苗賀朝，王 海，王曉東，王 皓，許剛剛

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

0 引 言

“富煤、貧油、少氣”的能源結構決定了在未來30～50 a，煤炭仍然是我國最主要的能源[1-2]。煤炭作為發(fā)電、供暖的主要原料，在燃燒時會帶來大宗固體廢棄物，如粉煤灰等。有關資料估計，到2020年底我國粉煤灰的總堆積量為30億t左右[3]。固廢的不妥善處理，隨意堆放等不僅會占用大量土地，還會對大氣、水源、土壤等造成污染。粉煤灰本身具有一定潛在的化學活性，若能將其進行合理利用，不但能有效地解決環(huán)境污染問題，還可以創(chuàng)造更多的經濟價值[4]。

目前，我國粉煤灰利用的最主要方式是將其用于建筑工程材料，如筑路、制磚、做水泥和混凝土的摻合料。隨著對粉煤灰性能認識的不斷深入，其綜合利用正逐步延伸到農業(yè)發(fā)展(改良土壤、生產肥料等)、環(huán)境保護(廢液、廢氣治理)、深度分離、陶瓷生產、化工等領域[5]。相對來講，國外對粉煤灰的綜合利用研究起步較早，除了在建筑材料、環(huán)境保護、化工生產等領域應用以外，部分學者還嘗試一些新途徑和新工藝拓展粉煤灰利用渠道，如：Groszowice水泥廠用堿溶法從粉煤灰中提取氧化鋁，Kim Chul-Hwan和Sumio Horiuchi等學者將粉煤灰作為一種提高紙張抗拉強度和內部黏結強度的造紙原料等[6-7]。近年來，隨著建材市場逐漸飽和、農用土壤標準提高，國內外粉煤灰綜合利用率均受到一定程度影響，且常年累月的積累使得粉煤灰余量較高。目前地下工程水害防治每年消耗大量水泥漿液，如果在水泥漿液中摻入適量粉煤灰，不僅能夠有效緩解粉煤灰存放帶來的環(huán)保壓力，提高粉煤灰綜合利用附加值，還可以改善水泥漿液的工程性能，同時可大幅減少水泥用量，節(jié)約工程成本。而針對粉煤灰基防滲注漿材料性能的系統(tǒng)研究較少，因此有必要開展該方面的工作。

筆者主要針對礦山、隧道和城市地下空間等工程在防治涌水、塌方等地質災害[8-10]時，著眼于工程安全可靠，力圖尋求經濟高效的注漿防滲材料的需求而開展的試驗研究工作。采用正交試驗方法[11-12]測試粉煤灰基防滲注漿材料在不同因素水平下幾項關鍵指標的基本特性，進而為注漿工程提供更優(yōu)的配合比及方案。

1 粉煤灰基防滲材料性能試驗方案

1.1 試驗材料

粉煤灰基防滲材料性能試驗材料包括水泥、粉煤灰、外加劑和水，各材料基本情況如下：

1)水泥：采用P.O 42.5水泥，各項性能指標詳見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥性能指標

2)粉煤灰：F類Ⅱ級粉煤灰，細度為9%；需水量比為91%；燒失量為1.6%，游離氧化鈣質量分數為0.2%。

3)外加劑：外加劑選用某激發(fā)劑D。

4)水：拌制漿液用水為自來水，PH值7.2。

1.2 試驗儀器

為開展粉煤灰基防滲注漿材料配比優(yōu)選及其性能試驗，選用的試驗儀器及設備主要有：電子秤、水泥凈漿攪拌機、泥漿比重計、水泥稠度試模(截錐圓模)、亞克力板、鋼尺、玻璃片、恒溫恒濕養(yǎng)護箱、維卡儀、量筒等。

1.3 試驗內容及方法

1)流動度試驗: 采用截錐圓模、亞克力板及鋼尺測試。

2)密度試驗：采用泥漿比重計測試。

3)結石率試驗：取體積V0的均勻混合漿液，置于密閉容器內，并將其放于恒溫恒濕箱中，待初凝后，用排液法[13-14]測出結石體的體積V1,然后根據η=V1/V0×100%計算結石率η，其中，V0為混合漿液體積。

