李秋英董辰光吳昊澤陳經(jīng)棚

1山東省水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗站（250000） 2山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心（250061）

0 引言

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物，根據(jù)其游離氧化鈣的含量分為F類(低鈣灰)、C類（高鈣灰）和復(fù)合灰。粉煤灰外觀類似水泥，顏色在乳白色到灰黑色之間變化，顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高的吸附活性。粉煤灰可以與水泥協(xié)同制備注漿材料[1-4]，郭兵[5]等研究了煤層底板灰?guī)r承壓含水層注漿加固改造，王志峰[6]等研究了興楊煤礦煤層底板含水層注漿改造工程并對注漿效果進(jìn)行了分析，方剛[7]等研究了巴拉素井田煤層富水機(jī)理與注漿堵水技術(shù)，但大摻量粉煤灰水泥注漿材料體系尚未得到有效評估，亟需明確其性能，以便在煤礦含水層注漿改造工程中得到推廣。

本試驗研究了大摻量粉煤灰對水泥復(fù)合注漿材料流動度、析水率、凝結(jié)時間及力學(xué)強(qiáng)度的影響[8-9]，并通過SEM從微觀角度分析了粉煤灰的摻量和種類對注漿材料的影響機(jī)理。

1 試驗

1.1 原材料

三種粉煤灰（1#、2#、3#）來自山東省邱集有限公司，其粒度曲線如圖 1 所示，可知 r2＜r1＜r3；325#水泥樣品產(chǎn)自山東魯泰建材科技集團(tuán)有限公司，425#復(fù)合硅酸鹽水泥樣品產(chǎn)自濟(jì)南山水水泥有限公司。

圖1 三種粉煤灰的粒度曲線

1.2 三種粉煤灰（1#、2#、3#）SEM 微觀形貌測試分析

圖2 2#粉煤灰樣品SEM微觀測試分析

圖3 1#粉煤灰樣品SEM微觀測試分析

圖4 3#粉煤灰樣品SEM微觀測試分析

從圖2～4可以看出:2#、3#粉煤灰均含有較少量的球形玻璃體，1#粉煤灰含有一定量的球形玻璃體；粉煤灰的顆粒為多棱角狀，并非球狀；三種粉煤灰的顆粒從大到小依次為 3#、1#、2#。

1.3 樣品制備

水泥-粉煤灰(C-FA)復(fù)合注漿材料制備過程為:先將不同質(zhì)量的粉煤灰與水泥混合均勻，按水灰比1.0（注漿常用水灰比）進(jìn)行加水，攪拌均勻，使?jié){液中水泥顆粒充分分散，參照水泥凈漿成型步驟，將攪拌均勻的漿液倒入20 mm×20 mm×20 mm的成型模具中，試塊24 h脫模，脫模后放置于水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20±1℃，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d、7 d。

表1 水泥基注漿材料成型配比

試驗設(shè)計了3種粉煤灰不同摻量對三種水泥的影響。

本次注漿材料成型配比見表1。

2 試驗結(jié)果討論

2.1 漿液流動度

流動度體現(xiàn)了注漿材料的擴(kuò)散性能，是漿液和易性的重要衡量參數(shù)?，F(xiàn)場施工要求漿液具有良好的流動度與和易性，不易離析分層。以425#水泥為研究對象，不同摻量和種類的粉煤灰漿液流動度測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰摻量下注漿材料的流動度

圖5 中，3#粉煤灰加入量增大時，漿液流動度逐漸增大，粉煤灰加入量達(dá)到70%時漿液流動度呈現(xiàn)大幅增長現(xiàn)象；1#、2#粉煤灰加入量增大時，漿液流動度逐漸降低，粉煤灰加入量達(dá)到70%時漿液流動度呈現(xiàn)大幅降低現(xiàn)象，說明1#、2#粉煤灰摻量大時漿液的流動性能相對不好。因為粉煤灰粒徑越大，則其比表面積越小、表面摩擦力越大，所以漿液流動度越??；而3#粉煤灰的顆粒較大、吸水性較低，漿體內(nèi)的自由水多，所以漿液流動度高。

2.2 漿液析水率

不同粉煤灰摻量下漿液析水率測試結(jié)果（水灰比 1∶1）如圖 6 所示。

圖6 不同粉煤灰摻量下漿液析水率

1#、2#粉煤灰對漿液的析水率影響不大。隨著粉煤灰摻量的增加，析水率稍有增加，這有利于漿液結(jié)實率的穩(wěn)定，利于灰?guī)r充填封堵加固。這可能是因為兩種粉煤灰的顆粒較細(xì)，具有一定的吸水性，摻入粉煤灰體系中的自由水含量變化不大，漿液相對穩(wěn)定。但需注意，2#粉煤灰對流動性不利，易產(chǎn)生堵管現(xiàn)象。

