矿用充填材料粉煤灰活性激发的研究

＊史笔锋

（汾西矿业集团贺西煤矿洗煤厂 山西 033300）

胶结充填材料研究存在着很多问题，粉煤灰是主要的充填胶结料，因此，粉煤灰的活化对于充填技术而言至关重要，现阶段有关粉煤灰活性激发及其在充填材料配比中的性能研究较少，若能找出能使粉煤灰活性最有效得到激发的活化剂和激发剂的比例，使粉煤灰胶结性能达到最合适强度，既有助于充填开采技术的推广，还可以降低成本，使企业获得更好的效益。水泥作为主要的辅助充填胶结料，其费用占整个充填成本较大比重。通过实验室研究增加其他胶结材料（粉煤灰）等工业废弃物的比例，从而降低充填成本。

胶结充填开采通过控制上覆岩层移动，减小地面沉陷，避免含水层破坏，达到对“三下”煤层的安全开采的技术要求，为此，监测充填体、上覆岩层、地面建筑形变等相关技术的研究，对于了解、改善充填工艺，确保充填效果显得尤为重要。

1.粉煤灰的特性及矿物组成

粉煤灰有十分复杂的矿物组成，其波动范围也比较大。从物相上可以分为两类，即晶体矿物与非晶体矿物。矿物组成中的晶体矿物通常主要有石英、无水石膏、生石灰、氧化镁及莫来石等，其中的非晶体矿物主要是指玻璃体，其含量占一半以上，此外还有一部分次生褐铁矿或者无定形碳。粉煤灰的主要矿物组成如表1所示。

表1 粉煤灰中主要矿物成分

试验分别选用两个矿的粉煤灰FA1与粉煤灰FA2，FA1灰为II级低钙粉煤灰，外观与水泥相似，风干后颜色为中度灰色，细度为35～65μm，显微镜下观察多为不规则多孔玻璃碎屑体，松散密度为0.69g/cm3；FA2灰虽然同属于II级低钙粉煤灰，颜色却比FA1灰浅一些，松散密度比FA1灰领略大一些，值为0.77g/cm3。

粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3、CaO、K2O等。其中SiO2、TiO2来自黏土与岩页；Fe2O3、FeO来自黄铁矿；CaO来自相应的碳酸盐和硫酸盐类矿物。由图1可以得到FA1粉煤灰的含钙量（CaO）、烧失量（L.O.I）都不如FA2粉煤灰的值高。其他的组分MgO、K2O、Na2O两种粉煤灰的含量相差不多。

图1 粉煤灰的主要化学成份含量

根据前面对两种粉煤灰的分析，虽然粉煤灰（FA1）含钙量较低，烧失量（L.O.I）也跟FA2粉煤灰相差50%以上，但是运输成本较低。为了最大幅度地降低充填成本，实验选用粉煤灰（FA1）。FA1粉煤灰外观呈现灰褐色，使用45μm方孔筛得到的通过率为26.25%，由统计出的粉煤灰粒径分布可以得到，粒径在0.075mm～0.15mm的占比在80%以上，粉煤灰FA1的主要化学组成，如表2。

表2 粉煤灰的主要化学成份比例及物理性质

2.加入激发剂对材料性质的影响

常用的活化方法有水溶剂法与有机溶剂法，根据实验材料性质我们采用水溶剂法。常温下将一定量的活化剂加入100g的粉煤灰中，剧烈搅拌后静置，观察粉煤灰沉浮情况，下沉者是亲水的，上浮者是疏水的。用水浮实验考察粉煤灰的疏水性，结果表明未活化的粉煤灰是亲水的，加入水中立即下沉。粉煤灰浆液加入活化剂之后，活化剂结合在粉煤灰表面上，粉煤灰表面完全变为疏水性，从而增强粉煤灰的悬浮能力及活性。

实验采用的激发剂为硅酸钠和元明粉。无激发剂的情况下水与粉煤灰搅拌后放置时间长短对组分配方早期抗压强度影响均不大，所以将复掺时无激发剂的配方（H11、H31）对比标准，选单、复掺时3d内最高的抗压强度进行总结。

