赤泥—水泥喷射混凝土材料特性分析及应用.pdf

2 0 1 2年第 1 O 期 中州煤炭 总第2 0 2期 赤泥一 水泥喷射 混凝 土材料特性分析及应用 安栓 志 ( 洛 阳龙 门煤业有 限公 司， 河南 洛 阳4 7 1 9 0 0 ) 摘要 ： 为有效利用氧化铝厂 生产 的废 渣赤泥 ， 降低煤 矿巷道掘进 成本 ， 研发 了赤泥一 水泥 喷射混凝 土材 料。 介绍 了赤泥一 水泥喷射混凝土 的力学性能， 分析 了碱 激发赤泥基 复合 胶凝 喷射混凝土 的凝结反应机理 ， 采用 烧结法赤泥代替矿井巷道 围岩喷射混凝土 所用部 分水泥 ， 经试块 测试 ， 符合煤矿 井下巷道 喷射 C 2 0混凝 土 要求。现 已在常村煤矿巷道 推广 应用 3 6 8 0 m， 效果 良好。 关键 词 ： 赤泥 ； 喷射混凝 土； 胶凝材料 ； 碱激发 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 5 9 文献标志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 3 —0 5 0 6 ( 2 0 1 2 ) 1 0— 0 0 1 8— 0 2 赤 泥 的 大量 排 放 给企 业 和社 会 带 来 了很 多 问 题 ， 赤泥 的堆放 造成 了严 重 的环境污 染 ， 如 何有 效利 用 赤泥是 氧化 铝生 产 企 业 和社 会 共 同关 注 的 问题 ， 也 是变废 为宝 ， 减轻 甚 至 消 除赤 泥对 土 地 的 占用 和 环 境 的污染 ， 从而 提 高企 业 的经 济效 益 和 社 会效 益 亟待解决的问题。由于赤泥具有一定的潜在活性 ， 可适当改善水泥的某些性能 ， 和水泥搭配使用时， 水 泥 的水化 产物 C a ( O H) ，和 A F t 对 赤 泥 的 活 化有 一 定的激发作用 。可采用赤泥来替代部分水泥 ， 变废 为宝 ， 达 到节 约水泥 、 降低 生产 成本 的 目的 。 1 赤泥一普通硅酸盐水泥体 系的水化机理 有研 究表 明 ， 在 一定 的掺量 范 围内 ， 将 赤泥 掺入 水 泥胶砂 中 ， 可 以提 高水 泥 的水 化程 度 ， 水 化产 物 的 增加改善了硬化浆体间的连接度 ， 从而提高了混凝 土 的强度 。采 用 以粉煤灰 为 主要混合 材料 的普 通硅 酸盐 水泥 时 ， 由粉煤 灰水 泥水化 动力 学可 知 ， 粉 煤灰 水泥中粉煤灰的水化主要是粉煤灰与水泥的水化产 物氢 氧化 钙之 间 的反 应 ， 由此使 得 粉 煤 灰 和水 泥 的 水化 相互 影 响 、 相互 促进 ， 加速 其 中一 个反 应 的 同时 也加 速 了 另 外 一 个 反 应 。 因 此 ， 赤 泥 掺 人 到 粉 煤 灰一水泥胶砂 中具有两方面的作用： ①赤泥与水泥 反应促进了水泥的水化反应速度 ； ②赤泥和水 泥的 水化 产物 氢氧 化钙 共 同与粉煤 灰 的作 用 。上述 作用 是相互 联 系相互 影 响 的 ， 赤 泥在 促 进 水 泥水 化 的 同 时也促 进 了粉 煤灰 的水 化 。 由试 验 可知 ， 赤 泥掺 量 存在 一个 合理 的范 围 ， 以不超 过 2 5 ％ 为 宜 。对 于粉 收稿 日期：2 0 1 2—0 6—0 1 作者简 介： 安栓志 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 河南南阳人 ， 工程师 ， 2 0 1 0年毕业 于 武汉理工大学 ， 现任洛 阳龙门煤业有限公 司副 总经理兼总工程师。 