煤基固废充填材料配比试验研究

杨 科,赵新元,何 祥,魏 祯,张继强,姬健帅

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 232001;2.合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室),合肥 230000;3.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽 淮南 232001)

我国每年在煤炭开采利用过程中产生大量固废物,如矸石、粉煤灰、气化渣等。这些固废堆积在地表,严重威胁当地的生态环境和人民健康。近年来,不少煤矿将符合环保要求的煤基固废制作成一种井下充填材料,不仅控制地表沉陷,更是一条处理煤基固废材料的有效途径,可谓一举两得,多重效益[1]。

针对煤矿充填材料的研究,众多专家学者做了大量工作。李典等[2]采用中心复合实验法研究了水泥、细矸率和减水剂用量对矸石充填体的不同龄期强度特性影响规律;常庆粮等[3]采用人工神经网络方法对充填材料配比进行了预测和评价;唐岳松等[4]研究了煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等充填材料配比优化前后的力学性能;冯国瑞等[5]运用响应面分析法得出了矸石-废弃混凝土胶结充填材料的合理配比。还有其他很多学者对各种充填材料的研究也取得了丰富成果[6-8]。但是脱硫石膏、气化渣和炉底渣等共同作为煤基固废充填材料组份,其合理配比和影响效应的研究目前较少。

本文以脱硫石膏、气化渣和炉底渣为因素设计响应面试验,研究了三种固废不同占比的充填体龄期强度,分析了三种固废对充填体7-d强度的影响效应,最后通过拟合回归得出脱硫石膏、气化渣和炉底渣的最优占比并进行了验证。研究结果为煤基固废充填材料的工程应用提供参考。

1 实验部分

1.1 煤基固废材料

本试验中采用的煤基固废充填材料为煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、气化渣和炉底渣,外加水泥作为胶凝材料,试验材料实物见图1所示。

图1 煤基固废材料Fig.1 Coal-based solid waste materials

煤矸石来自宁夏某煤矿,粒径小于15 mm。粉煤灰、脱硫石膏、气化渣和炉底渣等固废材料均来为宁东煤电基地的一类工业固废。其中试验采用的粉煤灰为二级粉煤灰,烧失量3.5%;气化渣和炉底渣粒径小于2.5 mm;水泥的型号为P.O 32.5,细度为20 μm,比表面积为858 m2/kg,密度3.1 g/cm3。采用XRD方法对各种煤基固废材料进行半定量分析可知,煤矸石的主要成分为SiO2和Al2SiO2(OH)2,粉煤灰和炉底渣的主要成分均为SiO2和Al2SiO5,脱硫石膏主要成分为CaSO4·2H2O,气化渣的主要成分为SiO2,水泥的主要成分为CaSO4·2H2O和Ca3SiO5。

1.2 试验方案

较多文献对以矸石、粉煤灰和水泥为主要组份的充填材料配比及力学特征等进行了全面研究,成果丰富[9-10]。因此本文不再研究矸石、粉煤灰和水泥对充填材料性能的影响,在实验设计时将矸石、粉煤灰和水泥的用量固定不变,将脱硫石膏、气化渣和炉底渣作为试验因素,龄期强度(1 d、3 d、7 d和28 d)作为优化目标,采用实验设计软件进行设计和分析。本实验中以矸石质量为基准,按照各固废材料与矸石质量的比例(简称配比)称取材料,综合考虑各种煤基固废材料的来源、产量以及充填工程的目标和效益等因素。最终确定粉煤灰与煤矸石质量比值为2∶5,水泥与煤矸石质量比值为1∶10,脱硫石膏、气化渣和炉底渣的占比设定为三个水平,所制料浆中固体与水质量比为4∶1，采用Box-Behnken Design方法进行响应面设计,如表1所示。

表1 充填材料配比试验设计表Table 1 Ratio test design table

2 试验过程

整个实验过程参照国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080—2016)。首先采用电子称称取1 kg的矸石、0.4 kg的粉煤灰和0.1 kg的水泥,再按照各实验组设计占比称取相应质量的脱硫石膏、炉底渣、气化渣等固废材料；将称量好的实验材料倒入搅拌桶内混合均匀,然后按照质量分数80%称取各实验组所需水量,倒入搅拌桶搅拌均匀；搅拌完毕后将混合材料装入内壁涂有脱模油、长宽高均为70.7 mm的立方体试模中,试模置于振动台上使试模内的材料振动均匀、端面平整,然后将试模放置24 h后对试件进行脱模；脱模后的试件置于养护箱内进行养护,养护条件为温度25±2℃,相对湿度80%,养护时间分别为1 d、3 d、7 d和28 d,达到相应养护龄期后采用压力机测试其单轴抗压强度。实验流程如图2所示。

