水泥-粉煤灰煤礦含水層復(fù)合注漿材料性能研究

賀敬平，武善元，云 明，周志浩

（1.臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司邱集煤礦，山東 德州 251100；2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250002）

粉煤灰作為煤燃燒后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。粉煤灰的硅含量高，具有火山灰效應(yīng)，可以有效地提升結(jié)石體后期強(qiáng)度。此外，粉煤灰還具有滾珠效應(yīng)與微集料效應(yīng)，是一種可以與水泥協(xié)同互補(bǔ)的工業(yè)廢渣。當(dāng)前，大摻量粉煤灰形成的水泥-粉煤灰（C-FA）復(fù)合注漿材料體系尚未得到有效評估，亟待明確相應(yīng)性能，以便在煤礦含水層注漿改造工程中得到推廣[1-3]。

本試驗(yàn)以粉煤灰為摻合料，研究了大摻量粉煤灰水泥-粉煤灰復(fù)合注漿材料體系的性能影響。測試指標(biāo)主要包括流動度、析水率、凝結(jié)時間及力學(xué)強(qiáng)度等[4-5]。為了更好地分析粉煤灰對復(fù)合注漿材料的作用機(jī)理，本文還進(jìn)行了描電子顯微鏡-能譜儀（SEM-EDS）、壓汞孔結(jié)構(gòu)等測試分析，將宏觀與微觀相結(jié)合，對水泥-粉煤灰復(fù)合注漿材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

粉煤灰、水泥均來自邱集煤礦，試驗(yàn)中采用的是二級灰，所用水泥為425#，對比水泥為325#。邱集煤礦水泥樣品、粉煤灰樣品平均比表面積分別約為348 m2/kg和350 m2/kg，可以滿足工程需要。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

水泥-粉煤灰（C-FA）復(fù)合注漿材料體系中，粉煤灰比例分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%。先將不同質(zhì)量粉煤灰與425#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，脫模后于水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃±1 ℃，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d和28 d。

1.2.2 流動度

注漿材料流動度采用漿液擴(kuò)散直徑表示，借鑒《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）。選用邊長為600 mm的方形玻璃板，放置于水平桌面，用水使其表面均勻濕潤。在玻璃板中心位置放置漿液試模，將攪拌好的漿液倒入并抹平。緩慢提起試模并同時開始計時，在30 s時從三個不同方向記錄下漿液擴(kuò)散開度，求其平均值，即漿液的有效擴(kuò)散開度。

1.2.3 析水率與結(jié)石率

取試樣漿液裝滿250 mL量筒中，將量筒上口加蓋封好，測定3 h后析水量，離析水的體積除以原填灌漿液高度即為析水率，計算公式如下：析水率=（初始靜置漿液體積-靜置3 h后漿體體積）/初始靜置漿液體積×100%，計算結(jié)石率（1-析水率=結(jié)石率）。

1.2.4 凝結(jié)時間

水泥-粉煤灰復(fù)合注漿材料凝結(jié)時間測試參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T 1346—2011）進(jìn)行。凝結(jié)時間測試方法如下：采用凝結(jié)時間測定儀，測定幾種水泥基注漿材料不同溫度下的初凝時間、終凝時間。一是初凝時間的測定。試件養(yǎng)護(hù)一定時間后，將試件放到試針下，使試針與漿液表面接觸，擰緊螺絲1～2 s后，突然放松，試針沉至底板4 mm±1 mm時，水泥達(dá)到初凝狀態(tài)。二是終凝時間的測定。臨近終凝時間時，每隔15 min測定一次，當(dāng)試針沉至試體0.5 mm時，即環(huán)形附件開始不能在試樣上留下痕跡時，漿液達(dá)到終凝狀態(tài)。

1.2.5 微觀結(jié)構(gòu)測試分析

選取養(yǎng)護(hù)一定齡期的結(jié)石體，取塊狀樣儲存于無水乙醇中，終止水化，并在80 ℃下干燥24 h，然后進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測試。結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)分析采用美國賽默飛Quattro S掃描電子顯微鏡（SEM）。結(jié)石體的孔徑分布與孔隙率分析采用美國康塔PoreMaster-60型壓汞儀（MIP）

2 結(jié)果與討論

2.1 流動度

流動度體現(xiàn)了注漿材料擴(kuò)散性能，是漿液和易性的重要衡量參數(shù)，現(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。

圖1中，漿液水灰比均為1∶1。由圖1可知，325水泥漿流動度均低于大摻量（≥40%）粉煤灰的425水泥-粉煤灰漿液體系；隨著粉煤灰含量增大，漿液流動度總體呈現(xiàn)二次增大趨勢；粉煤灰摻量介于45%～55%、65%～70%時，425水泥-粉煤灰漿液流動度相對較大。試驗(yàn)表明，45%～55%、65%～70%摻量的粉煤灰對漿液流動性具有相應(yīng)增強(qiáng)作用。

圖1 粉煤灰摻量對流動度的影響

2.2 析水率

注漿材料漿液的析水率是注漿工程中重要的性能參數(shù)之一，尤其是對于長距離的漿液泵送尤為重要。如果漿液析水率過大，在輸送過程中會產(chǎn)生離析現(xiàn)象，變稠后膏體極易形成相互接觸的黏結(jié)狀態(tài)，引起管道堵塞事故。因此，須對漿液析水率進(jìn)行測試，以選擇穩(wěn)定性良好的漿液。此外，如果料漿析水率比較嚴(yán)重，會影響工作面的環(huán)境，造成漿液充填不密實(shí)，干擾注漿加固效果。

