减水剂用于改善富硫尾砂胶结充填料性能的研究

摘 要：本文研究了三种减水剂对富硫尾砂胶结充填料（CPB）流动性和力学性能的影响。试验表明，在富硫尾砂胶结充填料中添加高效减水剂能增大CPB混合物的流动性，并且能保证低水灰比的CPB达到相同的稠度；使用普通硅酸盐水泥时，添加减水剂能明显提高CPB试样的短期和长期强度，改善稳定性，然而，对波特兰复合水泥，只有添加聚羧酸类高效减水剂的CPB试样28天强度≥0.7MPa。

关键字：尾砂胶结充填料；减水剂；富硫尾矿；流动度

中图分类号：TU528.042.2文献标识码：A

引言

充填采矿法近年来在煤矿、金属矿山的地下开采中得到了越来越广泛的应用[1-2]。目前使用管道输送技术的充填矿山，充填骨料大都使用分级后的选矿尾砂。本文以1:19的灰砂比制备富硫尾砂胶结充填料，研究三种不同减水剂对富硫尾砂胶结充填料（CPB）流变学特性和力学性能的影响，探讨减水剂在富硫尾砂CPB中的作用效果，为富硫尾砂胶结充填料作为矿井充填料的可行性提供依据，降低充填料生产成本。

一、原材料和试验方法

（一）尾砂和水泥

试验用的尾砂试样含硫丰富（26.2%的S），其中黄铁矿是主要的硫化矿物。尾砂、普通硅酸盐水泥(OPC)和波特兰复合水泥(PCC)化学成分见表1。

表1 原材料化学成分、物理性质

（二）外加剂

试验选用的三种减水剂:P1木质素磺酸盐减水剂，由水，木质素磺酸钙，木质素磺酸钠和三乙醇胺构成；SP1萘系高效减水剂；SP2聚羧酸高效减水剂。

（三）坍落度测试

进行坍落度测试，确定CPB混合物的坍落度为180mm时减水剂的掺量。水泥、尾砂含量固定不变，灰砂比为1：19。水泥、尾砂和水拌和60s再添加减水剂。CPB充填料塌落度测试按照《GB/T50080—2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的稠度试验进行。

（四）CPB试样的准备和试验

强度测试时，各种原材料用量由坍落度测试结果确定：水泥（OPC或PCC）、尾砂分别取50g,950g,不掺减水剂时水的掺量为298.5g，三种减水剂P1,SP1和SP2掺量分别取3.5g，3g，2.7g时水的掺量取为276.5g。将尾砂、水泥、水以及减水剂在搅拌机拌合均匀，装入φ10cm×H20cm圆柱形试模内，置于湿度为80%，温度为25℃的室内养护到规定龄期，进行无侧限抗压强度（UCS）试验。

图1 三种减水剂不同掺量时CPB的坍落度值

二、试验结果和分析

（一）减水剂对CPB流变特性影响

坍落度的测试结果见图1，可以看出，掺减水剂可以显著增大CPB混合物的坍落度。和预期一样，CPB混合物坍落度随着减水剂剂量增加而增大。当坍落度≥180mm时，需要掺加三种减水剂P1，SP1，SP2的量分别增加到7%，6%和5.4%（占干水泥重量），即3.5g，3g和2.7g。此时，CPB混合物需水量与对照组（不掺减水剂）相比减少7.4%。坍落度为180mm时，用PCC，三种减水剂P1，SP1，SP2的掺量依次为7%，6%，5.4%（占干水泥重量），用OPC时，所需三种减水剂的量较前者依次减少。

图2 三种减水剂对CPB试件（5%OPC作为胶结剂）力学性能的影响图3 三种减水剂对CPB试件（5%PCC作为胶结剂）力学性能的影响

（二）减水剂对CPB力学性能的影响

从图2和图3可看到不掺减水剂的CPB试件60天左右强度达到高峰，掺减水剂的90天左右强度达到高峰，减水剂的添加使CPB试样的强度在较长的养护期内持续增长。和OPC组合时，掺减水剂制得的CPB试样28天UCS均≥0.7MPa，并且在360天的养护期内保持稳定（UCS≥0.7MPa）；和PCC组合时，只有掺SP2，才能使CPB试件28天UCS≥0.7MPa。CPB试件强度在56—90天的养护期内达到高峰，随后都会出现降低的趋势，但是都未低于0.7Mpa，不掺减水剂的CPB试件后期强度降低了21%和15%,均低于0.7MPa。

三、结论

减水剂的添加可以提高CPB的稠度和强度。三种减水剂相比，SP2是最有效的。水泥选用OPC时，添加减水剂可以使CPB28天UCS≥0.7MPa，而且后期强度维持在0.7MPa以上，此时，减水剂可显著改善长期稳定性问题，缓解后期强度的降低。水泥选用OPC时，减水剂可提高CPB试件的短期强度，但是对其长期稳定性的改善是有限的，只有掺SP2减水剂能使CPB试件28天UCS达到0.7MPa，后期强度降低幅度减小。

参考文献：

[1]缪协兴,张吉雄,郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究[J].煤炭学报, 2010, 35(1): 1-6.

[2]常前发.我国矿山尾矿综合利用和减排的新进展[J].金属矿山, 2010(3): 1-5.