4)析水率試驗：用帶有刻度的量筒取攪拌均勻的混合漿液V0，蓋上玻璃板，并將其放置于恒溫恒濕箱中養(yǎng)護。每隔 5 min讀取上部澄清水與下部沉淀膠體之間刻度V，直至讀數達到穩(wěn)定為止，穩(wěn)定標準為連續(xù)3個讀數完全相同，最后根據δ=(V0-V)/V0×100%計算析水率δ。

5)凝結時間試驗：參考水泥漿液凝結時間測試方法，即采用維卡儀測試其初、終凝時間[15-16]。按照設計配比制好漿液，倒入截錐圓形試模，在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護。從膠凝材料全部加水至維卡儀初凝試針沉至距玻璃底板3～5 mm時所需時間為初凝時間。初凝后，立即將試模連同結石體以平移的方式從玻璃板取下，翻轉180°，直徑大端向上小端向下放在玻璃板上，放入恒溫恒濕箱中繼續(xù)養(yǎng)護，當維卡儀終凝試針沉入試體0.5 mm時，即環(huán)形附件開始不能在試體上留下痕跡時，漿液達到終凝狀態(tài)。從膠凝材料全部加水至終凝狀態(tài)的時間為漿液的終凝時間。

1.4 方案設計

為了既能充分反應各因素、水平對膠凝材料特性的影響，同時盡量減少試驗工作量，采取正交試驗設計方法。影響因素設計有水固比A、固相比B、激發(fā)劑D、溫度G，每個因素有4種取值水平，見表2。根據正交試驗設計方法，選用L16(45) 型試驗表。

表2 注漿材料正交試驗因素水平

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

粉煤灰基防滲注漿材料正交試驗結果見表3，其包含了6項指標分別在不同因素及不同水平下的測試結果。

表3 注漿材料正交試驗結果

2.2 結果分析

根據粉煤灰基防滲注漿材料正交試驗數據，對流動度、密度、結石率、析水率、初凝時間和終凝時間進行直觀分析(極差分析)與方差分析[17]。

1)極差分析：分別計算6項指標在各因素水平下均值的極差，根據極差大小確定影響因素的主次順序，極差越大表明該因素對試驗結果影響越大。為了更直觀起見，用各因素的水平作橫坐標，指標均值作縱坐標，做出均值主效應圖(圖1—圖6)。Rj的計算式如下：

(1)

2)方差分析：將總變差平方和分解為各因素的變差平方和與誤差平方和，然后構造F統(tǒng)計量，將各因素F與其臨界值Fα進行大小比較，檢驗各因素是否對試驗指標具有顯著性影響，顯著性水平α取0.01，0.05，0.10這3種。總變差平方和ST、總自由度fT和各因素統(tǒng)計量Fm計算公式分別如下所示：

ST=SA+SB+SD+SG+Se

(2)

fT=fA+fB+fD+fG+fe

(3)

(4)

式中：ST為總變差平方和，SA、SB、SD、SG分別為因素A、B、D、G的變差平方和，Se為誤差的變差平方和；fT為試驗的總自由度，fA、fB、fD、fG分別為因素A、B、D、G的自由度，fe為誤差的自由度；Fm為各因素的F值，m可取A、B、D、G；

其中，Fm>F0.01(f1,f2)表示該因子水平的改變對試驗結果有高度顯著的影響；F0.01(f1,f2)>Fm>F0.05(f1,f2)表示該因子水平的改變對試驗結果有顯著的影響；F0.05(f1,f2)>Fm>F0.10(f1,f2)表示該因子水平的改變對試驗結果有一定的影響；Fm

表4 注漿材料試驗6項指標方差分析

續(xù)表

2.2.1 流動度

流動度隨水固比、固相比、激發(fā)劑摻量和溫度4個因素的變化如圖1所示，由圖1可知，漿液流動度具有如下規(guī)律：

1)流動度隨著水固比的增大而增大。這是由于水的摻入使得膠凝材料細微顆粒更為分散，漿液稠度降低、擴散更遠。

2)隨著粉煤灰摻入比例增大、水泥摻入比例減小，漿液的流動度呈減小趨勢。這是因為試驗所用粉煤灰為二級灰，相較于粉煤灰而言，水泥的磨圓度更好，粒度更細且均勻，因此粉煤灰摻量的增加減弱了漿液的流動性。

