孫道勝，胡梅梅，王愛(ài)國(guó)，劉開(kāi)偉，管艷梅

(安徽建筑大學(xué)安徽省先進(jìn)建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥　230022)

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大摻量粉煤灰高水充填材料的研制

孫道勝，胡梅梅，王愛(ài)國(guó)，劉開(kāi)偉，管艷梅

(安徽建筑大學(xué)安徽省先進(jìn)建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230022)

文章研究了不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料凝結(jié)時(shí)間、懸浮性、強(qiáng)度和水化放熱量等性能的影響，研制出大摻量粉煤灰高水充填材料，并分析了其經(jīng)濟(jì)成本。研究表明：在同一水固比條件下，高水充填材料的凝結(jié)時(shí)間隨著粉煤灰摻量的增加會(huì)延長(zhǎng)，其強(qiáng)度和反應(yīng)溫升會(huì)有所降低，而對(duì)析水率和結(jié)實(shí)率的影響不大。研制的粉煤灰摻量為60%的高水充填材料，在水固比為1∶1時(shí)，凝結(jié)時(shí)間為11 min、1 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別為2.1 MPa、2.8 MPa，其反應(yīng)溫升較對(duì)比組(不摻粉煤灰)降低了22.9%，且成本降低了54.6%。

高水充填材料； 粉煤灰； 凝結(jié)時(shí)間； 抗壓強(qiáng)度； 反應(yīng)溫升

1　引　言

高水充填材料是80年代末90年代初研究成功的新型膠結(jié)材料[1,2]，由于其具有凝結(jié)時(shí)間快、早期強(qiáng)度高和施工工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[3,4]，被廣泛應(yīng)用于礦山井下充填、地下注漿、道路和地基建設(shè)等領(lǐng)域[5-7]。但目前在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在著一些問(wèn)題，例如反應(yīng)速度快，凝結(jié)時(shí)間過(guò)短，在輸送過(guò)程中易堵管；使用的特種水泥成本高；反應(yīng)時(shí)放熱量大，反應(yīng)溫升高，對(duì)煤礦安全有隱患，故其性能還有待于進(jìn)一步改善[8]。粉煤灰是火力發(fā)電廠以煤粉作燃料而從煙囪中排出的灰塵顆粒[9,10]，由于其具有形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，被廣泛用于水泥基材料當(dāng)中[11,12]。本文利用粉煤灰特性開(kāi)發(fā)研制一種新型高水充填材料，針對(duì)不同水固比條件，探究粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料凝結(jié)時(shí)間、析水率和結(jié)實(shí)率、強(qiáng)度和反應(yīng)溫升等性能的影響，優(yōu)化高水充填材料的配比，并分析其經(jīng)濟(jì)成本。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1原材料

表1　原材料的化學(xué)組成

圖1　原材料的XRD圖譜(a)硫鋁酸鹽水泥;(b)石膏;(c)消石灰;(d)粉煤灰Fig.1　XRD patterns of raw materials

圖2　高水充填材料的制備工藝流程圖Fig.2　Preparation process flow diagram of High water filling material

(1)硫鋁酸鹽水泥(CAS)，產(chǎn)地為河南某特種水泥廠；(2)石膏，由山東濟(jì)南迅達(dá)利化工有限公司提供；(3)消石灰，來(lái)自湖南益佳消石灰廠生產(chǎn)的一級(jí)消石灰粉；(4)粉煤灰(FA)，由淮南某電廠提供的二級(jí)灰；(5)其他材料(促凝劑、緩凝劑和懸浮分散劑等)均為市購(gòu)工業(yè)品。表1和圖1分別給出了主要原材料的化學(xué)組成和XRD圖譜。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

(1)高水充填材料的制備

按照以下高水充填材料的制備工藝流程圖(見(jiàn)圖2)及配合比表(見(jiàn)表2)來(lái)制備高水充填材料。

表2　高水充填材料的配合比

(2)初凝時(shí)間

將制得的高水充填材料漿體倒入250 mL燒杯中，輕輕震動(dòng)數(shù)下，使?jié){體表面平整，每隔3 min將燒杯傾斜一次，傾斜角度為45°，接近初凝時(shí)為每隔1 min傾斜一次，直至漿體完全失去流動(dòng)時(shí)為初凝。

(3)析水率、結(jié)實(shí)率

將混合均勻后的漿體到入250 mL量筒中，記下初始刻度，然后再記錄2 min、5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min和40 min下量筒中漿液的刻度，并按式(1)計(jì)算析水率。待量筒內(nèi)的漿液在室溫下靜置24 h，記下量筒內(nèi)結(jié)石體體積H24，并按式(2)計(jì)算結(jié)實(shí)率。

(1)

(2)

式(1)中：W-析水率(%)；H-量筒內(nèi)漿液初始刻度，通常取量筒的量程為250 mL；ht-各時(shí)刻時(shí)記錄的漿液液面刻度。式(2)中：d-結(jié)實(shí)率(%);H24-漿液靜置24 h后液面高度。