如图2所示，活化时间的长短对各龄期的强度没有显著的影响，单掺硅酸钠时，其最佳掺量是0.3%（表中的百分数均是激发剂与粉煤灰的质量百分比），陈放4h与8h强度区别不大，与未陈放相比，8h、3d抗压强度提高不明显，24h强度提高最明显，且陈放时间越长初凝时间越短；元明粉单掺0.5%为最佳掺量，陈放4h与8h强度仍区别不大，但与未陈放比3d内抗压强度均有明显提高，但初凝时间随陈放时间逐渐缩短，最短为112min，仍满足现场泵送要求。由此可知，单掺一种激活剂的条件下，硅酸钠的单掺效果不如元明粉的激发效果。

图2 不掺激发剂时活化时间长短对各龄期强度的影响

复掺0.1%硅酸钠和0.5%元明粉比单掺硅酸钠或元明粉在各龄期强度都有一定幅度的提高，尤其是经过活化一段时间之后，表现的尤为明显。当复掺0.1%硅酸钠和0.5%元明粉时，陈放8h与0h、4h相比，强度8h强度增大不多，但与未放置相比，24h和72h强度都有了很大的提高，初凝时间随放置活化时间的增加而缩短，但初凝时间最短为106min仍符合现场材料泵送的要求。如图3所示。

图3 复掺激发剂时活化时间长短对各龄期强度的影响

综上所述，复掺0.1%硅酸钠和0.5%元明粉为最佳掺量，这个比例能够最大限度的激发活化剂的效果，使粉煤灰的早期活性得到激发，进而使3d内材料的早期强度大幅度地提高，同时初凝时间一般在108min左右，能够满足现场工作人员操作和泵送浆液时间的要求。由以上分析掺激发剂的活化剂得到的最优配方是：

粉煤灰:水:水泥:石灰:石膏:早强剂:J90:硅酸钠:元明粉=4000:4490:500:125:75:15:10:4:20。

3.活化温度对材料性质的影响

探究不同活化温度对试块性质的影响试验步骤如下：

①将活化剂、自来水、粉煤灰按照配方中的比例用电动搅拌器搅拌8min后倒入10个塑料盆，然后将其放入水温为4℃、6℃、8℃、10℃、12℃、14℃、16℃、18℃、20℃、22℃的水浴养护箱中进行陈放8h。

②到达规定陈放时间后将粉煤灰浆从养护箱取出，将称好的干料全部混入粉煤灰浆中，用电动搅拌器充分搅拌10min后，倒入10套7.07cm×7.07cm×7.07cm三联试模，并用刮刀将上面抹平后，在上面铺一层塑料纸（其目的是防止水份蒸发），将10套试模放入标准养护箱中进行养护。

③养护箱的条件完全模拟井下采空区的环境，温度设为17℃，湿度设为78%，到达养护时间后将试模从养护箱取出，将试模底部的木塞拔出后，用气泵、脱模枪进行脱模，然后在YAW-300B万能压力试验机上进行单轴抗压实验，将实验参数和实验结果写在实验记录本上。

为了研究活化温度对最终强度的影响，活化时间定为8h，先取以前的经验配方作为基本配方，按基本配方制的浆料倒入9套试模在标准养护箱中的养护90d，剩下浆料测凝结时间，总共做12组实验，选取其中9组实验数据进行分析。

实验结果分析得到以下规律：活化温度越低则各龄期的试块单轴抗压强度越小，初凝时间也越长，试块的初凝时间越短则其前期单轴抗压强度越大，但在活化温度在16℃以上后，浆液的凝结时间开始有所减少，但是时间缩短的趋势不十分明显，如图4。

图4 不同活化温度对强度的影响

4.结论

文中在前人经验的基础上，通过正交重复实验摸索出适用于粉煤灰的活性激发剂的最佳配比、活化温度及活化时间对胶结材料性质的影响规律，找出了粉煤灰活化的最佳温度，确定了活化剂及其他添加剂的最佳配比，为合理确定工作面充填材料提供依据。