减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响研究.pdf

第 6 6 卷第 6 期 有 色 金 属 ( 矿山部分) 2 0 1 4 年 1 1 月 d o i： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 6 7 1 - 4 1 7 2 2 0 1 4 0 6 0 1 4 减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性能的影响研究 郑娟 荣， 谷 迪 ( 郑州大学 土木工程学院， 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 ： 对减水剂对全尾砂胶结膏体充填材料性 能的影响进行 了研究 ， 采用压汞测 孔仪 ( Au t o p o r e 1 V 9 5 0 0 ) 测 定了固化体的总孔隙率和孔径分布 。试验 结果表 明 ： 当料浆坍 落度为 1 8 0 mm 且水泥掺 量分 别为 3 、 5 和 7 ( 以总固体质量计 ) 时 ， 与未掺减水剂相 比， 掺 减水剂 能使料浆 的 固体 浓度分别 提高 4 3 、 3 9 和 4 i ， 能使 固 化体 2 8 d抗压强度分别提高 5 2 、 8 1 和 1 0 6 。当料浆坍落度为 1 8 0 IT l m、 水泥掺量为 5 并且养 护龄 期为 7 d 、 1 4 d和 2 8 d时 ， 与未掺减水 剂相 比， 掺减水剂能使 固化体抗 压强度分别提高 4 6 、 9 O 和 8 1 。结合 固化体压汞 测孔和抗压强度结果 ， 得出结论 ： 当保持料浆坍落度 、 水泥掺量和养护龄期相同时 ， 与未掺减水剂相 比， 掺 减水剂能 降低 固化体 的总孔 隙率 和减小 固化体 的平均孔径 ， 这可能是减水剂分散了料浆中的水泥和 降低 了料浆水 灰 比的复 合作用 的结果 ( 并且水泥掺量越高或养护龄期越长 ， 复合作用 越显著 ) ， 从 而增加 了 固化体 中骨料 与骨料 之间 的黏 结程度 ， 因此提高了固化体的抗压强度 。 关键词 ： 全尾砂胶结膏体充填材料 ； 减水剂 ； 浆体坍落度 ； 抗压强度 ； 压汞测孔法 中图分 类号 ： T D 9 2 6 4 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 4 1 7 2 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 6 0 0 6 S t u d y o n in f l u e n c e o f wa t e r - r e d u c in g a g e n t o n p r o p e r t ie s o f t o t a l t a il i n g s c e me n t e d p a s t e b a c k f i l l zHE NG J u a n r o n g，GU Di ( Co l l e g e o f Civ il En g in e e r in g，Zh e n g z h o u Un iv e r s it y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2，Ch in a ) Ab s t r a c t ：Re s e a r c h o n t h e in f l u e n c e o f wa t e r - r e d u c in g a g e n t ( W RA)o n t h e p r o p e r t ie s o f t o t a l r a il in g s c e me n t e d p a s t e b a c k f il l( CP B)is c a r r ie d o n Th e t o t a l p o r o s it y a n d p o r e s iz e d is t r ib u t io n o f t h e h a r d e n e d s a mp l e s a r e d e t e r mi n e d u s in g a me r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i me t e r ( Au t o p o r e I V 9 5 0 0 ) Th e r e s u l t s s h o w t h a t wh e n t h e s l u mp o f CP B s l u r r y is ma in t a in e d 1 8 0 mm a n d t h e b in d e r ( P o r t l a n d c e me n t ) c o n t e n t is r e s p e c t iv e l y 3 ，5 a n d 7 ( b y t o t a l ma s s o f s o l i d ) ，t h e s o l i d c o n c e n t r a t i o n i n CP B s l u r r y wi t h