碱激发胶凝材料在充填领域的应用及发展★

周天璧，蒋 波，罗正东

(1.岳阳路桥集团有限公司,湖南 岳阳 414000; 2.湘潭大学土木工程学院,湖南 湘潭 411105)

0 引言

在基础设施的建设过程中,由于地下岩溶洞穴、土洞以及矿山采空区等空洞未被及时发现、处治,通常会造成地面塌陷,从而导致建筑倒塌、道路中断或地下水倒灌等问题的发生,严重威胁人们生命财产安全[1]。近年来,针对上述孔洞处治问题,诞生了一系列行之有效的技术方法,最为常见的为充填法,其中主要包括干式充填法、水砂充填法和胶结充填法。相较于其他充填法,胶结充填法因其具有施工工艺简单、充填效率快、固废资源利用率高等优势而被广泛应用于空洞充填领域[2]。胶结充填法具体是指将胶凝材料、骨料和水按照一定比例均匀拌合,以自流或者泵送的形式运送至待充填区域,通过胶凝材料、骨料和水发生一系列物理-化学作用形成具有一定承载力的充填体[3]。

目前,充填领域中最为常用的胶凝材料为水泥,但水泥的制备运输过程中存在高能耗、高污染、高碳排放等问题。相关研究表明,每生产1 t水泥熟料将排放约0.95 t的CO2,其中干法熟料能耗为3 300 kJ/kg,湿法熟料能耗高达5 500 kJ/kg[4]。此外,水泥费用约占充填材料总成本的60%～80%[5]。为推进落实绿色建造,实现我国基础设施建设的绿色可持续性发展,充填领域亟需研发成本低廉、低碳节能、生态环保的充填胶凝材料。

碱激发胶凝材料是指具有潜在火山灰活性的硅铝酸盐材料,在碱激发剂的激发活化作用下形成的具有水硬活性的无机硅铝酸盐胶凝材料,其具有性能优异、耐久性好、绿色环保等特点,被视为是普通硅酸盐水泥的理想替代品[6]。近年来,国内外学者从其反应机理、力学性能以及耐久性等方面对碱激发胶凝材料开展了大量的理论、试验研究工作。研究表明,与普通硅酸盐水泥相比,碱激发胶凝材料具有早强快硬、耐酸碱腐蚀、耐冻融以及耐高温[7]等优点。此外,碱激发胶凝材料的制备过程无需高温煅烧,其生产能耗仅为普通硅酸盐水泥的10%,CO2排放量较硅酸盐水泥也降低了90%[8]。

然而,目前的研究主要集中在碱激发胶凝材料本身力学性能或在混凝土领域的应用,关于其在溶洞充填领域的研究还鲜见报道。鉴于此,本文首先对碱激发胶凝材料胶结尾砂的反应机理进行了介绍,然后对近年来碱激发胶凝材料在充填领域取得的研究进展进行了总结,最后对其发展趋势进行了展望,以期为碱激发胶凝材料在充填领域的实践应用提供参考和借鉴。

1 碱激发胶凝材料胶结骨料反应机理

20世纪40年代,比利时科学家Purdon[9]首次阐述了碱激发材料的反应机理,指出高炉矿渣中的硅铝酸盐矿物组分在NaOH激发作用下溶解形成硅酸钠和偏铝酸钠,随后与钙组分水化后的Ca(OH)2发生化学反应生成水化铝酸钙(C-A-H)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。20世纪60年代,前苏联科学家Glukhovsky[10]提出了基于低钙硅铝酸盐材料的碱激发反应Glukhovsky模型,该模型将碱激发反应分为三个阶段,分别为解构-重构阶段、重构-凝聚阶段、凝聚-结晶阶段。20世纪80年代,法国材料学家Davidovits[11]针对偏高岭土材料,将碱激发反应过程分为溶解、解聚和缩聚三个阶段,即在碱激发剂的作用下,偏高岭土中的硅铝酸盐矿物组分发生溶解,Si-O键和Al-O键发生解聚,再聚合形成以-Si-O-Al-为骨架的高分子聚合物。综上可知,目前就碱激发反应机理还尚未形成统一认识,但普遍认同的结论是碱激发胶凝材料的反应过程分为溶解、解聚、缩聚和固化四个阶段。