3)激發(fā)劑摻量增減、溫度變化對漿液的流動度的影響很微弱。

由極差與方差綜合分析結果可知，以流動度為指標，在該試驗條件下時，水固比因素的極差最大，表明水固比對漿液流動度的影響最大。各因素影響程度大小依次為：A(水固比)、B(固相比)、G(溫度)、D(激發(fā)劑)，且A、B兩項因素對漿液流動度均具有高度顯著的影響。從注漿操作方便性來講，以流動度為指標時的最佳組合為A4B1DjGj，即：水固比取第4種水平，為1∶1；固相比取第1種水平，為40∶60；激發(fā)劑摻量在其水平j范圍(0～3%)內取值均可；溫度在其水平j范圍(5～20 ℃)內取值均可。

圖1 各因素對流動度均值的影響Fig.1 Influence of various factors on the mean value of fluidity

2.2.2 密 度

密度隨水固比、固相比、激發(fā)劑摻量和溫度4個因素的變化如圖2所示，由圖2可知，漿液密度具有如下規(guī)律：

1)隨著水固比的增大，漿液密度在逐漸減小。即水固比增大時漿液被逐步稀釋，密度就減小。

2)隨著粉煤灰摻入比例增大、水泥摻入比例減小，漿液的密度略微減小。這是由于水泥的密度大于粉煤灰的密度，故不同固相比的漿液在體積相同時，粉煤灰摻入比例越大，漿液密度越小。

圖2 各因素對密度均值的影響Fig.2 Influence of various factors on the mean value of density

3)激發(fā)劑摻量改變、溫度變化對漿液的密度影響比較微弱。

以密度為指標，在該試驗條件下時，水固比因素的極差最大，表明水固比對漿液密度的影響最大。各因素影響程度大小依次為：A(水固比)、B(固相比)、G(溫度)、D(激發(fā)劑)，其中，A因素對漿液密度具有高度顯著影響，B因素對漿液密度具有顯著影響。從結石體強度及耐久性來講，以密度為指標時的最佳組合為A1B1DjGj，即：水固比取第1種水平，為0.7∶1；固相比也取第1種水平，為40∶60；激發(fā)劑摻量在其水平j范圍(0～3%)內取值均可；溫度在其水平j范圍(5～20 ℃)內取值均可。

2.2.3 結石率

結石率是指漿液凝固后結石體的體積占原漿液體積的百分比[18]。結石率隨水固比、固相比、激發(fā)劑摻量和溫度4個因素的變化如圖3所示，由圖3可知，結石率具有如下規(guī)律：

1)隨著水固比增大，漿液結石率在逐漸減小。水固比增大時，單位體積的漿液里固相材料摻入量就會減小，因此凝固后結石體就減小。

2)粉煤灰(水泥)摻入比例改變對漿液的結石率影響很小。說明適量摻入粉煤灰部分取代水泥，對注漿充填率影響不大。

3)激發(fā)劑摻量增加時，漿液結石率略微減小，說明該激發(fā)劑促進了材料的水化反應程度，對結石體起到了致密作用。

4)隨著溫度增加，漿液結實率有小幅增長。這是由于在5～20 ℃范圍內時，溫度越高，漿液早期水化速率越快，硬化結石體中越容易產生孔隙。以結實率為指標，在該試驗條件下時，水固比因素的極差最大，表明4個因素中水固比對漿液結石率的影響最大。各因素影響程度大小依次為：A(水固比)、G(溫度)、B(固相比)、D(激發(fā)劑)，其中，A因素對漿液結石率具有顯著影響，G因素對漿液結石率具有一定影響，B、D因素對漿液結石率無顯著影響，從有效充填或加固效果來講，以結石率為指標時的最佳組合為A1BjDjG4，即：水固比取第1種水平，為0.7∶1；固相比在其水平j范圍(40∶60～10∶90)內取值均可；激發(fā)劑摻量在其水平j范圍(0～3%)內取值均可；溫度取第4種水平，為20 ℃。

圖3 各因素對結石率均值的影響Fig.3 The influence of various factors on the mean value of concretion rate

圖4 各因素對析水率均值的影響Fig.4 Influence of various factors on the mean value of water precipitation rate

2.2.4 析水率

析水率是指漿液在靜止狀態(tài)下由于顆粒的沉淀作用而析出水的比率，主要用于表征漿液的穩(wěn)定性[19-20]。析水率隨水固比、固相比、激發(fā)劑摻量和溫度4個因素的變化如圖4所示，由圖4可知，析水率具有如下規(guī)律：

