环保节能型充填胶凝材料的制备及应用性能研究

刘之琨

摘要：近年来，我国经济飞速发展，对矿产资源的需要也在日益加大，同时对生态环境保护也有了更高的要求。由于大量矿物质废弃物排放和地下矿山开采而引发的环境污染、生态破坏问题已成为不可忽视的重大社会问题。采空区胶结充填既可以避免生态破坏，又能够提高资源利用率、大量消耗固体废弃物，具有显著的环境效益、社会效益和经济效益。

本试验在介绍充填胶结材料的研究应用现状基础上，利用高炉矿渣为主要原料，以水泥熟料和石膏为活化剂，在不同配比下进行实验，制备环保节能型充填胶凝材料。通过对胶凝材料的净浆进行抗压强度的测试，从而确定最佳配比。然后在最佳配比下，再以粉煤灰、诺普尾矿、河砂作为胶结的骨料对制备的节能型胶凝材料进行了应用试验，并与普硅水泥进行对比。

关键词：胶凝材料，抗压强度，应用性能，环保，节能

一、环保节能型胶凝材料的定义及研究现状

胶凝材料又称胶结料，在物理和化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质。胶凝材料的发展有着悠久的历史，而且胶凝材料具有一些优异的性能，在日常生活中应用较为广泛。环保节能型胶凝材料的提出，是针对传统水泥资源和能源消耗大、环境污染严重等缺点。作为一种新型的胶凝材料。环保节能型胶凝材料具有性能优良，经济环保等突出优点。环保节能型胶凝材料可消纳大量具有活性的工业废渣，即将工业废渣作为混合材用来取代传统水泥中部分或大部分熟料环保型胶凝材料的研究与制备，将促进我国的水泥工业走向可持续发展之路。

二、试验内容

本课题利用高炉矿渣、水泥熟料、硬石膏等原料制备环保节能型充填凝胶材料，并通过性能指标测定，与传统胶凝材料水泥进行比较，分析其胶凝应用特点。主要包括以下两个方面内容：（1）环保节能型凝胶材料制备工艺研究，（2）胶凝材料在尾矿胶结中的应用研究。

实验仪器

实验仪器主要包括：胶砂搅拌机（JJ-5 型）、振实台（ZT-96型）、试模及播料器（4㎝×4㎝×16㎝ 三联试模，模高为40 mm，槽宽为40 mm）、养护箱（YH—40B 型）、抗压强度试验机与抗压夹具（WAY-300 型）、刮平刀（长300mm 宽30mm）等

四、试验方法

（一）环保节能型充填胶凝材料制备试验方法

本试验所用试验原料主要有高炉矿渣、水泥熟料、硬石膏、普硅水泥、安微诺谱铁矿进行试验。

通过试验探索环保节能型充填胶结材料的各种原料的配比，按照配比计算称量原料后制备填充材料，然后搅拌、成型、养护、脱模后至规定龄期测定其抗压强度，最后确定胶凝材料最佳比例。

1、最佳配比的确定试验

本实验选用高炉矿渣BFS，水泥熟料和硬石膏。初步设定BFS掺加量分别为70%、75%、80%，水泥熟料和硬石膏的总和占其余比例，以5%变化率变化，再加上一定量的尾砂测其抗压强度。尾矿1100g，灰砂比15%，总量1265g，所需要的水量是542g，即542ml水，矿浆浓度70%。按上述配比制作胶凝材料，放入养护箱养护，分别记录第3天、第7天和第28天的单轴抗压强度。试验结果显示：（1）随着龄期的延长，各试体单轴抗压强度逐渐增大;（2）3d、7d、28d单轴抗压测试显示强度最大值出现在BFS：水泥熟料：硬石膏=70：15：15配比处。因此环保节能型胶凝材料的最佳配比应该在该配比值附近。

