稻草灰替代水泥尾砂胶结充填体力学性能研究

李姜山

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿）

矿产资源的开发和利用在带来社会和经济效益的同时会产生大量的固体废弃物，对环境造成损害，因此，在开采矿产资源时，必须采取一系列措施，减少对生态环境和人类健康的影响［1-2］。目前尾砂胶结充填是处理固体废弃物的有效方法之一，它可以支撑采空区，防止地表沉降和塌陷等问题，已经得到广泛应用［3-6］。尾砂胶结充填的力学性能主要受胶凝剂类型和掺量的影响［7-9］，增加水泥掺量是提高尾砂胶结充填力学性能的方法之一，但水泥成本较高，增加掺量会导致成本增加，对矿山企业的经济效益不利。因此，寻找替代水泥的胶凝材料是一种解决方法，如矿渣、粉煤灰、火山灰、稻草灰等，有效降低成本，增加经济和环保效益［1-11］。

稻草灰不仅含有丰富的有机质，还含有K、Ca、P等无机营养元素［12］，我国传统农业中，常将稻草灰作为肥料施用于田地，但是对于它替代水泥作为胶凝剂对尾砂胶结充填体的研究则相对较少。为探究稻草灰部分替代水泥对不同胶凝剂掺量（5%，10%，15%，20%，25%）的稻草灰充填体的力学性能影响，本文通过单轴抗压强度、单轴抗拉强度试验并结合微观性质测试进行分析，对稻草灰充填体的抗剪性能进行了计算分析，研究结果为稻草灰在充填领域内的应用提供了理论依据。

1 试验设计

1.1 试验流程设计

利用稻草灰部分替代水泥制备胶凝剂掺量为5%，10%，15%，20%，25%的稻草灰尾砂胶结充填体试样，具体参数配比见表1。通过JJ-5 型搅拌机将准备好的尾砂、水泥、稻草灰和适量自来水添加后充分搅拌5 min，待充填浆料静置后装入用于单轴抗压强度测试和抗拉强度测试的圆形模具中。经过24 h 固化后，将其放入湿度为90%、温度为20 ℃的恒温恒湿标准养护箱中养护7 d 和28 d，达到养护龄期后进行试验，流程图如图1所示。

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1.2 试验数据测试

将试样的两端打磨平整后，采用电子万能压力机对试样（直径50 mm，高度100 mm）进行单轴抗压测试。为进行单轴抗拉测试，产生垂直于加载方向的拉应力，在测试前对试样上下表面分别放置2根直径为2 mm的钢筋，将试样表面载荷转化为线性载荷，并利用电子万能压力机对试样（直径50 mm，高度50 mm）进行单轴抗拉测试。单轴抗压和抗拉强度的加载方式采用位移加载，速率为0.5 mm/min，共设计10组，每组选用3 块试样，每1 s 记录1 次数据，最终取3次的平均值作为单轴抗压强度值。

为进一步观察分析稻草灰对尾砂胶结充填体的力学性能的提升情况，采用真空饱和仪使试样处于水饱和状态，然后利用NM-60 型核磁共振仪和对试样进行微观性质测试，获得孔隙率变化；选取单轴抗压测试后的试样，进行SEM-EDS 测试（MLA65 型扫描电镜）观察其微观形貌和元素分布，分析试样水化产物的组成及孔隙结构的分布。

2 稻草灰尾砂胶结充填体试验结果分析

2.1 单轴抗压强度的影响

单轴抗压强度试验结果见图2，当确定了胶凝剂掺量后，所有试样的单轴抗压强度随着养护龄期的增加均逐渐增大；确定了养护龄期后，除胶凝剂掺量为5%的稻草灰尾砂胶结充填体之外，所有试样的单轴抗压强度随着胶凝剂掺量的增加也逐渐增大，且稻草灰尾砂胶结充填体相较于水泥尾砂胶结充填体具有更高的单轴抗压强度，最大增长率为31.03%。

为更好地探究稻草灰对胶结充填体的影响，通过Origin 绘图软件将胶凝剂掺量和尾砂胶结充填的单轴抗压强度关系进行多项式拟合分析，结合理论分析两者存在三项式函数关系，稻草灰对尾砂胶结充填体的单轴抗压强度影响作用存在下限值。根据图2的拟合曲线，当养护龄期为7 d时，胶凝剂胶掺量的下限值为7.44%，当养护龄期为28 d 时，胶凝剂胶掺量的下限值为6.25%，均位于5%～10%。即当胶凝剂掺量大于该下限值时，稻草灰才能有效提高尾砂胶结充填体的强度。