1)隨著水固比增大，漿液析水率在增大。這是由于膠凝材料數量及外部條件確定時，參與水化反應所需水量也基本不再增大。

2)粉煤灰(水泥)摻入比例、激發(fā)劑摻量的改變對漿液的析水率影響很微弱。說明適量摻入粉煤灰、激發(fā)劑基本沒有改變膠凝材料混合漿液的穩(wěn)定性能。

3)隨著溫度增加，漿液析水率有小幅減小。主要是由于溫度的提升促進了膠凝材料在漿液中的水化反應速率，且使得水化反應更加充分，參與水化反應所需水量也會增多。

以析水率為指標，在該試驗條件下時，水固比因素的極差最大，表明4個因素中水固比對漿液析水率的影響最大。各因素影響程度大小依次為：A(水固比)、G(溫度)、B(固相比)、D(激發(fā)劑)，其中，A、G因素對漿液析水率具有高度顯著影響，B因素對漿液析水率具有顯著影響，D因素對漿液析水率無顯著影響。以析水率為指標時，應使析水率盡量降低，故最佳組合同樣為A1BjDjG4，代表的實際意義同上。

2.2.5 初凝/終凝時間

初凝和終凝時間隨水固比、固相比、激發(fā)劑摻量和溫度4個因素的變化分別如圖5和圖6所示，由圖5與圖6可知，在該試驗條件下，初凝/終凝時間具有如下規(guī)律：

1)隨著水固比增大，漿液初凝/終凝時間都在延長。產生這一現象主要是由于該膠凝材料屬于水硬性材料，當水灰比較小時，則膠凝材料顆粒間距離較小，容易形成骨架結構；當水灰比增大時，材料顆粒間距離增大，漿液凝結時需要水化產物填充的結構孔隙也增多，故將造成凝結硬化時間的延長。

2)隨著粉煤灰摻入比例增大、水泥摻入比例減小，漿液初凝/終凝時間都有較大延長，兩者變化幅度基本一致。這是由于水泥與粉煤灰的主要化學成分存在差異，水泥中可參與水化反應的有效成分更多，其參與水化反應更易形成凝聚網狀結構。故水泥摻量較多時漿液凝結時間較短；反之，則會延長漿液凝結時間。

圖5 各因素對初凝時間均值的影響Fig.5 Influence of various factors on the mean value of initial setting time

圖6 各因素對終凝時間均值的影響Fig.6 Influence of various factors on the mean value of final setting time

3)隨著激發(fā)劑摻量增加，漿液初凝/終凝時間都在縮短。主要是由于激發(fā)劑促進了漿液的水化反應速率，增加了水化產物數量，加快了水化產物凝聚速率。

4)隨著溫度升高，漿液初凝/終凝時間都在縮短。說明溫度升高改善了漿液的水化環(huán)境，提高了水化速率，促進了漿液凝結硬化。

凝結硬化時間長短主要由膠凝材料水化產物產生速度和數量決定，水化產物凝聚后將形成網狀結構，使得漿體塑性降低并逐步硬化[21]。

以初凝/終凝時間為指標，固相比因素的極差最大，表明4個因素中固相比對漿液凝結時間的影響最大。各因素影響程度大小依次為：B(固相比)、G(溫度)、A(水固比)、D(激發(fā)劑)，且4個因素對漿液初凝時間均具有高度顯著影響；B、G對終凝時間具有高度顯著影響，A、D對終凝時間具有顯著影響。以凝結時間為指標時，既要考慮漿液的施工可操作性，還需兼顧注漿施工進度，即要求凝結時間不宜過短也不能太長，故最佳組合為A1B1D3G4，即：水固比取第1種水平，為0.7∶1；固相比取第1種水平，為40∶60；激發(fā)劑摻量取第3種水平，為2%；溫度取第4種水平，為20 ℃。

2.2.6 綜合平衡法分析

利用綜合平衡法[17]對6項指標的條件綜合比較，找出兼顧每項指標并滿足注漿工程要求的最優(yōu)方案。試驗中要考察的指標有：①流動度：越大越易于施工；②密度：越大越利于工程質量；③結石率：越大越好，一般要求不低于85%；④析水率：越小越好，這樣漿液性能更穩(wěn)定；⑤初凝/終凝時間：根據某注漿工程施工現場要求，初凝時間不得小于12 h，終凝時間不得超過48 h。

