中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2012）12-0272-02 摘要：为有效利用氧化铝厂生产的废渣赤泥，降低煤矿掘进巷道成本，研制开发了赤泥-水泥喷射混凝土材料，分析了赤泥-水泥喷射混凝土的力学性能，分析了碱激发赤泥基复合胶凝喷射混凝土的凝结反应机理，提出了赤泥在喷射混凝土中代替部分水泥的数量，采用了烧结法赤泥代替矿井巷道围岩喷射混凝土所用部分水泥，经试块测试，符合煤矿井下巷道喷射C20混凝土的强度要求。现已在洛阳龙门煤业有限公司常村煤矿推广应用巷道3680m，取得了良好效果。
关键词：赤泥 喷射混凝土胶凝材料 碱激发 喷射混凝土测试
赤泥的大量排放给企业和社会带来了很多问题。首先堆存赤泥占用大量土地，企业需要支付巨额的建设费用；其次是企业每年还需要支付大量的运行维护费用。同时，露天堆放的赤泥会产生扬尘，随风飘散的赤泥粉尘将会影响空气的质量，并会对所在区域内居民的身体健康造成危害。赤泥的堆放造成了严重的环境污染，如何有效利用赤泥是氧化铝生产企业和社会共同关注的问题，也是变废为宝，减轻甚至消除赤泥对土地的占用、对环境的污染，从而提高企业的经济效益和社会效益亟待解决的问题。煤矿井下巷道围岩喷射混凝土中消耗大量的水泥。由于赤泥可适当改善水泥的某些性能，赤泥具有一定的潜在活性，和水泥搭配使用时，水泥的水化产物Ca（OH）2和Aft对赤泥的活化有一定的激发作用。采用赤泥来替代部分水泥，变废为宝，化害为利，达到节约水泥，降低生产成本的目的。
1、试验原料及方法
1.1 原料
水泥：本试验中采用的普通硅酸盐水泥是由江苏徐州中联水泥集团生产的，标准球磨机粉磨 70min，比表面积350m2/kg，0.080mm 方孔筛筛余 1.2%。硅酸盐水泥的物理力学性能见表 1-1。
赤泥：取自河南煤化工集团氧化铝厂生产过程中排放的赤泥，为板结块状，外观呈土黄色。经测定，赤泥的基本物理性质见表2，赤泥的化学组成分析结果如表3 所示。
从表3可以看出，该烧结法赤泥的主要成分以SiO2 、CaO 为主，占50 %以上，20 %以上的铁、铝氧化物的水合物及多种微量元素。另外该赤泥的烧失量较高，说明赤泥中存在较多的水合矿物和碳酸盐矿物等高温下易分解并释放出水分或气体的物质，形成多孔结构。
1.2试验方法
1.2.1 试验地点及步骤
试验地点为常村煤矿西翼皮带运输巷。试验步骤为对赤泥-普通硅酸盐水泥的喷射混凝土强度性能进行现场试验，试验巷道130m，分为13段，每段10m，不同段所用普通硅酸盐水泥和赤泥的比例分别为1：0、9：1、7：1、5：1、3：1、7：3、6：4、1：1、1：2、1：3、1：4、1：5、1：6。为便于分析，赤泥、普通硅酸盐水泥分别用符号C、C2表示。
1.2.2 试块制作、养护和强度检测
在井下巷道喷射混凝土段制作混凝土试块，试块边长为100mm的正方体；然后进行养护和分3天、14天、28天进行抗压试验。
2、试验结果及分析
2.1 赤泥加入量对赤泥-普通硅酸盐水泥喷射混凝土力学性能的影响
由图1可以看出，试块3d的抗折强度随着赤泥用量的增大变化不大，基本维持在3.5MPa左右，直至赤泥掺量超过40%才开始显著降低；14d龄期的抗折强度随着赤泥用量的增大有所增加，当赤泥的掺量达到12.5%时达到最大，然后随着赤泥的用量的增加，试块的抗折强度不断下降，当赤泥的掺量达到25%和不掺赤泥的抗折强度相当。28d龄期的抗折强度则随着赤泥用量的增大而降低，在赤泥掺量不大的条件下，试块各龄期的抗折强度下降幅度很小。综合3d、14d 、28d抗折强度的变化来看，赤泥的掺量可以达到25%。超过这一掺量，赤泥-普通硅酸盐水泥胶砂的抗折强度开始大幅下降。