(4)抗壓強(qiáng)度

將甲、乙料按1∶1稱量，在不同水固比條件下分別攪拌3 min制得甲料單漿和乙料單漿，再混合攪拌1.5 min，然后注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模中成型，置濕度為90%，溫度為(20±2) ℃的養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)1 h后脫模，然后用塑料袋將試塊密封放入養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)其1 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。

(5)反應(yīng)溫升

利用南京葛南實(shí)業(yè)有限公司的分布式模塊自動(dòng)測(cè)量單位儀器測(cè)定高水充填材料內(nèi)部的溫度變化。按照表2給出的實(shí)驗(yàn)配比將攪拌均勻的漿體注入直徑φ=75 mm的PVC圓柱形容器內(nèi)，并將溫度傳感器置入漿體中部，連接儀器開(kāi)始測(cè)量，電腦實(shí)時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

3　結(jié)果與討論

3.1粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料初凝時(shí)間的影響

圖3　不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料初凝時(shí)間的影響Fig.3　Effect of the dosage of fly ash on the setting time of high water filling material in the system of different water-solid ratio

圖3顯示了粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料初凝時(shí)間的影響。由圖可知，在水固比分別為1∶1、1.5∶1和2∶1條件下，高水充填材料初凝時(shí)間均隨著粉煤灰摻量的增加而延長(zhǎng)，摻有60%粉煤灰相對(duì)于未摻粉煤灰的高水充填材料，其初凝時(shí)間分別延長(zhǎng)了70%、90%和60%。在粉煤灰摻量相同的情況下，高水充填材料的初凝時(shí)間均隨著水固比的增大而延長(zhǎng)，水固比為2∶1較水固比為1∶1的高水充填材料，其初凝時(shí)間分別延長(zhǎng)了1.3倍、2倍和1倍?？赡苁怯捎诜勖夯覔搅康脑龃?，高水充填材料中水泥、石膏、石灰等摻量就會(huì)相對(duì)減小，早期參與水化反應(yīng)的顆粒減少，進(jìn)而影響其凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)水固比增大，其顆粒之間的接觸幾率就會(huì)減小，進(jìn)而影響其凝結(jié)時(shí)間?？梢?jiàn)，可以通過(guò)改變不同水固比下粉煤灰的摻量來(lái)調(diào)控高水充填材料的初凝時(shí)間。

3.2粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料析水率和結(jié)實(shí)率的影響

圖4分別顯示了不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料析水率的影響。由圖可知，在水固比分別為1∶1、1.5∶1和2∶1條件下，高水充填材料的析水率雖然均隨著粉煤灰摻量的增加而增大，摻有60%粉煤灰相對(duì)于未摻粉煤灰的高水充填材料，其析水率的增大幅度并不是很大，僅分別增大了8.8%、0.8%和0.4%。在粉煤灰摻量分別為0%、20%、40%和60%的情況下，高水充填材料的析水率均隨著水固比的增大而增大，水固比為2∶1較水固比為1∶1的高水充填材料，其析水率分別增大了9.2%、3.0%、4.6%和0.6%。

圖4　不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料析水率的影響(a)水固比2∶1;(b)水固比1.5∶1;(c)水固比1∶1Fig.4　Effect of the dosage of fly ash on the bleeding rate of high water filling material in the system of different water-solid ratio

圖5　不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料結(jié)實(shí)率的影響Fig.5　Effect of the dosage of fly ash on the seed setting rate of high water filling material under the system of different water-solid ratio

圖5顯示了粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料結(jié)實(shí)率的影響。由圖可知，在水固比分別為1∶1、1.5∶1和2∶1條件下，高水充填材料的結(jié)實(shí)率雖然均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，摻有60%粉煤灰相對(duì)于未摻粉煤灰的高水充填材料，其結(jié)實(shí)率的變化幅度并不是很大，僅分別減小了8.8%、0.8%和0.4%。在粉煤灰摻量分別為0%、20%、40%和60%的情況下，高水充填材料的結(jié)實(shí)率均隨著水固比的增大而減小，水固比為2∶1較水固比為1∶1高水充填材料，其結(jié)實(shí)率分別減小了9.2%、3.0%、4.6%和0.6%。可見(jiàn)，改變粉煤灰摻量對(duì)不同水固比條件下高水充填材料析水率和結(jié)實(shí)率的影響并不是很大。

3.3粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖6顯示了不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料抗壓強(qiáng)度的影響。由圖可知，在相同水固比的條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，材料強(qiáng)度有明顯的降低。而在相同粉煤灰摻量的條件下，高水充填材料的強(qiáng)度隨著水固比的減小而增大。在粉煤灰摻量為40%，水固比為1.5∶1和粉煤灰摻量為60%，水固比為1∶1的兩組，與粉煤灰摻量為0%，水固比為2∶1的空白組相比，其強(qiáng)度相當(dāng)?？梢?jiàn)，可以通過(guò)調(diào)整不同水固比條件下粉煤灰摻量來(lái)設(shè)計(jì)高水充填材料的抗壓強(qiáng)度。