1 8 煤灰一水泥胶凝体系来说 ， 这是 由于粉煤灰表面是 由坚固的 [ S i O ] 、 [ A 1 0 ] 四面体所构成 的保护膜 ， 使得内部可溶性的 S i O 、 A 1 O 无法释放 出来 ， 而水 泥所产生的 C a ( O H) 数量有限 ， 无法对粉煤灰的活 性 进行 有效 激 发 。对 于赤 泥一 粉 煤 灰一 水 泥体 系 ， 除 了水 泥水化 生成 的 C a ( O H) 与粉煤 灰反应 外 ， 赤 泥 中含 有 的游离碱 对粉 煤灰 的玻璃 体也 有一 定 的破 坏 作用 ， 从 而 有 利 于 其 中活 性 S i O 、 A 1 O 的释 放 。 因此 ， 粉 煤灰 的水 化 反 应 相对 要 快 一 些 。而 赤 泥 和 活化 的粉煤灰 还 能进 行 水 化 反应 ， 从 而生 成 具 有 一 定早期强度和后期强度的水化产物。另外 ， 由于粉 煤 灰 的玻 璃 体 网络 在 赤 泥 中游 离 碱 和 激 发 剂 “ 双 重 ” 作用 下 破 坏 较 严 重 ， 而且 在 粉 煤 灰 表 面形 成 很 多硅酸 根离 子和 铝 酸根 离 子 ， 而 赤 泥可 以和 这 些 离 子 生成 一些具 有早 期强度 的水 化产 物 。 2 试 验原料及 方法 ( 1 ) 原料。①试验采用普通硅 酸盐水泥 ， 标 准 球 磨机 粉磨 7 0 m i n ， 比表 面积 3 5 0 m ／ k g ， 0 ． 0 8 0 m m 方孑 L 筛筛余 1 ． 2 ％。硅酸盐水泥 的物理力学性能见 表 1 。②取 自生产过程中排放 的赤泥 ， 板结块状 ， 外 观呈土 黄色 。经测 定 ， 赤 泥 的基 本 物理 性 质 见表 2 ， 赤 泥 的化 学 组 成 分 析 结 果 见 表 3 。 从 表 3可 以 看 出， 该烧结法赤泥 的主要成分 以 S i O ， 、 C a O为主 ， 占 4 0 ％ 以上 ， 2 0 ％ 以上 的铁 、 铝氧化 物 的水合 物及 多 种 微 量元 素 。另 外 ， 该 赤泥 的烧 失量 较高 ， 说 明赤泥 中 存 在较 多 的水 合矿 物和碳 酸盐 矿物 等高 温下 易分解 并 释放 出水分 或气 体 的物 质 ， 形 成 多孔结 构 。 ( 2 ) 方法。①在常村煤矿西翼胶带运输巷对赤 泥一普通硅酸盐水泥的喷射混凝土强度性能进行现 场试 验 ， 试验巷 道 1 3 0 m， 分 为 l 3段 ， 每段 1 0 m， 不 2 0 1 2年 第 1 0期 安栓 志 ： 赤泥一 水 泥喷射 混凝 土材 料特性 分 析及应 用 总第 2 0 2期 同段 所用 赤 泥和普 通硅 酸盐 水 泥 的 比例分 别 为 0： 1、 1 ： 9、 1 ： 7、 1 ： 5、 1： 3、 3： 7、 2： 3、 1 ： 1、 2：1、 3：1、 4： 1、 5 ： 1 、 6 ： 1 。为便 于分 析 ， 赤 泥 、 普 通 硅 酸盐 水 泥 分 别 用 符 号 c、 c 2表示 。②在 井下 巷 道 喷射 混凝 土段 制 作混凝土试块 ， 试块为边长 1 0 0 m m的正方体 ； 然后 进行 养护 和分 3 ， 1 4 ， 2 8 d进 行抗 压试 验 。 表 1 普通硅酸盐水泥的物理力学性能 注 ： 安定性合格。 表 2赤泥 的基 本 物 理 性 质 p H值 密度／( g c m ) 需水量比细度／ ％比表面积／ ( m k g ) 注 ： 细度 为0 ． 0 8 mm方孔筛余 。 表 3赤泥的化学成分 ％ Ws lo 2 WA 1 2 。 3 F 2 。 3 c 丑 【】 g o N 2 o 2 0 WT I 2 o L 。蚰 1 6 ． 9 8 1 3 ． 3 5 7 ． 4 3 2 4． 8 0 l _ 5 0 2 ． 8 2 0 ． 3 8 2 ． 2 9 2 4 ． 