高強度低黏度注漿材料配比試驗研究

張培森，李騰輝，趙成業(yè)，侯季群

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

我國的淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采趨向于深部，隨著開采深度增加，地層壓力和靜水壓力增大，在工程擾動作用下微裂隙滲流效應(yīng)也急劇增大[1-3]，如果不加以處理，很容易誘發(fā)突水事故。注漿加固技術(shù)是治理突水災(zāi)害的一種方式[4，5]，注漿材料的選擇至關(guān)重要。普通的水泥注漿材料由于其粒徑大、黏度大，對于深部微裂隙巖體的治理效果不明顯，相關(guān)學(xué)者在注漿材料性能方面展開了大量的研究[6-11]。王茂盛[12]研究了新型無機注漿材料加固破碎圍巖技術(shù)，研究表明注漿后煤體內(nèi)部的裂隙得到了充填和固結(jié)，鉆孔內(nèi)漿液固結(jié)體呈薄厚不一的片狀或條狀，空隙得到壓實，煤體完整性和穩(wěn)定性增加；管學(xué)茂等[13]將超細無機注漿材料、納米鋰鋁滑石、有機調(diào)節(jié)劑復(fù)合制備了“高滲透、高強度、高黏結(jié)”的高性能微納米注漿材料，應(yīng)用效果良好；王道平[14]研究了以超細水泥為基材，摻入輔材和添加劑組成的超細灌漿水泥，并對漿液進行多項性能測試研究，選出配合比最佳的漿液應(yīng)用于實際工程，取得良好的效果；劉文永[15]等研究了高摻量粉煤灰對水泥漿液性能的影響，研究結(jié)果表明，粉煤灰對水泥早期強度影響較大，而對后期的影響逐漸減??；夏小亮[16]等開展了硅粉改性超細水泥漿液性能及耐久性試驗研究；郭東明[17]等以超細水泥、粉煤灰、減水劑為材料，應(yīng)用正交試驗分析了不同水灰比、粉煤灰、減水劑對超細水泥漿液性能的影響；彭雄義[18]研究了聚羧酸系減水劑的分子結(jié)構(gòu)與應(yīng)用性能關(guān)系及作用機理，從理論上解釋了四個系列PC的分子結(jié)構(gòu)與它們在水泥漿中分散性能的關(guān)系，為高性能混凝土發(fā)展提供理論依據(jù)。上述研究成果對于漿液性能的改善具有積極顯著的作用，但對于微裂隙巖體注漿加固，漿液的性能還需進一步改善。因此選用超細水泥、硅粉、超細粉煤灰、聚羧酸系減水劑(下文以英文縮寫PC代替)為原料，應(yīng)用單因素試驗和正交試驗相結(jié)合的方法，研究不同材料及多種材料相互作用下對漿液性能的影響，配制出一種高強度低黏度的新型漿液用于微裂隙巖體注漿。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗選用800目超細水泥作為主要材料，輔助材料為微硅粉、3000目超細粉煤灰和PC粉劑，各主要原料的化學(xué)成分見表1。

表1 各主要原料的化學(xué)成分 %

1.2 測試方法

1)析水率：采用100mL的量筒。將漿液配置好后注入100mL的量筒中，并將注入漿液的量筒放在平整位置上，每隔10min觀察并記錄量筒中漿液析出水的體積，測定3h內(nèi)的析水率。

2)黏度：采用1006型泥漿黏度計。將1006型泥漿黏度計下方出口封堵，向漏斗中注入800mL漿液，下方放容積為500mL的量杯，測定800mL漿液從漏斗中流出500mL的時間，所測得的時間即為漿液的黏度。

3)凝結(jié)時間：采用維卡儀。具體操作過程詳見維卡儀操作規(guī)程。

4)單軸抗壓強度：島津電子萬能試驗機。按《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JCJ/T 70—2009)執(zhí)行，制作70.7mm×70.7mm×70.7mm漿液結(jié)石體試件，按照《水泥膠砂強度檢測方法》在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護，分別養(yǎng)護7d和28d，然后使用島津電子萬能試驗機進行單軸抗壓強度測試。

2 單因素試驗與分析

2.1 水灰比對漿液性能的影響

研究超細水泥漿液在不同水灰比下的性能，參考《礦山帷幕注漿規(guī)范》規(guī)范的水灰比及試驗需求，本次試驗選用的水灰比分別為0.5、0.8、1.0、1.5，分別測試不同水灰比下超細水泥的黏度、析水率、凝結(jié)時間和抗壓強度，試驗結(jié)果見表2。