碱激发胶凝材料对骨料的胶结过程为富含铝酸盐矿物组分的原料,在碱激发剂的激发活化作用下发生硅氧键、铝氧键溶解,然后解聚为单聚体,之后缩聚为硅铝酸盐凝胶。一部分硅铝酸盐凝胶将离散的骨料胶结包裹并填充在骨料残留的孔隙中形成团聚体,其余的硅铝酸盐凝胶凝结硬化形成外部支撑骨架并将独立的团聚体联结成相互连通、结构致密的空间结构体系,以此提高充填体的宏观承载性能[12]。总体而言,目前关于碱激发胶凝材料和骨料的反应机理研究报道较少,主要原因是不同矿区的骨料理化性质不同,采用相同的碱激发胶凝材料胶结骨料也可能会表现出不同的性质。针对上述问题,今后应根据不同区域的充填要求,考虑到碱激发胶凝材料性能的差异性,建立与之匹配的碱激发-骨料体系反应机理模型。

2 碱激发胶凝材料的应用现状

自从Purdon提出“碱活化”理论以来,关于碱激发胶凝材料的研究迅速发展,并取得了一系列重大研究进展。以下就几种典型的碱激发胶凝材料在充填领域的应用情况进行介绍。

2.1 矿渣基碱激发胶凝材料

矿渣是炼铁过程中产生的一种工业副产物,经淬冷成粒后粉磨制成。矿渣主要由非晶态玻璃质组成,非晶态物质的含量(质量分数)一般在80%以上,其主要成分为CaO,SiO2,Al2O3,MgO等[13]。由于矿渣独特的化学成分和空间结构,使其具有较高的潜在胶凝活性。

Cihangir等[14]以矿渣为硅铝质原材料,研究了不同类型碱激发剂(氢氧化钠和液体水玻璃)对充填材料强度的影响,并与普通硅酸盐水泥充填材料进行比较,结果表明不同类型碱激发矿渣基充填材料的无侧限抗压强度均高于普通硅酸盐水泥充填材料。张少鹏等[15]研究发现,碱激发矿渣基充填体强度明显高于水泥基胶结充填体,其强度是水泥对照组的2.2倍～3.4倍;在流动性能方面,碱激发矿渣基充填体相较于水泥基也表现得更为优异。除此之外,碱激发矿渣基胶凝材料表现出显著的经济和环保效益。任磊等[16]对碱激发矿渣基充填材料的经济性进行了详细分析,研究表明,碱激发矿渣基充填材料成本普遍低于水泥基充填材料,具有显著的经济和环保优势。

2.2 粉煤灰基碱激发胶凝材料

粉煤灰是煤经过高温煅烧冷却之后形成的粉状固体废弃物,其化学组成主要为SiO2,Al2O3和Fe2O3,三者总量约占70%[17]。粉煤灰主要物相为硅铝玻璃体和少量的石英、莫来石等矿物,其中大量的硅铝玻璃体是粉煤灰胶凝活性的主要来源[18]。

由于碱激发粉煤灰基胶凝材料的早期强度低,因而单纯以碱激发粉煤灰基胶凝材料制备充填材料的研究报道较少。为了保证碱激发剂胶凝材料的早期力学性能,通常以碱激发粉煤灰-矿渣复合充填胶凝材料为主[19]。孙晓刚等[20]采用碱激发矿渣-粉煤灰制备充填材料,充填材料试件在标准养护3 d,28 d的抗压强度分别为2.12 MPa和6.84 MPa,抗压强度均满足充填要求。王丽娟等[21]以矿渣、粉煤灰为硅铝原材料,水玻璃为碱激发剂制备充填材料,研究了不同粉煤灰掺量对充填材料流动性及力学性能的影响,研究表明,具备球形玻璃体结构的粉煤灰能够发挥其“滚珠效应”,有利于改善料浆的和易性,提高充填材料的流动性。

2.3 尾矿基碱激发胶凝材料

据统计,我国的尾矿和废石累积堆存量已接近600亿t,其中尾矿堆存量为146亿t,尾矿通常具有较大的腐蚀性和污染性,大量尾矿的简单堆埋处置不仅对生态环境造成了不可修复的危害,还存在难以估量的安全隐患[22]。尾矿的化学组成较为复杂,我国尾矿的矿物成分以石英、长石、石灰石等为主,其化学成分主要为SiO2,Al2O3与天然火山灰类似,具有潜在的胶凝活性[23]。

近年来,大量研究学者利用尾矿制备碱激发胶凝材料应用于充填领域。李峰等[24]以钼尾矿为原料制备碱激发胶凝材料作为充填采矿的胶凝材料,通过干法加碱煅烧活化方式来激发钼尾矿的胶凝活性,研究表明,当灰砂质量比为1∶4、料浆质量分数为72%时,充填材料不同龄期的抗压强度均满足充填要求,并且具有良好的环境相容性。董猛等[25]利用煤矿煤层伴生的硬质高岭土为硅铝原材料,以煤矿开采和洗涤过程中的主要固体废弃物煤矸石为骨料,采用碱激发的方式制备充填材料,对充填体强度、流动性与环境性进行研究,研究表明,当碱激发剂Na2SiO3与NaOH的配比为1∶1,偏高岭土与煤矸石的配比为3∶7时,充填体力学性能和流动性均可以满足充填要求,且碳排放指标低至0.257。