3#粉煤灰加入后漿液析水率較大。漿液結(jié)石率雖較低，但漿液前期流動性能較好。這是因為3#粉煤灰的顆粒較大，雖能提高流動度，但吸水性差，不利于漿液的穩(wěn)定。因此，粉煤灰的粒徑越大、比表面積越小，漿液的保水性越低、析水率越大。在現(xiàn)場應(yīng)用時，可根據(jù)漿液的泵送距離選擇不同細(xì)度的粉煤灰來調(diào)整漿液的工作性能。

2.3 漿液凝結(jié)時間

注漿材料初、終凝時間決定了注漿材料的可操作性與可泵性，在很大程度上影響了注漿工藝的選擇，同時也在一定程度上決定了注漿擴(kuò)散范圍。由于漿液的凝結(jié)時間較長，本試驗選取大摻量粉煤灰與425水泥的復(fù)合漿液來測試漿液的可操作時間。

表2 注漿材料初凝及終凝時間

見表2，選取3種粉煤灰，在40%、70%摻量下進(jìn)行初凝、終凝的測試，水灰比為1∶1。終凝時間隨著粉煤灰摻量的變化而變化，加入70%粉煤灰的漿液的凝結(jié)時間最長，說明粉煤灰不利于漿液凝結(jié)，1#、3#粉煤灰加入后終凝時間較長。這是因為2#粉煤灰粒徑最小，其反應(yīng)接觸點最多，與其余粒徑較大的兩種粉煤灰相比，相同時間內(nèi)反應(yīng)更充分，凝結(jié)時間更短。粉煤灰的粒度和摻量對于漿液的凝結(jié)時間影響較大，在實際的操作中，可根據(jù)現(xiàn)場實際狀況調(diào)整粉煤灰的細(xì)度和摻量，以控制凝結(jié)時間。

2.4 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度

不同粉煤灰對325水泥和425水泥漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度影響如圖7～9所示。

圖7 大摻量1#粉煤灰結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度

圖7 中，水灰比均為1∶1，養(yǎng)護(hù)條件為水養(yǎng)，隨著1#粉煤灰含量增大，強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，325水泥強(qiáng)度相差不大，且兩種325水泥-粉煤灰7 d強(qiáng)度明顯低于425水泥-粉煤灰強(qiáng)度；1#粉煤灰若與325水泥混合，建議其摻量不超過60%；1#粉煤灰若與425水泥混合，建議其摻量不超過70%；1#粉煤灰摻量大時，從強(qiáng)度角度出發(fā)，建議采用425水泥混合，為使7 d強(qiáng)度大于1 MPa、確保經(jīng)濟(jì)效益，建議425水泥-粉煤灰中1#粉煤灰的摻量不超過60%或65%。

圖8 大摻量2#粉煤灰結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度

圖8 中，水灰比均為1∶1，養(yǎng)護(hù)條件為水養(yǎng)，隨著2#粉煤灰含量增大，強(qiáng)度總體呈現(xiàn)降低趨勢，325水泥的強(qiáng)度明顯低于425水泥，同時2#粉煤灰的強(qiáng)度明顯高于1#粉煤灰，這是因為2#粉煤灰的顆粒較細(xì)，顆?？梢蕴畛涞郊?xì)石體內(nèi)部，使得結(jié)石體更加密實，提高了結(jié)石體強(qiáng)度。2#粉煤灰若與325水泥混合，建議其摻量不超過60%；2#粉煤灰若與425水泥混合，建議其摻量不超過70%；2#粉煤灰摻量大時，從強(qiáng)度角度出發(fā)，建議采用425水泥混合，為使7 d強(qiáng)度大于1 MPa、確保經(jīng)濟(jì)效益，建議425水泥-粉煤灰中2#粉煤灰摻量不超過70%。

圖9 大摻量3#粉煤灰結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度

圖9 中，水灰比均為1∶1，養(yǎng)護(hù)條件為水養(yǎng)，隨著3#粉煤灰含量增大，強(qiáng)度總體呈現(xiàn)降低趨勢，3#粉煤灰的結(jié)石體強(qiáng)度在三種粉煤灰中最低，這是因為3#粉煤灰的粒度最大，不利于結(jié)石體致密微觀結(jié)構(gòu)的形成，同時隨著粉煤灰摻量的增多，漿液強(qiáng)度降低明顯，但聯(lián)眾水泥在相同粉煤灰摻量下的強(qiáng)度相差較小。3#粉煤灰若與325水泥混合，建議其摻量不超過60%；3#粉煤灰若與425水泥混合，建議其摻量不超過70%；3#粉煤灰摻量大時，從強(qiáng)度角度出發(fā)，建議采用425水泥混合，為使7 d強(qiáng)度大于1 MPa、確保經(jīng)濟(jì)效益，建議425水泥-粉煤灰中3#粉煤灰摻量不超過70%。

