粉煤灰在黔中水利樞紐一期 工程中的試驗(yàn)研究

曾永軍 劉小沛 徐 蒙

（1.貴州省黔中水利樞紐工程建設(shè)管理局，貴州貴陽(yáng)，550000； 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

水泥作為注漿工程中的主要材料，應(yīng)用廣泛，但這種漿液易離析和沉淀，穩(wěn)定性較差。此外，由于普通水泥的顆粒較粗，使?jié){液難以注入巖土層的細(xì)小裂縫或孔隙中，超細(xì)水泥的開(kāi)發(fā)雖然克服了這些缺點(diǎn)，但價(jià)格較高。各種化學(xué)漿液的開(kāi)發(fā)在一定程度上能滿足微細(xì)裂縫注入的要求，但化學(xué)漿液一般有毒且價(jià)格又昂貴、膠凝強(qiáng)度不高，隨著環(huán)保呼聲的日益高漲，許多國(guó)家已聲明禁止使用大部分化學(xué)漿液[1]。粉煤灰是具有一定活性的火山灰質(zhì)混合材料，摻入普通水泥作為注漿材料使用，既可以改善水泥的某些性能，而且還有利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)可以降低工程造價(jià)。

1 粉煤灰的化學(xué)組成及特點(diǎn)

粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐排出的廢渣。國(guó)內(nèi)外各電廠粉煤灰的化學(xué)成分基本相近，主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃盡的炭[2]，其中活性氧化鋁和活性二氧化硅是粉煤灰活性的來(lái)源，它們的含量越高，粉煤灰活性就越高，品質(zhì)也越好；此外，CaO也有利于提高粉煤灰的活性；Fe2O3能起溶劑的作用，促使玻璃體形成，同樣有助于提高粉煤灰的活性，而未燃盡的炭則會(huì)使粉煤灰品質(zhì)下降[3]。

加入粉煤灰后的水泥漿液，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）易于泵送和灌注：粉煤灰的主要顆粒是含球形玻璃體等粒子的結(jié)合體，并具有光滑而致密的外殼，有較好的潤(rùn)滑減阻特性，從而在施工中提高了漿液的可注性和可泵性[1]。

（2）可以降低泌水和沉降：粉煤灰與水泥共同使用時(shí)，具有理想的顆粒級(jí)配，能夠使?jié){液在泵送和注漿過(guò)程中減少分離和沉降作用，同時(shí)降低泌水。此外，粉煤灰的比重小于水泥比重，也可降低沉降作用。

（3）提高了抗化學(xué)侵蝕能力：在單液水泥漿中，水泥水化釋放出的Ca(OH)2對(duì)化學(xué)侵蝕十分敏感，以致影響了材料的抗化學(xué)侵蝕能力。對(duì)于粉煤灰-水泥漿而言，由于粉煤灰中的活性氧化物（SiO2和Al2O3）能與Ca(OH)2反應(yīng)生成穩(wěn)定的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，從而提高了注漿材料的強(qiáng)度和抗化學(xué)侵蝕能力。

（4）早期強(qiáng)度偏低，但是后期強(qiáng)度大幅度增長(zhǎng)：粉煤灰的球形玻璃體比較穩(wěn)定，表面又相當(dāng)致密，不易水化，在水泥中摻入粉煤灰后會(huì)降低體系的水化活性，生成的水化產(chǎn)物顆粒之間的連接不夠緊密，使得粉煤灰水泥早期強(qiáng)度普遍偏低，但是在后期，粉煤灰顆粒表面水化逐漸加快，大量生成水化硅酸鈣凝膠體，從而形成很好的粘結(jié)強(qiáng)度[2]。

（5）減少了漿液硬化后的收縮量：由于粉煤灰中含有不規(guī)則的多孔玻璃體及未燃炭粒，可以吸收漿液中的部分多余水分，因此水泥-粉煤灰漿液的含水量能很快達(dá)到平衡狀態(tài)，從而減少了材料的收縮值[1]。

