年龄、水泥/尾矿比例以及MK-GP掺量对水泥浆填充材料的力学性能及演化机制的影响

《Powder Technology》：Effect of age, cement/tailings rate, and MK-GP dosage on mechanical features and evolution mechanism of cementitious paste fill

充填体强度随莫来石含量变化规律研究，以铁尾矿为基质，采用XRD、TGA分析发现莫来石掺量12%时强度峰值达32.5MPa，掺量16%后强度下降。充填体中氧化钙含量与强度呈二次函数关系，掺量超过临界值后因过度膨胀剂活性导致结构破坏。该成果为矿山充填材料优化提供理论支撑。

　　本研究围绕水泥固化膏体（Cemented Paste Fill, CPF）的性能优化展开，特别关注了采用偏高岭土基地质聚合物（Metakaolin-based Geopolymer, MK-GP）替代部分水泥的可行性。CPF作为一种广泛应用于地下硬岩采矿中的填充材料，其主要作用在于提升矿井的安全性、稳定性和经济效率。在采矿过程中，CPF被用来填充垂直矿柱，尤其在贵金属矿脉的开采中，起到了重要的支撑作用。其制备过程通常包括将尾矿与一种结合剂（如矿物或化学添加剂）混合，然后将混合物泵送至地下矿井中。这种材料不仅能够实现对矿体的完整回收，避免矿柱中残留材料，还能够加快和提升采矿的安全性，防止地表塌陷，并降低尾矿处理的成本。

CPF的性能主要由其结合剂的种类和比例、固化时间以及填充条件等关键参数决定。其中，结合剂的用量和种类是影响其强度的关键因素。传统CPF中，水泥作为主要结合剂，但其成本较高，约占总填充成本的70%。因此，寻找能够替代水泥的低成本、高性能材料成为研究的重点。MK-GP作为一种新型的无机结合材料，因其具有较低的密度、较低的热导率以及较低的热膨胀系数等优势，被广泛应用于建筑、航空、陶瓷艺术以及核废料储存等领域。它由高岭土在700–900℃的高温下煅烧制成，其矿物结构发生变化，形成了具有更高活性和更大比表面积的无定形材料。这种特性使得MK-GP在与水或其他激活剂反应时，能够产生更强的胶凝效应，从而提升填充材料的强度和耐久性。

在本研究中，研究人员首次将MK-GP引入CPF中，以期开发出一种新型的填充材料。通过实验室测试，他们系统地分析了MK-GP的掺入量、水泥与尾矿（c/t）的比例以及固化时间对CPF性能的影响。实验采用了单轴压缩强度（Uniaxial Compressive Strength, UCS）、X射线衍射（XRD）和热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）等手段，旨在揭示MK-GP对CPF强度发展机制的影响，并探讨其微观结构的变化。

实验结果显示，随着MK-GP掺入量的增加，CPF的强度呈现出先上升后下降的趋势。当MK-GP的掺入量达到12%时，填充材料的强度达到峰值。然而，当MK-GP的掺入量进一步增加至16%时，强度开始下降。这一现象可能与MK-GP在填充材料中的作用机制有关。首先，MK-GP的加入促进了水泥的水化反应，提高了填充材料的早期强度。其次，随着MK-GP含量的增加，填充材料的微观结构发生变化，形成了更多的胶凝产物，从而增强了材料的力学性能。然而，当MK-GP含量过高时，可能会导致填充材料中的孔隙结构发生变化，形成更多的封闭孔隙，从而降低了材料的密实度和强度。此外，MK-GP的加入还可能影响钙氢氧化物（Calcium Hydroxide, CH）的生成和消耗过程。TGA和XRD分析表明，随着MK-GP含量的增加，CH的含量先增加后减少，且填充材料的强度与CH含量之间存在二次函数关系。这表明，CH的生成和消耗对填充材料的强度发展具有重要影响，尤其是在早期固化阶段。

为了进一步理解MK-GP对CPF性能的影响，研究人员还探讨了不同c/t比例对填充材料强度的影响。实验表明，随着c/t比例的增加，填充材料的强度也随之提升。然而，当c/t比例过高时，填充材料的强度可能会下降。这可能是由于水泥用量的增加导致了过多的水化产物，从而改变了填充材料的微观结构。此外，c/t比例的调整还可能影响填充材料的孔隙率和密度，进而影响其力学性能。因此，在实际应用中，需要根据具体的工程需求和材料特性，合理选择c/t比例，以达到最佳的填充效果。

本研究还关注了固化时间对CPF性能的影响。随着固化时间的延长，填充材料的强度逐渐增加，但其增长速度会受到多种因素的制约。例如，固化温度的高低会影响水泥的水化反应速度，从而影响填充材料的强度发展。此外，MK-GP的加入可能会改变填充材料的水化反应路径，进而影响其强度随时间的变化趋势。实验结果显示，MK-GP的加入在一定程度上可以提升填充材料的早期强度，但随着固化时间的延长，其对强度的提升作用可能会减弱。因此，在实际应用中，需要根据具体的固化条件和工程需求，合理选择固化时间，以确保填充材料能够达到预期的强度水平。

本研究的另一个重点是探讨MK-GP对填充材料耐久性的影响。MK-GP的加入不仅能够提升填充材料的强度，还能够增强其对氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀以及冻融循环的抵抗能力。这些性能的提升对于填充材料在复杂地质条件下的长期稳定性具有重要意义。此外，MK-GP的使用还可以减少对普通波特兰水泥的依赖，从而降低二氧化碳排放，提高填充材料的环境可持续性。

综上所述，本研究通过实验分析，揭示了MK-GP对CPF性能的影响机制，并为实际工程应用提供了重要的参考依据。研究结果表明，MK-GP的合理掺入可以有效提升填充材料的强度和耐久性，同时降低水泥的使用量和成本。然而，需要注意的是，MK-GP的掺入量和c/t比例的选择必须基于具体的工程需求和材料特性，以确保填充材料能够达到最佳的性能。此外，固化时间和温度的控制也是影响填充材料性能的重要因素，需要在实际应用中进行优化。通过本研究的深入探讨，为今后开发新型填充材料提供了新的思路和方法，同时也为类似采矿工程中的填充材料配比设计提供了有力的理论支持。