表2 超細水泥漿液試驗結(jié)果表

由表2可知，漿液的析水率隨著水灰比值的增大而增大，水灰比為0.5時，漿液析水率僅為0.2%，說明該配比下漿液非常穩(wěn)定，當(dāng)水灰比值為1.5時，漿液的析水率為7.2%，析出水量較多，漿液不穩(wěn)定。漿液的黏度與水灰比呈反比，水灰比越大，漿液的黏度越小，水灰比為0.5時，漿液黏度過大，漿液通過泥漿黏度計時，流出困難，出現(xiàn)滴漏現(xiàn)象，黏度無法用黏度計測出；水灰比為0.8時，漿液在65s后出現(xiàn)滴漏現(xiàn)象；當(dāng)水灰比為1.5時，漿液近似于水的狀態(tài)，漿液流出的時間接近于漏斗黏度計的極限值。漿液的初凝時間和終凝時間隨水灰比的變化趨勢一致，水灰比越大，凝結(jié)時間越長，水灰比為1.5時，漿液16h28min左右達到終凝。漿液的結(jié)石體強度隨水灰比的增大而降低，水灰比為1和1.5時，28d抗壓強度僅為12.09MPa和8.07MPa，而注漿工程中要求漿液結(jié)石體強度大于17MPa[19]，強度未能達到注漿要求。

綜合分析超細水泥漿液不同水灰比下的各項性能，選定的超細水泥水灰比為0.8。

2.2 不同摻料對漿液性能的影響

在水灰比一定的情況下，研究單因素變量不同摻加比的硅粉、粉煤灰、PC對超細水泥漿液性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 硅粉、粉煤灰、PC不同摻加比對漿液性能的影響

為揭示硅粉、粉煤灰、PC在不同摻加比下與漿液各項性能間的關(guān)系，對表3中測得各項數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到各種材料不同摻加比與漿液各項性能間的函數(shù)關(guān)系式：

y=a+bx

(1)

式中，x為材料的摻加比，%；y為漿液各項性能值；a、b為擬合參數(shù)。

硅粉不同摻加比下對漿液性能的影響如圖1所示。當(dāng)硅粉作為單一因素變量時，在超細水泥中摻加不同比例的硅粉，固定水灰比為0.8。根據(jù)擬合直線分析，漿液中硅粉的摻量與漿液析水率和凝結(jié)時間成反比關(guān)系，與漿液的黏度和漿液結(jié)石體強度成正比關(guān)系。這是由于硅粉和水接觸，部分小顆粒迅速溶解，溶液中富SiO2和貧Ca2+的凝膠在硅粉粒子表面形成附著層，經(jīng)過一定時間后，富SiO2和貧Ca2+凝膠附著層開始溶解和水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2并反應(yīng)生成C-S-H凝膠，從而使?jié){液的黏度增加；由于硅粉粒徑小，硅粉可以填充硬化水泥漿體中的孔隙，從而增加水泥漿體的強度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅粉摻量為12%時，水泥-硅粉結(jié)石體表面有裂隙出現(xiàn)，且結(jié)石體強度降低，說明硅粉的摻量有作用極限值，硅粉摻加量不宜超過10%。

圖1 硅粉不同摻加比對漿液性能的影響

粉煤灰不同摻加比對漿液性能的影響如圖2所示。粉煤灰作為單一因素變量時，分別用不同比例(占水泥含量的百分比)的粉煤灰替代超細水泥，固定水灰比為0.8。測得隨著粉煤灰摻量的增加，漿液的黏度降低，這是由于粉煤灰顆粒細，單個球形微珠體多，聚集度小，光滑球形粒子在水泥凈漿中起到滾動、潤滑作用，粒子表面因吸附而出現(xiàn)的雙電層結(jié)構(gòu)加強了潤滑作用，從而漿液的黏度降低，但漿液凝結(jié)時間增加，水泥-粉煤灰結(jié)石體抗壓強度有所降低，這是由于粉煤灰的水化活性遠比水泥熟料低，粉煤灰替代部分水泥后，體系中水泥熟料礦物比例減少，水化速度減慢、生成的水化產(chǎn)物顆粒間連接不夠緊密，從而延長了凝結(jié)時間，降低了早期強度。當(dāng)替代量超過20%時，黏度不再降低，說明到達其作用極限值。

圖2 粉煤灰不同摻加比對漿液性能的影響

PC不同摻加比對漿液性能的影響如圖3所示。PC作為單一變量時，在純超細水泥中添加不同比例的PC，固定水灰比為0.8，研究發(fā)現(xiàn)PC的添加對于純水泥漿液的黏度有明顯的改善作用，PC添加0.5%時，漿液的黏度為18.67s，接近于漏斗黏度的極限，但析水率過高，存在大量沉淀物質(zhì)，漿液極不穩(wěn)定。這主要是由于羧基充當(dāng)了緩凝成分，R—COO—與Ca2+離子作用形成絡(luò)合物，降低溶液中的Ca2+離子濃度，延緩Ca(OH)2形成結(jié)晶，減少C-S-H凝膠的形成，—COOH、—OH、—NH2、(—O—R)n等與水親和力強的極性集團通過吸附、分散、潤滑等表面活性作用，對水泥顆粒提供分散和流動性能，大大降低漿液的黏度。