（6）具有流動(dòng)性能好、便于施工、減少施工設(shè)備磨損和提高抗?jié)B性等優(yōu)點(diǎn)。

2 粉煤灰摻量的工程應(yīng)用

黔中水利樞紐工程是貴州省西部大開(kāi)發(fā)的標(biāo)志性工程，一期水源工程左岸帷幕灌漿工程地質(zhì)條件復(fù)雜，大壩水頭高，帷幕灌漿工程量大，針對(duì)地層條件并為了節(jié)約成本，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)前進(jìn)行了漿材配比試驗(yàn)，即在水泥中加入不同摻量的粉煤灰，對(duì)比其對(duì)水泥物理力學(xué)性能的影響，最終選出粉煤灰的最佳摻量，為粉煤灰在黔中水利樞紐一期工程帷幕灌漿中的大量應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）規(guī)定，水泥中粉煤灰的摻加量按重量百分比不得少于20%或超過(guò)40%。故本試驗(yàn)主要針對(duì)粉煤灰摻量分別為20%、30%、40%時(shí)的水泥性能進(jìn)行研究。測(cè)試的漿液性能參數(shù)包括比重、粘度、穩(wěn)定性、凝結(jié)時(shí)間、析水率、沉淀速度、彈性模量、結(jié)石強(qiáng)度、孔隙率、容重和抗?jié)B性能等，每組漿液中均加入占膠凝材料重量0.8%的高效減水劑，水膠比采用3個(gè)比級(jí)1：1、0.7：1、0.5：1 。

2.1 試驗(yàn)所用原材料

（1）粉煤灰。采用安順電廠粉煤灰，粉煤灰性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

（2）水泥和減水劑。試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5（批號(hào)：50254），水泥的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，從表2看，水泥指標(biāo)符合水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）及《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T5148-2001）要求。減水劑采用UNF-2A型高效減水劑。

（3）水。室內(nèi)配制漿液采用工地現(xiàn)場(chǎng)生活用水。

2.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

將粉煤灰按不同的摻加量加入到相同強(qiáng)度等級(jí)的水泥熟料中，混磨后根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量凝結(jié)時(shí)間安全性檢測(cè)方法》（GB1346-2001）進(jìn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、 凝結(jié)時(shí)間、 安定性測(cè)定，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50081-2002）測(cè)試各試件的相應(yīng)力學(xué)參數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

表1 粉煤灰性能檢測(cè)

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

表3 漿液物理性能指標(biāo)檢測(cè)

表4 漿液力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)成果的分析，得出以下結(jié)論。

（1）比重與凝結(jié)時(shí)間：摻粉煤灰后漿液比重降低，凝結(jié)時(shí)間受水灰比影響不是很大，主要是受粉煤灰摻量的影響，且隨著粉煤灰摻量增加，漿液凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

（2）析水率：粉煤灰摻量越大，析水率下降量越大，說(shuō)明在粉煤灰-水泥漿液中粉煤灰能降低漿液的析水率。

（3）塑性粘度：在水膠比為1：1及0.7：1時(shí)，摻粉煤灰與不摻粉煤灰的塑性粘度變化不大，在水膠比為0.5：1時(shí)，摻粉煤灰后塑性粘度明顯降低，粉煤灰摻量越低，下降量越大，其中摻粉煤灰20%時(shí)下降量達(dá)到30.2%。

（4）粘結(jié)力、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量：在膠凝材料相同的條件下，隨著水膠比的降低，粘結(jié)力、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量增大；摻粉煤灰后漿液粘結(jié)力、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量均有所降低。

（5）滲透系數(shù)：隨著水膠比的降低，滲透系數(shù)變小，此外，粉煤灰在漿液中更多的表現(xiàn)為填充料的性質(zhì)，它也可以明顯提高漿液的抗?jié)B性能。

（6）綜合以上分析，為節(jié)約水泥，且既要保證硬化后漿液具有一定的粘結(jié)力和劈裂抗拉強(qiáng)度，又要提高其防滲性能，最終選取3個(gè)比級(jí)的水膠比1：1、0.7：1和0.5：1，粉煤灰最佳摻量為30%。

[1] 羅永忠.水泥-粉煤灰漿液試驗(yàn)及工程應(yīng)用[J].公路交通技術(shù), 2005(2)：26-30

[2] 沈威.水泥工藝學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2005

[3] 江學(xué)榮,林介東,莫乾凱,江潮全.粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].電力環(huán)境監(jiān)督,2002(3)：55-57

[4] 曹紅葵.不同摻量粉煤灰對(duì)水泥性能的影響[J].試驗(yàn)研究,2005(3)：3-5

[5] 鄧汝鋒.粉煤灰在混凝土中摻量的研究[J].山西建筑,2009(17)：147-148

[6] 陳愛(ài)玖,亢景富,霍洪媛,等.大摻量粉煤灰混凝土性能的試驗(yàn)研究[J].水利水電工程,2002(8)：3-4