磷石膏基灌浆填充料配制技术试验研究

陈嘉康，刘宁，陈兵

（上海交通大学土木工程系，上海 201100）

磷石膏基灌浆填充料配制技术试验研究

陈嘉康，刘宁，陈兵

（上海交通大学土木工程系，上海 201100）

以工业废弃物磷石膏作为基础材料，制备了一种新型灌浆填充材料。研究了硅酸盐水泥、微硅粉、速凝剂和减水剂对灌浆填充料流动性、凝结时间和力学性能的影响。结果表明：减水剂的掺入有效地改善了填充料的流动性；速凝剂能使填充料的凝结硬化速度达到工程要求；在硅酸盐水泥、微硅粉及生石灰的激活下，磷石膏基灌浆填充料的后期强度大大提高。通过优化配比，可以制备出初始流动度达到300 mm、在4 h内凝结硬化且28 d抗压强度达到20.0 MPa以上的灌浆填充料。

磷石膏；灌浆填充料；化学添加剂；工作性；力学性能

采矿工业中形成的采空区和磷石膏堆场中形成的溶洞都有导致地面塌陷、开裂、失稳的可能，同时极易引发泥石流，危害十分严重。胶结充填法是处理这类隐患的重要方法[1-2]。目前采用的胶结剂大多以硅酸盐水泥为主要胶凝材料，成本较高，研究其它价格低廉同时保证强度的材料来替代水泥具有十分重要的意义。磷石膏作为工业废弃物，利用率很低，堆存量很大，占用了大量的土地资源，磷石膏的处理成为一个急迫且重要的问题[3-4]。

已有不少研究工作围绕磷石膏的资源化开展，张光存等[5]开发出以磷石膏、生石灰、NaOH和芒硝为替代水泥的胶凝材料，其28 d抗压强度达9.56 MPa。目前所用的胶结剂大部分是水泥基材料，能实现自流平、在较短的时间内凝结硬化以及具备一定的力学强度等。而对于磷石膏基材料，缺乏对这些性能的系统研究与评价。本文研究以原状的磷石膏和粉煤灰为主要基材，辅以少量的水泥和添加剂，开发一种新型灌浆填充料，具有高流动度、快速硬化固结和优异的力学性能等特点。为磷石膏的资源化利用提供了新的方向，同时可降低充填废弃矿井的经济成本。

1　试验

1.1原材料

磷石膏：取自贵州翁福化工有限责任公司磷石膏堆放场，呈浅灰色粉状，含水率18%～22%；粉煤灰：未经处理的原状灰，呈深褐色，贵州翁福化工有限公司提供；水泥：P·O42.5水泥，上海海螺水泥有限公司；微硅粉：粒径0.01～0.1 μm，Elken公司提供。磷石膏、粉煤灰、水泥和微硅粉的主要化学成分见表1。

表1　磷石膏、粉煤灰、水泥和微硅粉的主要化学成分%

生石灰：产自厦门龙兴达矿产品有限公司，主要成分氧化钙含量为65%～70%。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，固含量30%，减水率30%～45%，国药集团化学试剂生产有限公司。

速凝剂：铝酸钠，化学纯，国药集团化学试剂生产有限公司。

1.2试件制作与养护

首先，将粉体材料及固体添加剂（速凝剂）按预定比例加入到搅拌机，搅拌2 min左右，再将水与液体添加剂（减水剂）搅拌均匀后加入到搅拌机，继续搅拌2 min左右，使料浆拌合均匀，然后浇模成型试件。

试件成型后置于自然环境（25～35℃、相对湿度40%～60%）下养护，1 d后拆模，继续养护至规定龄期后分别进行相关性能测试。

1.3性能测试

灌浆填充料的流动度按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试；力学性能按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试，抗压强度测试在300 kN的液压伺服试验机上进行，施加荷载速度为0.3～0.5 MPa/s；凝结时间按照GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。