結合圖1—圖6，綜合考察6項指標可以看出：4個因素各水平都滿足初凝時間要求；滿足終凝時間的各因素水平取值分別為水灰比0.7∶1與0.8∶1，固相比40∶60與30∶70，激發(fā)劑摻量2%，溫度15 ℃與20 ℃?？疾旖Y石率發(fā)現，滿足終凝時間的各因素水平，都可以保證漿液具有85%以上的結石率。考察流動度與密度可知，水固比從0.7∶1調整為0.8∶1時，漿液密度稍有降低，而流動度卻有較大改善，因此水固比取值0.8∶1更為合理；進一步考察流動度則有，固相比從40∶60調整為30∶70時，漿液流動度及密度雖都減小，但減小幅度較小，且固相比為30∶70時漿液各項指標均滿足工程需求，兼顧工程經濟性，宜提高粉煤灰的摻入量，因此固相比的最佳取值為30∶70。由結石率與終凝時間可以看出，養(yǎng)護溫度越高，越有利于漿液性能改善。經過上述綜合平衡分析后，得到兼顧漿液性能及成本的最佳方案為：水固比取0.8∶1，固相比取30∶70，激發(fā)劑摻量取2%，溫度盡量在15 ℃以上，即施工作業(yè)盡量挑選在合適的季節(jié)及天氣較好的時段，或采取其他保溫措施。

3 工程應用

某露天礦位于內蒙古東部草原區(qū)，自2017年以來，礦坑水位保持在較高水平，礦坑疏排水量遠大于初步設計方案預計的水量，其嚴重影響著煤礦的穩(wěn)定運行。將地質勘探數據、疏排水試驗及水位觀測結果等資料綜合分析，結果表明：礦坑疏排水量主要來源為海拉爾河通過第四系砂礫石層，沿煤層隱伏露頭形成補給[22]，砂礫石層平均埋深在地表以下6 m，最大厚度約37 m。本工程旨在通過封堵煤層露頭處砂礫石層滲流補給通道，從根本上解決礦區(qū)水害威脅問題。針對礦區(qū)截排減滲的需求，利用前文試驗優(yōu)選方案，于2019年在該礦區(qū)開展了地下連續(xù)墻防滲注漿工程，帷幕注漿深度為21～56 m。工期內當地平均氣溫為15～25 ℃，地層溫度梯度按照每向下延伸100 m，地層溫度升高3 ℃。由此可得，漿液澆筑后的環(huán)境溫度在15～27 ℃，該漿液初始溫度對漿材澆筑后性能影響較小。在注漿結束后7、28和90 d，采用鉆孔取芯力學測試、圍井抽水試驗及超聲波檢測等手段對墻體防滲效果進行驗證，注漿體在3個齡期對應抗壓強度分別為2.7、5.9和8.5 MPa，滲透系數分別為9.8×10-6、1.2×10-6和8.6×10-7cm/s，測試結果表明防滲墻體連續(xù)、完整。工程實施后礦坑疏排水量顯著減少，該方案既滿足便捷施工的要求，又保障了煤礦的安全運行，同時節(jié)約了工程成本，在相關工程領域中可推廣應用。

4 結 論

1)通過正交試驗手段開展了粉煤灰基防滲注漿材料性能室內試驗，采用極差與方差方法分析了漿液6項關鍵性能指標在4個因素4個水平下的變化規(guī)律，利用綜合平衡法優(yōu)選出一種既能兼顧漿液各項指標又可以滿足注漿工程要求的配比及方案：水固比取0.8∶1，固相比取30∶70，激發(fā)劑摻量取2%，施工溫度盡量保持在15 ℃以上。

2)將粉煤灰基防滲注漿材料優(yōu)選后，應用于露天煤礦地下連續(xù)墻防滲工程中，保障了礦區(qū)的安全穩(wěn)定運行，減輕了粉煤灰堆存造成的環(huán)境問題，節(jié)約了注漿工程成本，對礦山水害防治、隧道不良地質處理、地下空間基礎改良等類似工程起到了一定的指導作用。

3)水固比對粉煤灰基注漿材料的工程性能影響很大，固相比主要影響漿液流動度及凝結時間，摻加適量的外加劑可以促進漿液凝固、提升漿液性能，做好注漿工程保溫防控措施有利于縮短凝結時間、增大結石率及減小析水率。在開展注漿防滲工程時，可以結合實際情況，靈活調整這幾項關鍵因素、水平的取值，以期滿足工程需求。