输水隧洞溶洞固废充填材料配合比优化试验研究

王 勇

(辽宁葠窝水力发电有限责任公司，辽宁 辽阳 111000)

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验中的活性材料主要是粉煤灰、改性矿渣粉、脱硫石膏和熟料。矿渣微粉主要成分为氧化钙、氧化铝和二氧化硅，其活性一般。因此试验中采用脱硫石膏进行改性，以提高其活性水平。粉煤灰的主要活性成分是氧化钙和氧化铝，是具有火山灰活性的物质[1]。此次试验研究中使用的是鞍山电厂的粉煤灰。经实验室测定，样品粉煤灰属于品质较低的固废资源，因此需要对其活性进行激发方可用于充填胶凝材料[2]。因此，研究中选择水泥熟料和脱硫石膏作为激发剂。试验中使用的脱硫石膏为火电厂湿发脱硫的副产品，其主要成分为二水硫酸钙。此次研究中选择的是鞍山热电厂的脱硫石膏，在试验前需要将其干燥处理。水泥熟料为水泥生产过程中的主要原料，其主要成分为氧化钙和二氧化硅，属于碱性材料，其主要特征碱性高、水化反应快和早期强度高，在此次研究中作为粉煤灰和矿渣粉的碱激发剂。此次研究中的熟料来自鞍山红星水泥厂，其45 μm细粉含量为78.22%。

考虑到经济性和环保属性，此次试验中的充填材料选择的是选矿尾砂，来自辽宁省鞍钢的尾矿库，其粒径范围为0.05～0.78 mm，级配良好。

1.2 试验方案

试验中采用1∶4的胶砂比进行填充材料的配制，而试验研究的主要任务是对胶凝材料的配比进行试验优化。因此，研究中结合相关领域的研究成果和工程经验，确定4种不同胶凝材料的掺量并进行正交试验设计，具体的设计方案如表1所示。

表1 试验方案设计 %

1.3 试验方法

在充填体材料制作过程中，首先将按照试验设计方案称量好试验材料，然后将矿渣粉、水泥熟料、脱硫石膏和粉煤灰加入搅拌机低速搅拌30 s，之后加入水低速搅拌30 s，然后加入尾矿砂高速搅拌3 min。将搅拌均匀的浆料倒入直径50 mm，高100 mm的圆柱形试模中成型，在试件制作完毕48 h后拆模编号，放入温度20℃，湿度不低于80%的养护室内，养护至试验规定龄期。

试件的单轴抗压强度使用WDW-300 kN型万能试验机进行测试，其加载速率为1 mm/min；浸水试验采用IPX7水箱[3]。在浸水试验中首先将试件浸入水箱24 h后计算重量的变化，同时测定其单轴抗压强度。利用浸水强度和养护强度的比值计算分析，对其水稳性进行评价。胶凝材料的结石率试验采用塌落筒进行测定[4]。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

试验中测试7 d、14 d和28 d龄期条件下不同配合比试验方案试件的单轴抗压强度，每种试验方案测试3个试件，以其均值作为最终试验结果，如表2所示。从试验结果来看，不同试验龄期的抗压强度值变化规律有所不同。在7 d龄期下，抗压强度值最大的是方案3，为6.81 MPa，其次是方案6和方案9，这三种方案的抗压强度值较其他方案相比存在比较显著的优势。究其原因，主要是这三种方案的熟料掺量水平较高，而熟料的水化反应速度较快，因此可以迅速提升试件的早期强度。在14 d和28 d龄期条件下，虽然上述三种方案的抗压强度值仍具有一定的优势，但是优势不再显著。原因是随着其余胶结材料水化反应的进行，各方案的抗压强度值均有明显提升。在28 d龄期条件下，抗压强度最高仍旧为方案3，为11.31 MPa，其次是方案2为11.07 MPa。再次为方案4，为10.62 MPa，其余各方案的抗压强度值相对较小且比较接近。

表2 单轴抗压强度试验结果

2.2 结石率

试验中对不同方案28 d龄期试件的结石率进行测试，测试结果如图2所示。从试验结果来看，各方案的结石率存在一定的差异，从具体的试验结果来看，方案2的结石率最高，说明填充体比较致密，整体性相对较好，其次是方案3和方案1，其余各方案的结石率相对较小。但是总体而言，变化量并不大，说明胶结材料经过28 d龄期的养护作用之后，均可以产生比较好的水化作用，试件的整体性相对较好。此外，前3种方案的结石率相对较高，后3种方案的结石率相对较低。由此可见，粉煤灰掺量较小时，可以在一定程度上提升试件的结石率，但是提升作用比较有限。

图1 抗压强度变化曲线

图2 各方案结石率试验结果

2.3 浸水试验

在输水隧洞施工中的溶洞充填，经常需要面对富水地质环境和施工条件。由于浸水试验可以在相当程度上反映填充材料的工作环境，因此可以将其作为填充材料性能的重要指标，以检测充填材料的实际效果。试验中对浸水后试件的抗压强度进行测试，并计算出其软化系数，结果如表3所示。从试验结果来看，不同试验方案浸水后的抗压强度均存在不同程度的降低，由此可见，此次研究中设计的溶洞填充材料存在一定的遇水软化效应。另一方面，不同配合比方案试件的软化系数存在一定的差距。其中，软化系数最大的为方案2，为0.88；其次为方案3，为0.84。究其原因，可能是这两种方案的结石率较高，因此试件的整体性和密实度较好，所以具有良好的抗浸水软化性能。从浸水后的抗压强度值来看，方案2最大，为9.74 MPa，其次是方案3，为9.50 MPa。

表3 各试验方案浸水试验结果

综合方案2和方案3的各项性能，方案2具有良好的抗浸水软化性能，软化系数和浸水后的抗压强度值最大，方案3浸水前的抗压强度值较大，且具有良好的早期强度。另一方面，方案3的熟料掺量较大，不具备成本优势，而考虑填充体的服役环境和耐久性的要求，方案2无疑更为适合，因此建议工程建设中采用方案2设计的配合比，也就是粉煤灰掺量为35%；熟料掺量为15%，脱硫石膏掺量为10%，矿渣粉掺量为40%。

3 结 语

在岩溶地区的输水隧洞建设中，经常会遇到地下溶洞，而对其进行填充往往是最常用的工程技术手段。此次研究以工业固废资源化利用和降低工程成本为目标进行固废充填材料配合比优化试验，通过抗压强度、结石率以及浸水试验的结果对比分析，提出最佳的配合比设计方案。研究结果可以为相关研究和工程应用提供有益的支持和借鉴。当然，工业固废种类较多，此次研究仅进行了有限的探索和分析，其主要目的是指明工业固废在溶洞填充工程中的应用可能性和价值。在今后的研究中，还需要针对不同种类的工业固废填充材料进行广泛的对比研究，以获取最佳的材料组合与配比，为工程应用提供更坚实的基础。