2、配比优化实验

本实验与上述配比确定实验选用实验药品相同，即高炉矿渣BFS，水泥熟料和硬石膏，此时选用水泥熟料含量以2%变化率变化，得出四个不同的比例，通过掺加不同比例的水泥熟料和硬石膏活化剂测其抗压强度，记录第3天，第7天和第28天单轴抗压强度。试验结果显示：（1）随着龄期的延长，各试体单轴抗压强度逐渐增大;（2）3d、7d、28d单轴抗压测试显示，强度最高的环保节能型胶凝材料制备最佳配比为：高炉矿渣：水泥熟料：硬石膏=70：17：13。

（二）环保节能型充填材料胶凝应用试验

1、应用性能试验

为了考察制备的环保节能型胶凝材料的应用性能，分别以粉煤灰，诺普尾矿，河砂为骨料，以节能型胶凝材料做胶结，分别养护3天、7天、28天，通过测试他们的单轴抗压强度，并与普通硅酸盐水泥做胶结材料的对比试体作比较，从而确定环保节能型胶凝材料的应用性能。根据各种骨料的密度，确定粉煤灰质量为1054g，骨料浓度为62%，诺普尾矿的质量为1190g，骨料浓度为70%，而河砂的质量为1275g，骨料的浓度为75%。在此次试验中，灰砂比在骨料不同的情况下，他们的数值都是相同的，分别是10%、15%、20%，这样有一定的对比关系，以不同骨料之间相互比较，从而更好的讨论环保型充填胶凝材料的应用的性能。

2、试验配比和试验结果

本文针对上述胶凝材料与普硅水泥进行了砂浆实验，以考察其单轴抗压强度。砂浆试验采用诺普铁尾矿、河砂、粉煤灰，灰砂比取10%、15%、20%。相同灰砂比情况下试验结果显示：（1）粉煤灰作为胶凝骨料时，试体单轴抗压强度与灰砂比呈正比;环保节能型胶凝材料的抗压强度不如普硅水泥强。（2）诺普尾矿作为胶凝骨料时，试体单轴抗压强度与灰砂比呈正比;环保节能型胶凝材料的抗压强度总体上要比普硅水泥强。（3）河砂作为胶凝骨料时，试体单轴抗压强度与灰砂比呈正比;环保节能型胶凝材料的抗压强度总体上要比普硅水泥强。

五、结果与讨论

（一）环保节能型胶凝材料配比

通过试验确定的环保节能型胶凝材料的最佳配比为：高炉矿渣：水泥熟料：石膏=70：17：13。

（二）不同胶结材料砂浆单轴抗压强度对比

通过比较发现随着养护期的增长各种凝结材料净浆的单轴抗压强度基本是增大的趋势。砂浆的强度与净浆强度变化规律类似。而且无论是前期还是后期，环保节能型胶凝材料的单轴抗压强度基本上都高于普硅水泥的单轴抗压强度。

（三）节能型胶凝材料的应用性能

通过环保节能型胶凝材料的应用试验我们发现，试验中制备的环保节能型胶凝材料在应用过程中是可以对普硅水泥进行部分替代的，在现实中是可以进行广泛应用的。在应用实验中胶结较粗骨料时，环保节能型胶凝材料的抗压强度是高于普硅水泥的。因此在一定条件下环保节能型胶凝材料可以完全代替普硅水泥。

相对于普硅水泥来说，环保节能型胶凝材料可根据胶结的骨料不同而改变其配比，与普硅水泥相比有更好的灵活性，并具有低成本，无需煅烧，能耗低，无污染等优势。另外，环保节能型胶凝材料对颗粒较大的骨料的胶结效果较好，对细颗粒的骨料效果不理想。

（四）讨论

通过试验我们可以发现：

1、由高炉矿渣、水泥熟料、石膏等制备的环保节能型胶凝材料可以完全替代部分水泥作为充填的胶凝材料。

2、普硅水泥完全可以被環保节能型胶凝材料所代替，不论是在性能方面还是在成本方面都有着出色的表现。并且具有无需煅烧，能耗低，无污染等优势。

参考文献：

[1].刘仍光 《水泥-矿渣复合胶凝材料硬化浆体的微观结构（英文）》[J]. 硅酸盐学报，2015，05：610-618.

[2].刘瑞成 《粉煤灰替代矿渣微粉作为胶凝材料的早期强度激发研究》[J]. 有色金属（矿山部分），2015，02：49-53.