2　结果与讨论

2.1磷石膏基灌浆填充料的新拌性能

2.1.1减水剂掺量对灌浆填充料流动度的影响

为了达到既降低水灰比又满足高流动度的目的，掺入一定量的减水剂是一个简便且高效的方法。试验配比为：水灰比固定为0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（生石灰）∶m（微硅粉）=80∶20∶12∶6∶6，减水剂掺量（按占磷石膏和粉煤灰总质量计，下同）对磷石膏基灌浆填充料流动度的影响见图1。

图1　减水剂掺量对灌浆填充料流动度的影响

由图1可见，当减水剂掺量在0.6%～0.8%时，随减水剂掺量的增加，灌浆填充料的初始流动度稳步增大，但30 min流动度损失较为严重，减水剂掺量为0.6%～0.7%时，30 min流动度仅为140～160 mm；当减水剂掺量从0.8%增加到1.0%时，灌浆填充料的初始流动度基本保持不变，维持在325～330 mm，30 min流动度保持在270～300 mm，此时，减水剂对磷石膏灌浆填充料浆体的初始流动度影响接近饱和，对30 min流动度的保持效果较好。

2.1.2速凝剂掺量对灌浆填充料凝结时间的影响

为保证填充灌浆技术效果，要求配制出的灌浆填充料能在4 h左右凝结硬化，在磷石膏掺量高达65%的情况下，灌浆料的凝结硬化速度缓慢。速凝剂的掺入能有效地缩短凝结硬化时间[6]，加快浆体反应速度。研究了铝酸钠[7]作为速凝剂对灌浆料凝结时间的影响。试验配比为：水灰比固定为0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（生石灰）∶m（微硅粉）∶m（减水剂）= 80∶20∶12∶6∶6∶0.8，速凝剂掺量（按占磷石膏和粉煤灰的总质量计，下同）对磷石膏基灌浆填充料凝结时间的影响见图2。

图2　速凝剂掺量对灌浆填充料凝结时间的影响

由图2可见，速凝剂铝酸钠的掺入对缩短灌浆料凝结时间具有非常明显的效果。未掺速凝剂的灌浆填充料终凝时间超过24 h；当速凝剂掺量为0.2%时，其终凝时间迅速下降至10 h左右；当速凝剂铝酸钠掺量为0.5%时，其凝结硬化时间保持在3.5 h左右，基本能满足工程应用对灌浆料在3～4 h内凝结硬化的要求。

2.2磷石膏基灌浆填充料的力学性能

2.2.1微硅粉掺量对灌浆填充料强度的影响

微硅粉能够填充磷石膏颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体[8-9]，可提高灌浆料的力学性能和耐腐蚀性能，还能有效降低材料的离析、泌水。试验配比为：水灰比固定为0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（生石灰）∶m（减水剂）∶m（速凝剂）=80∶20∶10∶5∶0.8∶0.4，微硅粉掺量（按占磷石膏和粉煤灰的总质量计，下同）对磷石膏基灌浆填充料强度的影响见图3。

由图3可见，随着微硅粉掺量的增加，磷石膏基灌浆填充料的抗压强度明显提高。未掺微硅粉的磷石膏基灌浆填充料28 d抗压强度为16.15 MPa；微硅粉掺量为6%时，其28 d抗压强度达到22.05 MPa。可见，微硅粉的掺入明显提高了磷石膏基灌浆填充料的力学性能。试验中还观察到，微硅粉的掺入大大地改善了浆体的泌水现象。

