大摻量粉煤灰水泥基煤礦含水層注漿材料性能研究

李秋英董辰光吳昊澤陳經棚

1山東省水泥質量監督檢驗站（250000） 2山東大學巖土與結構工程研究中心（250061）

0 引言

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物，根據其游離氧化鈣的含量分為F類(低鈣灰)、C類（高鈣灰）和復合灰。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同制備注漿材料[1-4]，郭兵[5]等研究了煤層底板灰巖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行了分析，方剛[7]等研究了巴拉素井田煤層富水機理與注漿堵水技術，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合注漿材料流動度、析水率、凝結時間及力學強度的影響[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#水泥樣品產自山東魯泰建材科技集團有限公司，425#復合硅酸鹽水泥樣品產自濟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)復合注漿材料制備過程為:先將不同質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）進行加水，攪拌均勻，使漿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行養護，養護溫度為20±1℃，養護齡期分別為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 試驗結果討論

2.1 漿液流動度

流動度體現了注漿材料的擴散性能，是漿液和易性的重要衡量參數。現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，粉煤灰加入量達到70%時漿液流動度呈現大幅增長現象；1#、2#粉煤灰加入量增大時，漿液流動度逐漸降低，粉煤灰加入量達到70%時漿液流動度呈現大幅降低現象，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，所以漿液流動度越小；而3#粉煤灰的顆粒較大、吸水性較低，漿體內的自由水多，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，這有利于漿液結實率的穩定，利于灰巖充填封堵加固。這可能是因為兩種粉煤灰的顆粒較細，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，漿液相對穩定。但需注意，2#粉煤灰對流動性不利，易產生堵管現象。

3#粉煤灰加入后漿液析水率較大。漿液結石率雖較低，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。在現場應用時，可根據漿液的泵送距離選擇不同細度的粉煤灰來調整漿液的工作性能。

2.3 漿液凝結時間

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散范圍。由于漿液的凝結時間較長，本試驗選取大摻量粉煤灰與425水泥的復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時間最長，說明粉煤灰不利于漿液凝結，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，相同時間內反應更充分，凝結時間更短。粉煤灰的粒度和摻量對于漿液的凝結時間影響較大，在實際的操作中，可根據現場實際狀況調整粉煤灰的細度和摻量，以控制凝結時間。

2.4 結石體抗壓強度

不同粉煤灰對325水泥和425水泥漿液結石體抗壓強度影響如圖7～9所示。

圖7 大摻量1#粉煤灰結石體7 d抗壓強度

圖7 中，水灰比均為1∶1，養護條件為水養，隨著1#粉煤灰含量增大，強度呈現降低趨勢，325水泥強度相差不大，且兩種325水泥-粉煤灰7 d強度明顯低于425水泥-粉煤灰強度；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，從強度角度出發，建議采用425水泥混合，為使7 d強度大于1 MPa、確保經濟效益，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#粉煤灰結石體7 d抗壓強度

圖8 中，水灰比均為1∶1，養護條件為水養，隨著2#粉煤灰含量增大，強度總體呈現降低趨勢，325水泥的強度明顯低于425水泥，同時2#粉煤灰的強度明顯高于1#粉煤灰，這是因為2#粉煤灰的顆粒較細，顆粒可以填充到細石體內部，使得結石體更加密實，提高了結石體強度。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，從強度角度出發，建議采用425水泥混合，為使7 d強度大于1 MPa、確保經濟效益，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#粉煤灰結石體7 d抗壓強度

圖9 中，水灰比均為1∶1，養護條件為水養，隨著3#粉煤灰含量增大，強度總體呈現降低趨勢，3#粉煤灰的結石體強度在三種粉煤灰中最低，這是因為3#粉煤灰的粒度最大，不利于結石體致密微觀結構的形成，同時隨著粉煤灰摻量的增多，漿液強度降低明顯，但聯眾水泥在相同粉煤灰摻量下的強度相差較小。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，從強度角度出發，建議采用425水泥混合，為使7 d強度大于1 MPa、確保經濟效益，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-水泥結石體的強度減小，這是因為粉煤灰的反應活性比水泥低，隨著體系中水泥比重的減小，結石體的強度隨之降低；不同粉煤灰摻量下結石體7 d強度: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石體的縫隙中可以提高強度，另一方面，粉煤灰粒度越小，反應越充分，相同時間內水化產物越多，顆粒間的膠結作用越強，因此結石體強度越高。

2.5 結石體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）漿液結石體水化 7 d的微觀結構，水灰比均為1∶1，水中養護，測試結果如圖10～15所示。

圖10 水化7 d 5#（60%425水泥+40%粉煤灰1）結石體SEM

圖11 水化7 d 8#（30%425水泥+70%粉煤灰1）結石體SEM

圖12 水化7 d 13#（60%425水泥+40%粉煤灰2）結石體SEM

圖13 水化7 d 16#（30%425水泥+70%粉煤灰2）結石體SEM

圖14 水化7 d 21#（60%425水泥+40%粉煤灰3）結石體SEM

圖15 水化7 d 24#（30%425水泥+70%粉煤灰3）結石體SEM

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

3 結論

1）3#粉煤灰加入量增大時，漿液流動度逐漸增大；粉煤灰加入量達到70%時，漿液流動度呈現大幅增長現象。1#、2#粉煤灰加入量增大時，漿液流動度逐漸降低；粉煤灰加入量達到70%時，漿液流動度呈現大幅降低現象，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、增加漿液結石率，利于灰巖充填封堵加固，但需注意，1#、2#粉煤灰對流動性不利，易產生堵管現象；3#粉煤灰加入后漿液析水率較大，漿液結石率雖較低，但漿液流動性能相對較好。

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

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