WRA i s r e s p e c t i v e l y 4 3 ，3 9 a n d 4 1 h i g h e r t h a n t h a t o f CP B s l u r r y wit h o u t W RA ，a n d t h e 2 8 d u n c o n f in e d c o mp r e s s iv e s t r e n g t h ( UCS ) o f t h e h a r d e n e d s a mp l e s wit h W RA is r e s p e c t ive l y 52 ，81 a n d 1 06 hig he r t ha n t ha t o f t he ha r d e ne d s a mp l e s wit ho ut W RAW he n t h e s l u mp in CPB s l u r r y is ma int a ine d 18 0 mm a nd t he b in de r c o nt e nt is 5 ，t h e 7 d，1 4 d，2 8 d UCS of t he h a r d e ne d s a mpl e s wit h W RA is r e s p e c t ive l y 46 ，9 0 a nd 81 highe r t h a n t h a t o f t h e h a r d e ne d s a mp l e s wit ho ut W RA B a s e d o n M I P a n d UC S r e s u l t s ，a c o n c l u s io n is g iv e n t h a t wh e n t h e s l u mp o f CP B s l u r r y a n d t h e b in d e r c o n t e n t a n d c ur ing a ge s a r e ma in t ain e d c on s t a nt l y，t ot a l p or os it y a nd a v e r a ge p or e d ia m e t e r s of t h e h a r de ne d s a mp l e s wit h W RA a r e s ma l l e r t h a n t h a t o f t h e h a r d e n e d s a mp l e s wit h o u t W RA ，t h e r e s u l t s c a n b e e x p l a in e d b y t h e c o mb in e d e f f e c t s o f dis pe r s ing t he bind e r a nd d e c r e a s ing wa t e r - bind e r r a t io in t h e CPB s l ur r y be c a u s e of t he e f f e c t s of W RA ，a nd t h e mor e t he binde r c on t e nt o r t he l o ng er c ur in g ag e s，t he mor e n o t a b l e t he e f f e c t s，whic h inc r e a s in g t h e b ond ing de gr e e be t we e n a gg r e ga t e a nd a g gr e ga t e in t he h ar d e ne d s a mpl e s，t he r e b y p r o du c ing h ig he r UCS Ke y wo r d s ：t o t a l t a il i n g s c e me n t e d p a s t e b a c k f i l l ；wa t e r _ r e d u c i n g a g e n t ；s l u mp o f CP B s l u r r y ；u n c o n f in e d c o m p r e s s iv e s t r e n g t h；me r c u r y in t r u s io n p o r o s ime t e r 基金项 目： 国家 自然科学基金( 5 1 2 7 4 1 7 4 ) 作 者简介 ： 郑娟荣 ( 1 9 6 4 一) ， 女 ， 教授 ， 博士 ， 无 机非金 属材料 和采 矿 专业， 主要研究方 向为水泥基材料 。 全尾砂膏体充填的优点是可 以最大 限度地利 用矿业工业废物 ， 充填料在采场 内不用脱水 ， 充填体 强度高， 水泥消耗量少 ， 充填成本低 ， 能够确保采矿 生产安全和实现矿业生产废物零排放 。国外膏体充 第 6期 郑娟荣等 ： 减水剂对 全尾砂胶结膏体充填材料性能 的影响研究 填的特点是 固体浓度达 7 5 8 5 ， 胶结剂用量为 总 固 体 质 量 的 3 7 ， 2 8 d抗 压 强 度 约 为 2 5 M Pa _ 1 。