膏体充填技术作为深部采矿的关键技术之一,其具有充填质量高、环境污染小等技术优势。通常,膏体充填采用水泥作为主要的胶凝材料,为了降低充填成本,利用价格低廉的粉煤灰部分代替水泥,通过化学试剂激发粉煤灰中的活性成分,以满足充填强度要求。此外,深部开采高温环境对充填体水化反应及强度的影响不可忽视。为此,本文旨在研究温度效应下膏体中粉煤灰的活性激发机理,为深部采矿中粉煤灰在膏体中的应用提供理论支持。
(1)研究了常温下多种激发剂的作用效果。六种激发剂单掺时对粉煤灰膏体试块的强度增长效果明显,激发作用主要发生在养护早期。激发剂复掺情况下,六种激发剂对于粉煤灰膏体充填体的 28d 强度影响大小排序是: NaAlO2>NaOH>Na2CO3;>NaCl>Na2SiO3;>Na2SO4,其中NaAlO2和 NaOH对 28d 强度影响权重较大。
(2)研究了温度对激发剂作用效果的影响。随着养护温度升高,添加激发剂的粉煤灰膏体试块早期强度增长速率越快,强度越来越大,60℃时,养护 7d 后强度增长缓慢,出现 28d 强度小于7d强度;升高温度,单掺 NaOH激发作用减弱,而单掺NaAlO2过量会导致粉煤灰膏体试块的强度劣化。NaOH掺量,NaAlO2掺量和温度之间对膏体中粉煤灰活性激发存在交互作用。
(3)研究了激发剂的作用机制。随着养护龄期的增加,激发剂促进粉煤灰膏体中生成更多水化产物,内部结构越来越致密。在激发剂的作用下,粉煤灰球形颗粒表面在养护3d时出现突破口开始释放活性物质,随后生成水化硅酸钙白色凝胶物质,28d 时生成大量的凝胶物质与针状晶体使得膏体结构更加致密。分形维数越来越大也印证了结构的致密程度,与强度结果吻合。
(4)研究了温度效应下激发剂对膏体强度影响的微观机理。掺加NaOH粉煤灰膏体在不同养护温度下,在内部生成水化硅酸钙胶凝和晶状体状的氢氧化钙物质,包裹在尾砂颗粒的表面上,同时有一些针状的钙矾石填充于孔隙当中。随着温度的升高,在早期 7d更多具有活性的 SiO2被消耗,同时温度利于促进硅酸三钙和硅酸二钙的水化速度,快速的形成水化硅酸钙凝胶包裹在颗粒的表层。