圖3 PC不同摻加比對漿液性能的影響

結(jié)合各性能線性關(guān)系和單因素試驗硅粉、粉煤灰、PC對超細水泥性能的影響，選定硅粉摻加比為6%、8%、10%，粉煤灰摻加比為10%、15%、20%，PC摻加比為0.2%、0.3%、0.4%，進行正交試驗。

3 正交試驗設(shè)計與分析

3.1 正交表設(shè)計

為研究硅粉、粉煤灰、PC三種材料共同作用下對超細水泥性能的影響，選用單因素試驗中選定的摻加比，進行正交試驗。試驗方案見表4。

表4 試驗方案表

3.2 正交試驗結(jié)果分析

假設(shè)各因素間無交互作用，選擇四因素三水平L9(34)正交表進行試驗[20，21]，正交試驗結(jié)果見表5。

表5 正交試驗結(jié)果表

利用極差分析研究了各因素對漿液性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 正交試驗極差分析

綜合表5數(shù)據(jù)和圖4分析可知，三個因素中對漿液析水率影響的主次關(guān)系為PC>粉煤灰>硅粉，硅粉的摻量與析水率成反比，粉煤灰和PC的摻量與析水率成正比，析水率越小，漿液越穩(wěn)定，僅考慮析水率時，漿液的最優(yōu)配比為A3B1C1；三個因素中對漿液黏度影響的主次關(guān)系為PC>硅粉>粉煤灰，考慮到漿液低黏度的性能，漿液的最優(yōu)配比為A2B2C3；三個因素中對漿液凝結(jié)時間影響的主次順序為PC>粉煤灰>硅粉，考慮漿液凝結(jié)時間時，漿液的最優(yōu)配比為A3B2C3；三個因素中對漿液結(jié)石體抗壓強度影響的主次順序為硅粉>粉煤灰>PC，考慮漿液結(jié)石體強度時，漿液的最優(yōu)配比為A3B3C3。

9組試驗組漿液結(jié)石體7d和28d單軸抗壓強度的對比如圖5所示，可見試驗組漿液結(jié)石體28d抗壓強度相對于7d有明顯提高；7d和28d抗壓強度變化規(guī)律基本一致；第4組和第8組強度提高最大，說明漿液早期各摻加材料之間的作用效果沒有充分發(fā)揮，后期作用效果有一定的提升。

圖5 漿液結(jié)石體7d和28d抗壓強度對比

綜合考慮實際注漿要求，以黏度和強度作為主要指標(biāo)，析水率和凝結(jié)時間最為輔助指標(biāo)，最終確定水泥-硅粉-粉煤灰-PC混合漿液最優(yōu)配合比為：水灰比為0.8，硅粉摻量為10%、粉煤灰替代量為20%、PC摻量為0.3%。

3.3 新型漿液性能測試

選用上述配比進行新型漿液的配制試驗，測試新型漿液的各項性能，純超細水泥漿液和配置的新型漿液各項性能對比見表6。

表6 漿液性能對比

由表6可知，配置的新型漿液除凝結(jié)時間外，各項性能都優(yōu)于純超細水泥漿液，其中黏度變化最大，比純超細水泥漿黏度降低89%，新型漿液的析水率為0.8%，比純超細水泥漿液更穩(wěn)定，新型漿液的結(jié)石體單軸抗壓強度無論早期還是后期都有所提升，28d抗壓強度提升了13.6%。

4 結(jié) 論

1)超細水泥中摻加硅粉，結(jié)石體強度顯著提高，摻加4%～12%的硅粉，水泥-硅粉漿液的結(jié)石體強度可以提高8%～34%，但硅粉的摻量要適中，摻量過低，強度改善不明顯，摻量過高，漿液粘性太大，漿液流動度低，注漿困難且凝固后出現(xiàn)裂隙，硅粉摻量為10%時作用效果最明顯。

2)用超細粉煤灰替代一定量的超細水泥，水泥-粉煤灰漿液的黏度相對于純水泥漿液的黏度會有所降低，超細粉煤灰的替代量范圍為10%～20%之間，當(dāng)超細粉煤灰替代量超過20%時，黏度不再降低，到達其作用極限值。

3)PC對于改善漿液的黏度具有顯著效果，對于漿液結(jié)石體的強度影響較小，摻加0.1%～0.5%的PC，水泥-PC漿液的黏度可以降低25%～90.6%，PC摻量過多會影響漿液穩(wěn)定性，合理摻量范圍為0.2%～0.4%之間。

4)硅粉對漿液結(jié)石體強度影響最大，PC對漿液黏度影響最大。當(dāng)水灰比為0.8時，硅粉摻量為10%、超細粉煤灰替代量為20%、PC摻量為0.3%時性能最優(yōu)。