图3　微硅粉掺量对磷石膏基灌浆填充料强度的影响

2.2.2水泥掺量对灌浆填充料强度的影响

磷石膏基灌浆料作为填充材料，在具有高流动性的同时，必须保证其具有较高早期强度、优异的后期力学性能。普通硅酸盐水泥的矿物组成决定其水化产物[10]，决定最终的力学性能存在差异，因此，灌浆料中掺入水泥势必会影响其力学性能。研究了水泥掺量对磷石膏基灌浆料力学性能的影响，试验配比为：水灰比固定为0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（微硅粉）∶m（生石灰）∶m（减水剂）∶m（速凝剂）=80∶20∶6∶6∶0.6∶0.5，水泥掺量（按占磷石膏和粉煤灰总质量计，下同）对磷石膏基灌浆填充料强度的影响见图4。

图4　水泥掺量对磷石膏基灌浆填充料强度的影响

由图4可见，灌浆填充料中掺入水泥后，力学性能发生了变化，尤其是抗压强度变化明显。未掺水泥的磷石膏基灌浆填充料28 d抗压强度仅为8.6 MPa；随着水泥掺量的增加，其抗压强度稳步提升，当水泥掺量为15%时，其28 d抗压强度达到23 MPa。

2.3综合性能探讨

在前面的分析讨论中可知，各个组分对灌浆料的性能影响都有各自的特点。减水剂能使灌浆料在较低水灰比的条件下获得足够大的流动度；速凝剂能使灌浆料的凝结硬化时间大为缩短，但同时也降低了浆体的流动度；微硅粉的掺入改善了灌浆料的力学性能和抑制离析泌水，但同时也影响浆体的流动性。在此基础上，固定水灰比为0.2，继续对水泥、微硅粉和减水剂掺量进行优化设计，以期获得尽可能低的经济成本和综合性能满足要求的灌浆填充料，优化配合比见表2，性能测试结果见表3。

表2　磷石膏基灌浆填充料优化配合比%

表3　优化设计配合比的性能测试结果

由表3可见，R1组30 min流动度只有190 mm，流动度经时损失过大，R2和R3组的流动性较好，R4组的力学性能不如前3组。分析可知，水泥掺量在10%～12%，减水剂掺量在0.8%～0.9%时，磷石膏基灌浆填充料的流动性和抗压强度都能保证工程应用要求。

3　结论

（1）在水灰比固定为0.2，m（磷石膏）∶m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（微硅粉）∶m（生石灰）∶m（减水剂）∶m（速凝剂）=80∶20∶（10～12）∶5∶6∶（0.8～0.9）∶0.5基础上，可以制备出初始流动度达到300 mm、终凝时间在4 h内、28 d抗压强度达到20.0 MPa以上的磷石膏基灌浆填充料。

（2）减水剂和速凝剂掺量对磷石膏基灌浆填充料浆体的工作性能影响显著，通过调节二者的掺量，可以得到不同流动度和凝结时间性能组合的灌浆料产品，从而实现满足工程需求的目的。

（3）灌浆填充料中掺入微硅粉，由于微硅粉可以细化灌浆料中的空隙，因此灌浆料的抗压强度提高，离析现象得到改善。

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Experimental studies on preparation technique of phosphogypsum-based grouting material

CHEN Jiakang，LIU Ning，CHEN Bing
（Department of Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 201100，China）

This paper use phosphorus gypsum as the primary ingredient to produce a new type of grouting material.The influence of cement，silica fume，accelerating agent and water reducing agent content on the fluidity，setting time and strength properties of this grouting material are experimental researched.The experimental result indicates that the water reducing agent is helpful to improve the fluidity of material and accelerating agent could catalyze the activation reaction to meet the demand of project. The high performance grouting material can be made under the activation of cement，silica fume and quicklime.Grouting materials whose initial fluidity can reach 300 mm，setting and hardening in 4 h and later strength can reach 20.0 MPa are prepared by optimizing ratio of material.

phosphorus gypsum，grouting material，chemical addition agent，workability，mechanical strength

TU472.99

A

1001-702X（2016）10-0042-03

国家自然科学基金项目（51378309）

2016-03-14；

2016-04-24

陈嘉康，男，1991年生，湖南益阳人，硕士研究生。