如圖2所示，粉煤灰含量增大能增加漿液流動度，但隨著粉煤灰含量（40%～70%）增大，漿液呈現(xiàn)析水率增大、結(jié)石率降低的現(xiàn)象，這說明粉煤灰含量增多更易導(dǎo)致漿液泌水分層，因此從控制漿液析水分層角度來看，粉煤灰產(chǎn)量不宜過多。結(jié)合圖1，粉煤灰摻量介于40%～45%時，漿液結(jié)石率大于80%；粉煤灰摻量為50%時，漿液結(jié)石率接近80%；粉煤灰摻量為60%～70%時，漿液結(jié)石率接近75%。粉煤灰樣品加入后，漿液析水率增加，說明摻入量過多易導(dǎo)致注漿工程中堵管等問題。因此，從控制漿液析水分層及結(jié)石率角度來看，粉煤灰摻量宜為40%～60%，以確保漿液結(jié)石體接近或大于80%，并確保漿液不易分層離析、不易堵管。

圖2 粉煤灰對析水率與結(jié)石率的測試結(jié)果影響（水灰比1∶1）

2.3 凝結(jié)時間

注漿材料初、終凝時間決定注漿材料的可操作性與可泵性，很大程度上影響注漿工藝的選擇，同時也決定注漿擴(kuò)散范圍。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 未水化原材料SEM分析

如圖3所示，未水化邱集煤礦粉煤灰樣品鈣元素含量相對較多，硅元素含量相對較少，此粉煤灰樣品與普通粉煤灰樣品存在一定差別，具有潛在火山灰效應(yīng)的二氧化硅玻璃體存在較少。

圖3 未水化邱集煤礦粉煤灰樣品SEM-EDS測試結(jié)果

2.4.2 水化3 d漿液結(jié)石體SEM分析

試驗(yàn)過程還對325水泥、C425-FA復(fù)合漿液結(jié)石體水化7 d的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試，分別為325水泥、40%FA、50%FA、60%FA、70%FA、80%FA所對應(yīng)的7 d結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)，水灰比均為1∶1。

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(yàn)證了圖7抗壓強(qiáng)度測試結(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，球形粉煤灰相應(yīng)礦物未進(jìn)行有效水化。含50%粉煤灰結(jié)石體水化齡期為7 d時，結(jié)石體中針狀A(yù)Ft礦物與水化硅酸鈣礦物進(jìn)一步減少，取而代之，相應(yīng)未參與水化膠凝及火山灰反應(yīng)的粉煤灰礦物數(shù)量進(jìn)一步增加，空隙率進(jìn)一步增多，存在較多數(shù)量的較大空隙；含60%～70%粉煤灰結(jié)石體水化齡期為7 d時，結(jié)石體中針狀A(yù)Ft礦物與水化硅酸鈣礦物進(jìn)一步減少，相應(yīng)地，存在較多與未水化粉煤灰相似的礦物，未參與水化膠凝及火山灰反應(yīng)的粉煤灰礦物數(shù)量最多，空隙率進(jìn)一步增多，較大空隙數(shù)量多，微觀結(jié)構(gòu)疏松，不利于宏觀強(qiáng)度；含80%粉煤灰結(jié)石體水化齡期為7 d時，存在大量未反應(yīng)球形粉煤灰，空隙率很大，較大空隙數(shù)量最多，微觀結(jié)構(gòu)最疏松，非常不利于提升宏觀強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文從流動度、析水率、凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，系統(tǒng)分析了影響機(jī)理，得到以下結(jié)論。隨著粉煤灰摻量的增加，流動度呈現(xiàn)增大趨勢，隨著粉煤灰含量增大，漿液呈現(xiàn)析水率增大、結(jié)石率降低現(xiàn)象，從控制漿液析水分層及結(jié)石率角度，粉煤灰摻量宜為40%～60%，以確保漿液結(jié)石體≥80%，并確保漿液不易分層離析、不易堵管。初終凝時間隨著粉煤灰摻量增大而明顯增大，水灰比對凝結(jié)時間的影響更顯著。當(dāng)粉煤灰大于70%時，凝結(jié)時間出現(xiàn)過長現(xiàn)象；摻量50%～70%時，漿液凝結(jié)時間仍很長；為避免大摻量粉煤灰的過長凝結(jié)現(xiàn)象，建議摻量為40%～60%。

隨著粉煤灰摻量增多，粉煤灰樣品對強(qiáng)度具有比較明顯的降低作用，結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)致密度顯著降低，粉煤灰摻量為40%～50%時，強(qiáng)度與密實(shí)度均較好。綜合考慮注漿工程成本、漿液試驗(yàn)性能、結(jié)石體試驗(yàn)性能、含水層改造效果等方面，建議礦井含水層注漿改造工程中粉煤灰摻量≤60%，超過60%時強(qiáng)度降低作用變得非常明顯，且超過60%時微觀結(jié)構(gòu)、孔隙分布均變得非常不利。