目前 ， 我 国工程 中胶 结充 填 料浆 中胶 结 剂高达 2 O ( 灰砂 比 1： 4 ) ， 料浆 固体浓 度 7 0 7 5 ( 2 8 d抗压强度大于 2 MP a ) l_ 2 ； 采用新 型胶 结剂 ( 即矿渣 粉 为主要 成分 ) 的胶结 充填 料浆 中胶 结 剂含量 达 1 1 ( 灰 砂 比 1：8 ) ， 料浆 固体 浓度 为 6 8 ， 2 8 d抗 压强 度 为 1 5 6 MP a l_ 4 。所 以 ， 要 进 一 步提高固体浓度 ， 才能 降低胶结剂含量 。提高膏体 料浆 固体浓度 ， 会增大料浆在管道输送的阻力， 因此 在膏体料浆中添加泵送剂以改善料浆的流动性能是 一 种趋势_ 5 。我国金川集团有限公 司在工程试验 中验证 ： 在膏体料浆中添加 1 1 5 的 J K J N F 型泵送减水剂 ， 能降低膏体料浆管路 的沿程阻力损 失， 提高膏体料浆 的流 动性及充填 体早期强度 等。 掺减水剂能提高全尾砂胶结膏体充填料浆流动性 ， 这是减水剂通过破坏料浆中细颗粒的絮凝结构并释 放 自由水的结果 8 。但掺减水剂的固化体抗压强度 的变化规律还缺乏系统研究 。 本文共制备 了 1 8组 试件 ， 固定料浆 的流 动度 ( 即坍落度为 1 8 0 ram) ， 采 用掺减水剂 和未掺 减水 剂 的料浆及其 固化体作对 比研究 ， 其 中水泥掺量为 3 、 5 和 7 ， 养护龄期为 7 d 、 1 4 d到 2 8 d 。采用 压汞测孔法测出了固化体 的总孔隙率和孔径分 布。 结 合压 汞 测孔 和抗 压 强 度 试 验 结 果 ， 探 讨 了减 水 剂 提高固化体抗压强度 的机理 ， 为制备全尾砂胶结膏 体充填材料添加减水剂的必要性提供理论依据 。 1 试验原材料及试验 方法 1 1 试 验 原材 料 全 尾 砂 ： 取 自安 徽 李楼铁 矿 的全 尾砂 ， 其 主要 矿 物 是石 英 、 白云 石 和 赤 铁 矿 。尾 砂 的 密 度 为 3 0 4 g c m。 。烘干备用 。全尾砂的颗粒级配采用筛 析法 ( 大 于 0 0 7 5 mm 的颗 粒 ) 和 激 光 图像 法 ( 小 于 0 0 7 5 ram) 分析而得 ， 结果见图 1 所示 。 胶结剂 ： 强度等级为 4 2 5的硅酸盐水泥 ( 简称 水 泥 ) 。 减 水 剂 ： 一 种 聚羧 酸 系高 效 减 水 剂 ( 用 P C S表 示 ) ， 减 水 率为 3 0 。 水 ： 城市 自来水 。 1 2 试验 方 法 1 2 1 料浆坍落度试验 按规定比例将全尾砂 、 胶结剂、 水和减水剂放入 水泥砂浆搅拌锅 内搅拌 2 min而成料浆 ， 然后 按照 1 o 0 8 0 祷6 0 呱 4 0 删 2 0 0 l I O 1 0 0 l l J 粒径 p m 图 1 全尾砂 的颗粒分布 Fig 1 Pa r t ic l e s iz e dis t r ibu t io n o f t o t a l r a il in g s 普通混凝土拌合物性能试验方法 ( GB T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 ) 规定的方法测定料浆的坍落度 。 1 2 2 抗压强度试件制备 将测完坍 落度 的料浆拌 合均 匀 ， 浇注 在 7 0 7 mm7 0 7 mm7 0 7 mm 的试模 中， 表面用保鲜 薄膜覆盖( 试模侧面与底板之间可以析出多余的水) 并 静置 在 2 0 5 的 室 内 三 天 后 拆 模 ， 试 块 再 用 保 鲜薄膜 包裹 好 并 放 人标 准 养 护 箱 ( 2 0 C1 ， 湿 度 9 0 ) 养护到规定龄期供性能测试。 1 2 3 无侧 限抗 压强 度 ( 简称抗 压强 度 ) 按 建筑砂浆基本性能试验方法标准 ( J G J T 7 0 2 0 0 9 ) 规定的方法进行 。 1 2 4 压 汞测孔 法 按 压汞法和气体吸附法测定 固体材料孔径分 布和孔隙度 第 1部分 ： 压汞法 ( GB T 2 1 6 5 0 1 2 0 0 8 I S O 1 5 9 0 1 1 ： 2 0 0 5 ) 规 定 的方 法 进 行 。压 汞 测 孔试 样 选 择 测 完 强 度 后 的 大 块 试 样 、 烘 干 ( 在 6 0 C电烘箱中烘 7 2 h ) 并放入 干燥 器中待测 ， 为了 避免成型时 由于泌水 而使孔结构不均匀， 应选择成 型方向上中部采样 。本次试验采用的压汞测孔仪的 型号为 A u t o P o r e I V 9 5 0 0 V 1 0 9 ； 进汞压力 为 0 4 1 4 MP a( 6 0 0 0 0 p s i) ， 可 测 的孑 L 径 范 围 为 3 4 0 m 3 0 n m； 所用汞的技术指标 ： 汞对固体 的润湿角 1 3 0 。 ， 汞的表面张力 0 4 9 5 N m( 2 5 ) 。 2试验 结果及 分析 共成型 1 8组试件 ， 其 中 9组未掺减水剂 ， 另 9 组掺减水剂 ， 其配合比及性能见表 1 。 表 1中水 泥和减 水剂 掺量 以总 固体 质量 计 ； C P B料浆坍落度通过试验确定 ； 固化体 w c 是通过 测定固化过程析出水的量 ， 再计算得到。 