圖6　不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料強(qiáng)度的影響(a)水固比 2∶1;(b)水固比 1.5∶1;(c)水固比 1∶1Fig.6　Effect of the dosage of fly ash on the compressive strength of high water filling material in the system of different water-cement ratio

3.4粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料反應(yīng)溫升的影響

表3是選擇了以上實(shí)驗(yàn)中凝結(jié)時(shí)間、析水率和結(jié)實(shí)率以及強(qiáng)度均相當(dāng)?shù)牡乃慕M(第1，2，7，12組)進(jìn)行反應(yīng)溫升測(cè)試的配合比及其性能的參考。

表3　高水充填材料反應(yīng)溫升實(shí)驗(yàn)的配合比及性能參考

圖7顯示了在凝結(jié)時(shí)間、析水率和結(jié)實(shí)率及強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下粉煤灰的摻量對(duì)其反應(yīng)溫升的影響。由圖可知，高水充填材料的最大放熱量基本上都是在成型后1.5～2 h之間。在水固比為2∶1時(shí)，摻20%粉煤灰相對(duì)于未摻粉煤灰的高水充填材料，溫度有明顯降低，降低了15.3%；粉煤灰摻量為60%，水固比為1∶1與空白組(即粉煤灰摻量為0%，水固比為2∶1)相比，溫度降低了22.9%?？梢?jiàn)，通過(guò)調(diào)整不同水固比條件下粉煤灰摻量來(lái)調(diào)控高水充填材料反應(yīng)溫升。降低高水充填材料的反應(yīng)溫升，將有助于消除煤礦安全的隱患，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

3.5經(jīng)濟(jì)成本分析

比較以上實(shí)驗(yàn)組的各項(xiàng)性能差異，選擇了表3中材料的配合比，在填充體積為1 m3所需的材料的質(zhì)量作為最后的經(jīng)濟(jì)分析。圖8顯示了粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料經(jīng)濟(jì)成本的影響。分析總結(jié)得出，這幾組在凝結(jié)時(shí)間、析水率和結(jié)實(shí)率、強(qiáng)度、反應(yīng)溫升這幾項(xiàng)性能均相當(dāng)?shù)那闆r下，第2、7、12組的成本分別比空白組降低了23.6%，42.4%，54.6%?？梢?jiàn)，通過(guò)改變粉煤灰摻量可以有效降低高水充填材料的經(jīng)濟(jì)成本。

圖7　不同水固比條件下粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料反應(yīng)溫升的影響Fig.7　Effect of the dosage of fly ash on the internal temperature of high water filling material in the system of different water-solid ratio

圖8　各組分單價(jià)(a)及填充1 m3 所需材料的總價(jià)(b)Fig.8　Unit price of raw materials and total price of materials needed to fill 1 m3

4　結(jié)　論

(1)研制出了一種大摻量粉煤灰高水充填材料。當(dāng)粉煤灰摻量為60%，在水固比為1∶1時(shí)，其凝結(jié)時(shí)間為11 min、1 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別為2.1 MPa、2.8 MPa，其反應(yīng)溫升較對(duì)比組(不摻粉煤灰)降低了22.9%(對(duì)煤炭安全生產(chǎn)有利)，且成本降低了54.6%;

(2)在水固比相同的條件下，高水充填材料初凝時(shí)間隨粉煤灰摻量的增加而延長(zhǎng)，在粉煤灰摻量相同的條件下，其初凝時(shí)間隨水固比的增大而增加;

(3)不同水固比條件下，粉煤灰摻量對(duì)高水充填材料的析水率和結(jié)實(shí)率影響不大。

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Research and Preparation of High Water Filling Material with High Dosage of Fly Ash

SUNDao-sheng,HUMei-mei,WANGAi-guo,LIUKai-wei,GUANYan-mei

(Anhui Key Laboratory of Advanced Building Materials,Anhui Jianzhu University,Hefei 230022,China)

The paper studies the influence of the dosage of fly ash on the setting time, suspension, strength and internal reaction temperature of high water filling material is studied in different water-solid ratio system, optimize the ratio of high water filling material and analyze the economic cost. The results show that in the same water-solid ratio system, the setting time of high water filling material can be prolonged with the increase of the dosage of fly ash, the strength and internal reaction temperature will have a certain reduction, but the water content and seed setting rate are little influenced. At the water-solid ratio of 1∶1, Fly ash dosage is 60%, its various performance is as much as the blank group, Its setting time is 11 mins, the compressive strength of 1 d and 7 d are 2.1 MPa and 2.8 MPa respectively, But the reaction temperature is 22.9% lower than the blank group, and the cost is reduced by 54.6%.

high water filling material;fly ash;setting time;compressive strength;reaction temperature

淮南礦業(yè)集團(tuán)科研項(xiàng)目計(jì)劃;安徽省高等教育人才項(xiàng)目和安徽省高校優(yōu)秀青年骨干人才國(guó)外訪學(xué)研修項(xiàng)目(gxfxZD2016134)

孫道勝(1963-),男，博士，教授.主要從事水泥基材料方面的研究.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1074-06