2.4 有色金属冶炼渣基碱激发胶凝材料

有色金属冶炼渣是有色金属矿物在冶炼过程中产生的废渣,其中在铅、锌或铜矿的冶炼过程中会产生大量有色金属废渣。通常,有色金属废渣中均含有潜在的有毒金属和类金属(如砷、锑),其具有成分复杂、环境危害大等特点,属大宗工业固体废物[26]。

有色金属冶炼渣种类繁多,大都具有潜在胶凝活性,近年来研究学者利用其制备碱激发胶凝材料应用于充填领域。朱茂兰等[27]以铜渣为研究对象,石灰为碱激发剂制备充填材料,研究表明,采用碱激发铜渣基胶凝材料与尾砂调配,可制备出适用于充填的材料,充填体标准养护28 d后的抗压强度满足充填要求。吴爱祥等[28]为了实现铜炉渣的大规模利用,通过碱激发的方式制备铜炉渣基充填胶凝材料,结果表明,充填材料标准养护28 d的强度达到了1.0 MPa,适用于井下充填。陈青[29]以铅锌渣为研究对象,采用碱激发方式制备充填材料,并与现用P.O42.5水泥的基本性能进行对比分析。结果表明,在料浆浓度均为75%的条件下,灰砂质量比为1∶6的碱激发铅锌渣基胶凝材料灰可代替灰砂质量比为1∶4的现用P.O42.5水泥,可有效降低充填成本。

3 碱激发胶凝充填材料未来发展趋势

近年来,围绕碱激发胶凝材料在充填领域的应用,国内外学者对此展开了大量的研究,为促进碱激发胶凝材料的进一步推广应用,未来可从以下几个方面进行深入研究:

1)力学性能:碱激发胶凝材料具有优异的力学性能,其中包括抗压强度、抗折强度、抗弯强度等,但目前对以碱激发剂胶凝材料制备的充填体力学性能的研究,主要集中在后期强度上,而关于早期强度的研究还鲜见报道。充填体早期强度对施工过程具有重要的影响,早期强度高不仅可缩短充填时间,提高充填效率,还可确保安全生产。因此,今后应对充填体的早期力学性能开展进一步的研究。

2)耐久性:碱激发胶凝材料相较于普通硅酸盐水泥具有良好的耐久性,其中包括耐酸碱侵蚀性、抗冻融性、抗干湿性等,但目前关于碱激发胶凝材料制备充填体的耐久性研究还鲜见报道。充填体耐久性是非常重要的指标,同时也是体现充填体能否长期应用的关键所在,充填体通常位于地下,难以避免地会受到地下水中各类化学离子的侵蚀作用。在受到化学离子侵蚀后,充填体的各项性能将会大打折扣,从而影响其长期正常使用性能,因此,充填体耐久性的研究可作为下一步的研究重点。

3)前驱体种类:碱激发胶凝材料前驱体种类繁多,其中包括高炉矿渣、粉煤灰、偏高岭土、尾矿、有色金属废渣等。不同前驱体种类制备的充填体性能差异性较大,且目前关于碱激发充填胶凝材料的研究多为一元或二元体。因此,未来可根据前驱体原料各自特点取长补短,协同使用各类原料,发挥前驱体性质,研究碱激发多元充填胶凝材料的制备,提升充填材料的性能。

4)碱激发剂种类:碱激发胶凝材料中碱激发剂是提升充填体强度的重要因素,同时也是碱激发充填胶凝材料的主要经济投入点。碱激发剂种类繁多,其中包括氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠等,但其使用成本较高。因此,未来可探索利用成本低廉且具有碱激发作用的工业废弃物如碱渣、电石渣等作为碱激发剂制备碱激发胶凝材料的可行性。同时,应加强对酸激发、盐激发胶凝材料等开展研究,以此来提高激发剂应用的广度和深度,降低造价。

4 结语

碱激发胶凝材料作为一种新型绿色胶凝材料,其力学性能好、耐久性优异,且生产使用过程具备低碳、节能、环保的特点,其原材料的选择与利用来源更加广泛,可有效替代普通硅酸盐水泥制备充填胶凝材料应用于充填领域。今后对碱激发充填胶凝材料的研究可向着改善充填体早期强度、提高充填体耐久性、扩大前驱体原料和碱激发剂种类的方向继续进一步发展。碱激发胶凝材料在充填领域的广泛应用具有重要意义,可贯彻落实绿色可持续发展战略,实现我国“碳达峰、碳中和”的战略目标。