6 2 有 色 金 属 ( 矿山部分) 第 6 6 卷 2 1 减水 剂对 全尾 砂 胶 结 膏体 充填 料 浆 固体 浓 度 的 影响 当料浆坍落度 固定 为 1 8 0 f i lm， 掺和未掺 减水 剂的料浆 固体浓度与水泥掺量的关系见 图 2 。 冰 、 鹾 囿 亲 +未掺减水剂 掺减水剂 4 3 3 9 一 2 3 4 s 6 7 8 水泥掺量， 图 2料浆固体 浓度与水 泥掺 量的关系 Fig 2 Re la t io ns hips be t we e n t h e s o lid con ce n t r a t io n in CPB s lur r y a nd ce me n t co nt e nt 从 图 2可 以看 出： 当料 浆坍落 度 固定 为 1 8 0 mm时， 无论是否掺减水剂， 料浆固体浓度随水泥掺 量增加( 从 3 到 7 ) 而略有增加； 在料浆坍落度固 定为 1 8 0 mm且水泥掺量分别为 3 、 5 9 6 和 7 9 6 时 ， 掺减水剂( 0 0 4 ) 比未掺减水剂的料浆固体浓度分 别提高 了 4 3 、 3 9 和 4 1 。这一结果说 明在 保持料浆坍落度不变的情况下 ， 减水剂能明显提 高 料浆固体浓度。 水泥 及细 尾砂 颗粒在 水 中 由于表 面 电荷 的相互 作用产生絮凝网状结构 ， 将 自由水包裹 ； 当掺人减水 剂使细颗粒表面带上相 同电荷 ， 絮凝 网状结构被破 坏 ， 释放 自由水， 浆体流动性增大或流动度相同时减 少水的用量E s ， 这就是 当全尾砂胶结料浆坍落度相 同时， 掺减水剂的料浆固体浓度会提高的原因。 2 2 减水剂对掺不 同水泥量的 C P B抗压强度的影 响 规律及 分 析 当料浆坍落度 固定 为 1 8 0 mm， 掺和未掺减 水 剂的固化体抗压强度与水泥掺量的关系见图 3 。 一来掺减水剂 2 8 d 十掺减水剂，2 8 d 8 1 一 - 一 ， ， Z 4 5 6 7 8 水泥掺量 ， 图 3 固化体 2 8 d 抗 压强度与水泥掺量的关 系 Fig 3 Re la t io ns hip b e t we e n 28 d UCS o f CPB s a mple s a nd ce m e nt con t e n t 从 图 3可以看出： 掺和未掺减水剂的固化体 2 8 d抗压强度均随水 泥掺量 的增加而提高 ； 当水泥掺 咖 伽咖 啪伽咖o n 1 1 1 l l B d 骥趟辖 凰 帕 毫 吕 ； 8 斛 昭 跎 虬 舳 6 4 有 色 金 属 ( 矿山部分) 第 6 6 卷 和 f ) 可以看出 ： 当水泥掺量分别为 3 、 5 和 7 时， 掺减水剂的 2 8 d固化体 的临界孑 L 径 ( 对应孔 隙 率) 分别 是 3 O 3 m( 3 6 ) 、 3 6 4 m( 1 7 和 3 0 3 m+O 3 5 m( 2 7 +0 9 ) ， 而未掺减水剂 的 2 8 d固 化 体 的 临 界 孔 径 ( 对 应 孔 隙 率 ) 分 别 为 1 4 5 0 m( 5 6 ) 、 1 4 5 0肛 m( 3 7 ) 和 1 4 1 5 m +8 0 m( 2 0 +1 2 9 6 ) 。结果说 明： 当保持料浆 流动性和水泥掺量相 同时， 与未掺减水剂相比， 掺减 水剂 减小 了 固化体 的平 均孔径 。 综合固化体的抗压强度和压汞测孔结果 ， 可以 得出结论 ： 当保持料浆坍落度和水泥掺量相同时 ， 与 未掺减水剂相 比， 掺减水剂能降低固化体 的总孔隙 率和减小 固化体的平均孔径 ， 这可能是 减水剂分散 了料浆中的水泥和降低了料浆水灰比的复合作用的 结果( 水泥掺量越高， 复合作用越显著) ， 从而增加 了 固化体中骨料与骨料之间的黏结程度 ， 因此提高了 固化体的抗压强度 。 2 3减水剂 对不 同养 护龄 期 的 C P B抗压 强 度 的影 响规律 及分 析 图 6是水泥掺量 5 的全尾砂胶结膏体固化体 抗 压强 度与养 护 龄期 的关 系 。图 7 是 水 泥 掺量 5 的全尾砂胶结膏体固化体的压汞测孔结果 。 +5 水泥，掺减水剂8 1 9 0 _一一 _ _ 一 4 6 昵 养护龄期 d 图 6 固化体抗压强度与 养护龄期 的关 系 Fig 6 Re l a t io n s hip b e t we e n t h e UCS o f CPB s a m p l e s a nd c ur in g a g e s 从 图 6可 以看 出： 当保 持料浆坍 落度 为 1 8 0 mm并且水泥掺量 为 5 时， 掺和未掺 减水剂 的固 化体抗压强度均随养护龄期延长而提高； 在养护龄 期为 7 d 、 1 4 d和 2 8 d时， 掺减水剂的固化体抗压强 度分别高 于未掺减水 剂的 固化体抗 压强度 4 6 、 9 O 和 8 1 ， 说明掺减水剂既能提高早期强度也能 提高后期强度， 并且后期效果更好 。 从 图 7 a和 b可以看 出： 当保持料浆坍落度为 1 8 0 mm并且水泥掺量为 5 时， 掺和未掺减水剂的 固化体总孔隙率均随养护龄期延长而减小 ， 养护龄 期从 7 d到 1 4 d ， 固化体总孔隙率明显减小， 但养护 龄期从 1 4 d到 2 8 d ， 固化体总孔 隙率减小较缓慢 ， 这可能是水泥的水化速度决定的 ， 水泥开始水化速 度较快， 后期较缓慢。 从图 7 c和 d可以看出： 当养护