9 6 3试 验 结 果 及 分 析 赤泥 加入量 对赤 泥一 普通硅 酸盐 水泥 喷射混 凝 土力 学性 能的影 响试 验结果 如 图 1 和 图 2所 示 。 图 1 赤 泥 加入 量对 抗折 强 度 的影 响 O ： 1 1 ： 9 1 ： 7 1 ： 5 1 ： 3 3 ： 7 2 ： 3 l ： l 2 ： 1 3 ： l C： c 2 图 2 赤泥加入量对抗压 强度的影响 由图 1可 以看 出 ， 试 块 3 d的抗 折 强 度 随着 赤 泥 用量 的增 大变化 不 大 ， 基本 维持 在 3 ． 5 MP a左右 ， 直至赤泥掺量超过 4 0 ％才开始显著降低 ； 1 4 d龄期 的抗折 强度 随着赤 泥 用 量 的增 大有 所 增 加 ， 当 赤 泥 的掺量 为 1 2 ． 5 ％ 时达 到最 大 ， 然后 随 着 赤泥 用 量 的 增 加 ， 试 块 的抗折 强度 不断下 降 ， 当赤泥 的掺 量达 到 2 5 ％时 和不 掺 赤 泥 的 抗 折 强 度 相 当 。2 8 d龄 期 的 抗折强度则随着赤泥用量 的增大而降低 ， 在赤泥掺 量不大的条件下 ， 试块各龄期 的抗 折强度下降幅度 很小。综合 3 ， l 4 ， 2 8 d抗折强度的变化来看 ， 赤泥 的掺量可以达到 2 5 ％ 。超过这一掺量 ， 赤泥一普通 硅 酸盐水 泥胶 砂 的抗 折 强度 开始大 幅下 降 。 由图 2可知 ， 随着 赤泥 用量 的增 大 ， 试块 3 d的 抗 压强度 有所 增加 ， 当 赤 泥掺 量 为 1 2 ． 5 ％ 时达 到最 大 ， 并一直维持在较高 的水平 ， 直至赤泥用量 达到 2 5 ％时试 块 3 d的抗压 强度 才开 始大 幅 下降 。试块 的 1 4 ， 2 8 d龄期 的抗压 强度 均 随着赤 泥用 量 的增 大 而下降， 在赤泥掺量不大 (< 2 5 ％ ) 的条件下 ， 试块 的抗压强度下降幅度较为平缓。综合 3 ， 1 4 ， 2 8 d抗 压 强度 的变 化来看 ， 赤 泥 的最 大掺 量能 达到 2 5 ％ 。 4施 工应 用 现场 可按 比例 直接 把 赤 泥掺 入 水 泥 中 ， 施 工 工 艺 与不 加赤 泥对 围岩 喷射混凝 土施 工工 艺相 同 。 2 0 1 1 年 1 月 ， 在洛 阳龙 门煤业 有 限公 司常 村 煤 矿 巷道 中推 广应用 ， 现 已应用 3 6 8 0 m， 经试块 测试 ， 符 合煤 矿井 下巷 道 喷射 C 2 0混 凝 土 的强 度 要求 ， 所 施工巷道均未变形， 均未出现喷射混凝 土浆皮开裂 现象 ， 确保了安全生产 ， 降低 了巷道掘进成本。 5 结 论 ( 1 ) 当赤 泥掺 量为 2 5 ％ 时 和不掺 赤泥 的巷 道 围 岩 喷射 混凝 土抗折 强 度相 当 。综合 3 ， 1 4， 2 8 d强 度 变 化 ， 赤泥 的 掺 量可 达 2 5 ％ 。具 体 配 比为水 泥 ： 赤 泥： 沙： 石子 =3 ： 1 ： 8 ： 8 。超过这一掺量 ， 赤泥一普通 硅 酸盐 水泥 胶砂 的抗 折强度 开始 大 幅下 降 。 ( 2 ) 与传统巷道 围岩喷射混凝土相 比， 对 于赤 泥一水 泥 喷射 混 凝 土材 料 ， 当赤 泥 掺 量 较 低 时 ， 其 2 8 d抗压强度值略有提高， 随着赤泥掺量 的增 大， 2 8 d抗压强度值不断降低 ， 但下降幅度较小 ； 碱激 发赤 泥基 喷浆材 料 的 2 8 d抗 压强 度值 也 明显 降 低 ， 但 其 2 8 d抗压 强度 值均 普遍 高于 2 5 MP a ， 满 足 C 2 0 喷射混 凝 土的强 度要 求 。 ( 责任 编辑 ： 秦 爱新 ) 】 9 7 6 5 4 3 2 l 0 日 d 善 嚼 善 慧出