基于响应面方法论的矸石和煤气化渣基回填材料设计的优化

《International Journal of Minerals Metallurgy and Materials》：Optimization in the design of gangue and coal gasification slag-based backfill materials based on the response surface methodology

　　

摘要

在采空区的回填和灌浆是有效处理固体废物的方法，这些固体废物包括煤矸石（CG）和煤气化渣（CGS）。当回填仅用于固体废物处置时，对回填材料的要求较低。鉴于此，研究人员制备了一种基于煤矸石和煤气化渣的回填材料（GCBM），并添加了少量碱激活渣（AAS）来调节其机械性能。考虑了三个影响因素（固体含量、CGS含量和AAS含量），进行了单因素实验以及基于响应面方法（RSM）的优化实验，优化目标为材料流动性及强度。最终分析了GCBM的硬化机制和微观结构。测试结果显示，GCBM的流动性与固体含量、CGS含量和AAS含量呈负相关；强度在一定范围内与固体含量和AAS含量呈正相关，且随着CGS含量的增加而先增加后减少。通过RSM得到的最佳配比为：固体含量75.35wt%，CGS含量24.13wt%，AAS含量4.94wt%。对GCBM的化学成分和微观结构的分析表明，其主要凝胶相为钙铝硅酸盐水合物（C–A–S–H）、钠铝硅酸盐水合物（N–A–S–H）和钾铝硅酸盐水合物（K–A–S–H）。当碱激活体系中的Si、Al、Ca、Na、K元素在固体颗粒表面发生异质核化时，这些凝胶开始吸附并包裹固体颗粒。断裂面上存在的多个球形凹陷表明，CGS中的玻璃微球在某种程度上降低了GCBM的强度。还分析了GCBM的比表面积和孔结构，并对其环境安全性进行了初步验证。这些结果为大规模、高效处理固体废物（尤其是煤矸石和煤气化渣）提供了理论指导。