2.2 单轴抗拉强度的影响

单轴抗拉强度试验与单轴抗压强度结果规律类似。如图3 所示，当确定了胶凝剂掺量后，所有试样的单轴抗拉强度随着养护龄期增加都有增大；当确定了养护龄期后，除胶凝剂掺量为5%的稻草灰尾砂胶结充填体之外，试样的单轴抗拉强度随着胶凝剂掺量的增加逐渐增大，且其他稻草灰尾砂胶结充填体的单轴抗拉强度均高于水泥尾砂胶结充填体，最大增长率为20.22%。砂胶结充填体和稻草灰尾砂胶结充填体的孔隙率分别从11.609%、12.077%减小至10.037%、9.66%，且当养护龄期为28 d 时，两者孔隙率则进一步减小为11.023%、8.355%和11.899%、7.34%。

采用MLA65 型扫描电镜，对其中具有代表性的C-1、C-3、C-5、R-1、R-3和R-5 6组养护龄期28 d下的尾砂充填体进行微观结构测试，如图5所示。结合ImageJ 软件对其的水化产物结构及最大孔隙尺寸进行分析，发现稻草灰的活性SiO2与水泥发生水化反应额外的凝胶，主要吸附在尾砂上。除稻草灰掺量为5%时，稻草灰尾砂胶结充填体的最大孔隙直径小于水泥尾砂胶结充填体，此外，尾砂胶结充填体的孔隙尺寸和数量随着胶凝剂掺量的增加而逐渐减小。

将胶凝剂掺量和尾砂胶结充填的单轴抗拉强度关系进行三项式函数拟合分析，确定稻草灰增强尾砂胶结充填体的单轴抗拉强度同样存在胶凝剂掺量下限值。由图3 的拟合曲线可知，养护龄期为7，28 d时，胶凝剂胶掺量的下限值分别为8.41%和6.59%，同样均位于5%～10%。即当胶凝剂掺量大于该下限值时，稻草灰才能有效提高尾砂胶结充填体的强度。

2.3 孔隙率的影响

为进一步观察分析稻草灰对胶结充填体的影响变化，利用NM-60 型核磁共振仪和对试样进行微观性质测试。图4 为养护龄期7，28 d 时不同胶凝剂掺量下试样的孔隙率测试结果，可知，随着稻草灰掺量和养护龄期的增加，所有试样的孔隙率在逐渐降低。养护龄期为7 d 时，胶凝剂掺量逐渐增大时，水泥尾

3 结 论

（1）胶凝剂和养护时间是尾砂胶结充填体的力学性能的重要影响因素，并且尾砂胶结充填体的力学性能的提升与这2个因素呈正相关。同时，稻草灰部分替代水泥对尾砂胶结充填体的单轴抗压强度和抗拉强度都具有显著作用，即相较于全为水泥时尾砂胶结充填体强度最大增长率分别为31.03%和20.22%。但稻草灰的作用存在明显的胶凝剂掺量下限值，只有当胶凝剂掺量超过下限值稻草灰才能发挥增强作用，尾砂胶结充填体的单轴抗拉强度和抗压强度的胶凝剂掺量下限值均位于5%～10%。

（2）研究表明，稻草灰部分替代水泥也能降低尾砂胶结充填体的降低孔隙率、孔隙尺寸和数量，除凝剂掺量5%时，尾砂胶结充填体的孔隙率随着养护龄期和胶凝剂掺量的增加而逐渐降低，稻草灰部分替代水泥也能进一步对尾砂胶结充填体的孔隙率、孔隙尺寸和数量达到降低效果，与稻草灰对尾砂胶结充填体的力学性能作用效果相对应。

（3）通过研究分析，稻草灰是具有火山灰活性的材料，稻草灰中的活性SiO2因与水泥发生水化反应产生额外的凝胶，使颗粒间的黏结强度加大故而提高了尾砂胶结充填体的力学性能和降低了孔隙率。而胶凝剂掺量存在下限值是因为当稻草灰中的活性SiO2与水泥发生水化反应不够充分，导致水化产物不足从而产生了过量的SiO2，进而造成了强度损失。