由图2可以看出，随着赤泥用量的增大，试块3d的抗压强度有所增加，当赤泥的掺量达到12.5%时达到最大，并一直维持在较高的水平，直至赤泥用量达到25%试块3d的抗压强度才开始大幅下降。试块的14d和28d龄期的抗压强度均随着赤泥用量的增大而下降，在赤泥掺量不大（<25%） 的条件下，试块的抗压强度下降幅度较为平缓。综合3d、14d 、28d抗压强度的变化来看，赤泥的最大掺量能达到25%。
2.2 赤泥-普通硅酸盐水泥体系的水化机理
有研究表明，在一定的掺量范围内，赤泥掺入水泥胶砂中，可以使水泥的水化程度得到提高，水化产物的增加提高了硬化浆体间的连接度，从而提高了混凝土的强度。
本试验采用的水泥是以粉煤灰为主要混合材的普通硅酸盐水泥，其粉煤灰掺量超过20%。由粉煤灰水泥水化动力学可知，粉煤灰水泥中粉煤灰的水化主要是粉煤灰与水泥的水化产物氢氧化钙之间的反应，由此使得粉煤灰和水泥的水化相互影响，相互促进，加速其中一个反应的同时也加速了另外一个的反应。
因此，赤泥掺入到粉煤灰-水泥胶砂中具有两方面的作用：一方面是赤泥与水泥的反应，这个反应促进了水泥的水化反应速度；另一方面是赤泥和水泥的水化产物氢氧化钙共同与粉煤灰的作用。实际上上述两方面的作用是相互联系相互影响的，赤泥在促进水泥水化的同时也促进了粉煤灰的水化。由本文试验可知赤泥掺量存在一个合理的范围，以不超过25%为宜。
对于粉煤灰一水泥胶凝体系来说，这是由于粉煤灰表面是由坚固的[SiO4]、[AlO4]四面体所构成的保护膜，使得内部可溶性的SiO2、Al2O3无法释放出来，而水泥所产生的Ca（OH）2数量有限，无法对粉煤灰的活性进行有效激发。对于赤泥一粉煤灰一水泥体系，除了水泥水化生成的Ca（OH）2与粉煤灰反应外，赤泥中含有的游离碱对粉煤灰的玻璃体也有一定的破坏作用，从而有利于其中的活性SiO2、Al2O3的释放。因此，粉煤灰的水化反应相对要加快一些。而赤泥和活化的粉煤灰还能进行水化反应，从而生成具有一定早期强度和后期强度水化产物。另外，由于粉煤灰的玻璃体网络在赤泥中游离碱和激发剂“双重”作用下，破坏较严重，而且在粉煤灰表面形成很多硅酸根离子和铝酸根离子，而赤泥可以和这些离子生成一些具有早期强度的水化产物。
3、施工工艺
现场可按比例直接把赤泥参入水泥中，具体施工工艺和不加赤泥对巷道围岩喷射混凝土施工工艺相同。
4、结论
（1）当赤泥的掺量达到25%和不掺赤泥的巷道围岩喷射混凝土抗折强度相当。综合3d、14d 、28d强度变化，赤泥的掺量可以达到25%。具体配比为水泥：赤泥：啥子：石子=3：1：8：8。超过这一掺量，赤泥-普通硅酸盐水泥胶砂的抗折强度开始大幅下降。
（2）与传统巷道围岩喷射混凝土相比，对于赤泥-水泥喷射混凝土材料，当赤泥掺量较低时，其28天抗压强度值略有提高，随着赤泥掺量的增大，28天抗压强度值不断降低，但下降幅度较小；碱激发赤泥基喷浆材料的28天抗压强度值也明显降低，但其28天抗压强度值均普遍高于25MPa，满足C20喷射混凝土的强度要求。
5、推广应用
2011年元月份在洛阳龙门煤业有限公司常村煤矿巷道中推广应用，现已推广应用3680m，经试块测试，符合煤矿井下巷道喷射C20混凝土的强度要求，所施工巷道均未变形，均为出现喷射混凝土浆皮开裂现象，保证了安全生产，降低了巷道掘进成本。