图2 试验过程Fig.2 Testing process

3 试验结果分析

3.1 强度分析

配比试验设计表中,试验编号13—17的材料配比一致,因此以试验编号1—13的试验结果进行分析。不同养护龄期的充填体试件的单轴抗压强度结果如图3所示。

图3 各组试件的龄期强度Fig.3 Age strength of specimens in each testing group

由表4可知,各实验组试件的抗压强度随着养护时间的增加普遍呈现先增加后减小的变化规律,即在养护龄期不大于7 d时,充填体试件的抗压强度随养护时间而呈现逐渐增加趋势,而当养护龄期超过7 d达到28 d后,充填体试件的抗压强度却出现下降。分析原因为养护龄期较小时,试件里的水分逐渐减少,内部材料相互胶结并逐渐硬化,导致抗压强度在短期内与养护时间呈正相关,当试件养护较长时间(28 d)后,其内部已经干燥,在外部环境影响下出现物质氧化迹象,内部材料间的胶结作用变弱,进而抗压强度减小。由17组不同配比实验结果可知,实验7的充填体试件在不同养护龄期下的抗压强度普遍最大,养护龄期为1 d、3 d、7 d和28 d时的试件抗压强度分别为0.37 MPa、0.5 MPa、0.78 MPa和0.48 MPa。其中该配比下的充填体试件在养护龄期为7 d时的抗压强度为本次实验最大强度,为0.78 MPa。

3.2 主效应分析

为了分析气化渣、炉底渣和脱硫石膏对充填体试件的影响效应,以各组试件在养护龄期为7 d时的抗压强度(称之为7-d强度)为例对其进行分析。将各组试件的三种固废占比及对应的7-d强度数据代入统计分析软件,得出7-d强度的主效应图,如图4所示。

图4 7-d强度主效应图Fig.4 Main effect of 7-day strength

由图4可知,脱硫石膏、炉底渣和气化渣的均值均随着各因素掺量的增加而呈现不同程度的下降趋势,表明脱硫石膏、炉底渣和气化渣对充填试件的7-d强度的影响为负效应,对强度表现出不利影响。从各因素均值线的下降斜率看,脱硫石膏的均值线下降斜率最大,其次为气化渣和炉底渣,说明脱硫石膏对充填体7-d强度的不利影响程度最大,其次为气化渣和炉底渣。因此,在煤基固废材料制备成充填材料时,为了能够使充填体的强度达到最大化,应适当减少脱硫石膏、炉底渣和气化渣的掺入量。

3.3 配比优化

通过统计软件中的拟合方法得到同养护龄期的强度响应面回归方程如下。

1d强度:

Y1=0.28-0.019A-0.015B-0.031C+0.037AB+5×10-3AC+7.5×10-3BC+5.5×10-3A2-0.012B2-4.5×10-3C2(R2=0.873).

3d强度:

Y3=0.4-0.038A-0.012B-0.028C+0.022AB+0.018AC+2.5×10-3BC+0.022A2-0.023B2-3.25×10-3C2(R2=0.841).

7d强度:

Y7=0.64-0.046A-0.015B-0.024C+0.09AB+0.053AC-0.045BC-6.75×10-3A2-0.019B2-0.017C2(R2=0.972).

28d强度:

Y28=0.36-0.044A+0.051B-0.015C+0.05AB+7.5×10-3AC-0.013BC+0.4A2+0.025B2-2×10-3C2(R2=0.972).

式中A、B和C分别为脱硫石膏、炉底渣和气化渣的占比。

各方程函数均为三元二次函数。其相关系数R2最小的为3 d强度的0.84,其余方程相关系数均大于0.87,说明不同龄期的强度回归方程与实验结果相关性较好,拟合程度高,可用此模型对不同龄期的强度进行预测。

应用拟合回归模型对脱硫石膏、炉底渣和气化渣三种固废材料占比进行优化,得到固废材料的最优占比为脱硫石膏0.2、炉底渣0.1和气化渣0.1,在此最优配比下预测出充填体1 d、3 d、7 d和28 d龄期强度值分别为0.39 MPa、0.52 MPa、0.78 MPa和0.50 MPa。为了检验此实验方法的可靠性和最优配比的准确性,采用上述最优配比按照实验步骤制作三组充填体试件,放置不同龄期后对其进行强度测试,取平均值作为各龄期强度。结果表明,固废材料最优配比下的充填体试件在1 d、3 d、7 d和28 d时的平均强度值分别为0.38 MPa、0.51 MPa、0.8 MPa和0.48 MPa,与各龄期的强度预测值最大相差幅度小于3%,相差幅度在合理范围之内,基本符合回归模型预测结果,验证了模型构建的正确性,对材料配比优化和强度预测具有指导意义。

4 结论

1)脱硫石膏、气化渣和炉底渣等三种固废不同占比的煤基固废充填体在养护龄期不大于7 d时,其抗压强度随着时间的增加而增长,在养护龄期达到28 d时,充填体试件的抗压强度比7-d强度明显降低。

2)脱硫石膏、气化渣和炉底渣均对充填体7-d强度的影响表现出负效应,影响程度由大到小排序为脱硫石膏、气化渣和炉底渣。

3)在煤矸石、粉煤灰、水泥和料浆中固体质量分数不变的基础上,得出脱硫石膏、气化渣和炉底渣的最优配比为脱硫石膏0.2、炉底渣0.1和气化渣0.1,并进行了龄期强度的验证。