量的80%[1]。尾矿泡沫砂浆是利用物理方法将发泡剂制成泡沫水溶液，与水泥等胶凝材料、水、尾砂、掺和料、外加剂等按一定比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。由于在充填过程中，泡沫砂浆表现出了优于常规砂浆充填的轻质性、流动性、均衡性、抗离析性、接顶性率高等特点，目前被广泛应用于采矿充填技术中。

现阶段，我国泡沫砂浆配合比设计尚没有标准方法，本文通过试验确定泡沫砂浆的灰砂比和质量浓度，来建立泡沫砂浆的配合比，希望能够对尾矿泡沫砂浆的生产和检验提供有益参考。

1配合比设计的基本原则

根据矿山充填体强度的要求及当地尾砂等现场原材料条件，充填用泡沫砂浆配合比设计应遵循四项原则:①强度要求，抗压强度分别达到矿山强度充填体需要达到的要求；②泡沫砂浆凝结硬化后保证具有较高的早期强度，缩短施工工期，提高出矿产量；③所选配合比经济可行，能有效的降低充填成本；④施工性能良好，具有良好的流动性和浆体稳定性，充填过程料浆不离析不跑浆，能保证充填的顺利进行[2]。

2配合比设计的基本原理

泡沫砂浆的抗压强度、流值决定了泡沫砂浆的性能，配合比通过固定的灰砂比和质量浓度的条件下，来达到控制泡沫砂浆的流值和抗压强度的目的。配合比设计的基本原理如下：

(1)通过灰砂比确定尾砂和水泥用量的比例关系。

(2)通过尾砂和水泥用量的比例关系，用质量浓度来确定泡沫砂浆的用水量比例。

(3)按照水泥、尾砂、用水量的比例关系，可以确定配合比中在不加入泡沫的情况下各种原材料的掺量。

(4)加入泡沫后，通过气泡率计算出配合比中各种原材料的掺量。

在确定各物料配合比时，应注意某些材料的缓凝性，它们会对早期强度变化特别是料浆的初凝有重要影响，加量较大时可能会降低浇筑的稳定性，甚至引起塌模，因此，要控制他们的用量。任何一种设计计算，与生产实际之间总会存在一定的偏差，还需要进行反复的调整，然后才能在生产中应用，并不断完善[3]。

3试验泡沫砂浆配合比的的设计

根据规范[4]，泡沫砂浆的设计湿密度与各组分的关系应按下列公式确定：

(1)

(2)

式中，ρW为泡沫轻质土设计湿密度；RC为每立方米泡沫轻质土中水泥的质量；RS为每立方米泡沫轻质土中集料的质量；RW为每立方米泡沫轻质土中水的质量；Rf为每立方米泡沫轻质土中泡沫的质量；RX为每立方米泡沫轻质土中外加剂的质量；ρC为水泥密度；ρS为集料密度；ρX为外加剂密度；ρf为标准泡沫密度。

在固定灰砂比和质量浓度的条件下，无外加剂和泡沫的情况下，砂浆配合比设计的关系式为：

(3)

(4)

(5)

式中，S为砂的质量；C为水泥的质量；W为水的质量；ρS为砂的密度；ρC为水泥的质量。

假设气泡率为D，加入发泡剂后：每立方米料浆中砂的质量为RS=S(1-D)；每立方米料浆中水泥的质量为RC=C(1-D)；每立方米料浆中水的质量为RW=W(1-D)。因满足泡沫轻质土施工、质量要求最低泡沫表观密度规定为50 kg/m3，故每立方米料浆中Rf=(50D)/100[2]。

4试验泡沫砂浆的制备

4.1普通尾矿砂浆的制备

试验室拌制普通尾矿砂浆，按照配合比依次量取尾砂、水泥、水等原材料，放入搅拌机中搅拌，拌合时间不少于2 min。

4.2泡沫砂浆的制备

在尾矿砂浆中引入气泡的方法有两种：一种是将发泡剂直接加入到砂浆中同时搅拌发泡；另一种是先制泡再与砂浆拌合。前一种方法由于是在水泥浆中形成气泡，水泥浆黏度较大，且在搅拌初期料浆不均匀，一般不能充分发挥发泡剂的作用。因此，需要的发泡剂用量大，成本较高且泡径不匀，不适用于制备泡沫砂浆。后一种是预先制泡的方法，即采用高速搅拌机，利用搅拌机的高速叶片搅拌发泡剂溶液制取泡沫。采用这种方法不仅可以将发泡剂完全转变成泡沫且泡径均匀，能形成类似“剔须泡沫”。试验采用先制泡再与砂浆拌合的方法[5]。尾矿泡沫砂浆试验工艺流程见图1。

图1　尾矿泡沫砂浆试验工艺流程

5配合比设计工程实例

5.1设计要求

工程为和睦山铁矿充填工程，设计泡沫砂浆强度为2 MPa，流值为170±10 mm。

5.2设计原则

泡沫砂浆配合比设计原则为通过确定泡沫砂浆的灰砂比和质量浓度，进而计算出每平方米中各种原材料的掺量。

5.3设计步骤

(6)

式中，ρS取2 400 kg/m3；ρC取3 100 kg/m3；ρF取 2 600 kg/m3，经计算可得到未加泡沫剂时，每立方米料浆中水泥的含量为：C=1/0.005 336=187.42 kg/m3，每立方米尾砂的含量为S=6C=1 124.50 kg/m3，每立方米水的含量为W=2.417C=452.99 kg/m3，每立方米粉煤灰的含量为F=0.25C=46.86 kg/m3，从而可以得到在未加泡沫剂的情况下，每立方米中尾砂的含量为1124.50 kg/m3，水泥的含量为187.42 kg/m3，水的含量为452.99 kg/m3，每立方米中粉煤灰的含量为46.86 kg/m3。

假设加入发泡剂和减水剂后，气泡率为25%，则每立方米料浆中水泥的含量为RC=C(1-D)=140.56 kg/m3≈141 kg/m3，每立方米尾砂的含量为RS=S(1-D) =843.375 kg/m3≈844 kg/m3，每立方米水的含量为RW=W(1-D)=339.743 kg/m3≈340 kg/m3，每立方米粉煤灰的含量为RF=F(1-D)= 35.145 kg/m3≈36 kg/m3，每立方米减水剂的含量为RW=2.0%C=2.82 kg/m3。1∶8系列试验配合比见表1。

由表1可知，以上配合比经测试，各项性能指数符合试验室要求，浇筑砂浆试块时砂浆料浆呈现良好的充填性，拆模后试块质量均匀。

6结语

(1)通过确定泡沫砂浆的质量浓度和灰砂比，进而计算出设计泡沫砂浆的配合比。

(2)通过泡沫砂浆配合比的设计，可以有效的控制水泥、尾砂、泡沫剂的掺量优化各原材料之间的比例关系，进而达到控制泡沫砂浆质量的目的。

(3)此配合比设计方法在试验室试验中达到了预期的效果，但在工程实践中，由于现场施工条件的限制，尚未进行现场施工试验，因此对于现场的适用性尚需进一步研究论证。

参考文献

[1]杜向红.铅锌矿尾砂综合回收与利用技术研究[D].长沙：中南大学，2012.