綜上可知，隨著粉煤灰的增加，粉煤灰-水泥結(jié)石體的強(qiáng)度減小，這是因為粉煤灰的反應(yīng)活性比水泥低，隨著體系中水泥比重的減小，結(jié)石體的強(qiáng)度隨之降低；不同粉煤灰摻量下結(jié)石體7 d強(qiáng)度:2#粉煤灰＞1#號粉煤灰＞1#號粉煤灰。這是因為2#粉煤灰粒徑最小，一方面小顆粒充填在結(jié)石體的縫隙中可以提高強(qiáng)度，另一方面，粉煤灰粒度越小，反應(yīng)越充分，相同時間內(nèi)水化產(chǎn)物越多，顆粒間的膠結(jié)作用越強(qiáng)，因此結(jié)石體強(qiáng)度越高。

2.5 結(jié)石體SEM分析

試驗測試了 9#（40%粉煤灰 1）、12#（70%粉煤灰1）、21#（40%粉煤灰 2）、24#（70%粉煤灰 2）、33#（40%粉煤灰3）、36#（70%粉煤灰3）漿液結(jié)石體水化 7 d的微觀結(jié)構(gòu)，水灰比均為1∶1，水中養(yǎng)護(hù)，測試結(jié)果如圖10～15所示。

圖10 水化7 d 5#（60%425水泥+40%粉煤灰1）結(jié)石體SEM

圖11 水化7 d 8#（30%425水泥+70%粉煤灰1）結(jié)石體SEM

圖12 水化7 d 13#（60%425水泥+40%粉煤灰2）結(jié)石體SEM

圖13 水化7 d 16#（30%425水泥+70%粉煤灰2）結(jié)石體SEM

圖14 水化7 d 21#（60%425水泥+40%粉煤灰3）結(jié)石體SEM

圖15 水化7 d 24#（30%425水泥+70%粉煤灰3）結(jié)石體SEM

隨著粉煤灰摻量增多，漿液結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)致密度顯著降低，這也驗證了7 d抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量增大而降低的測試結(jié)果。由于所測樣品為水化7 d結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)，SEM結(jié)果表明，7 d時粉煤灰相應(yīng)礦物未進(jìn)行有效水化，粉煤灰大摻量時尤其明顯。同時2#粉煤灰樣品的微觀結(jié)構(gòu)最為致密，細(xì)顆粒的粉煤灰可以填充到水泥石的孔隙中，細(xì)化水泥石中的孔結(jié)構(gòu)，使得結(jié)石體更加致密，這有利于強(qiáng)度的提升，但不利于漿液工作性能的調(diào)整。

3 結(jié)論

1）3#粉煤灰加入量增大時，漿液流動度逐漸增大；粉煤灰加入量達(dá)到70%時，漿液流動度呈現(xiàn)大幅增長現(xiàn)象。1#、2#粉煤灰加入量增大時，漿液流動度逐漸降低；粉煤灰加入量達(dá)到70%時，漿液流動度呈現(xiàn)大幅降低現(xiàn)象，說明1#、2#粉煤灰大摻量時漿液的流動性能相對不好。

2）1#、2#粉煤灰的加入可以降低漿液析水率、增加漿液結(jié)石率，利于灰?guī)r充填封堵加固，但需注意，1#、2#粉煤灰對流動性不利，易產(chǎn)生堵管現(xiàn)象；3#粉煤灰加入后漿液析水率較大，漿液結(jié)石率雖較低，但漿液流動性能相對較好。

3）隨著 1#、2#、3#粉煤灰含量增大，漿液強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，且325水泥-粉煤灰7 d強(qiáng)度明顯低于425水泥-粉煤灰強(qiáng)度。以425水泥為例，2#粉煤灰40%～70%大摻量加入后7 d強(qiáng)度最高。

4）基于SEM-EDS分析，隨著粉煤灰摻量增多，漿液結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)致密度顯著降低，這也驗證了7 d抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量增大而降低的測試結(jié)果；7 d時粉煤灰相應(yīng)礦物未進(jìn)行有效水化，粉煤灰大摻量時尤其明顯。