水泥-粉煤灰煤礦含水層復合注漿材料性能研究

賀敬平，武善元，云 明，周志浩

（1.臨沂礦業集團有限責任公司邱集煤礦，山東 德州 251100；2.山東大學巖土與結構工程研究中心，濟南 250002）

粉煤灰作為煤燃燒后煙氣中收捕下來的細灰，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，可以有效地提升結石體后期強度。此外，粉煤灰還具有滾珠效應與微集料效應，是一種可以與水泥協同互補的工業廢渣。當前，大摻量粉煤灰形成的水泥-粉煤灰（C-FA）復合注漿材料體系尚未得到有效評估，亟待明確相應性能，以便在煤礦含水層注漿改造工程中得到推廣[1-3]。

本試驗以粉煤灰為摻合料，研究了大摻量粉煤灰水泥-粉煤灰復合注漿材料體系的性能影響。測試指標主要包括流動度、析水率、凝結時間及力學強度等[4-5]。為了更好地分析粉煤灰對復合注漿材料的作用機理，本文還進行了描電子顯微鏡-能譜儀（SEM-EDS）、壓汞孔結構等測試分析，將宏觀與微觀相結合，對水泥-粉煤灰復合注漿材料進行了系統的研究。

1 試驗

1.1 原材料

粉煤灰、水泥均來自邱集煤礦，試驗中采用的是二級灰，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 試驗方法

1.2.1 樣品制備

水泥-粉煤灰（C-FA）復合注漿材料體系中，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，脫模后于水中養護，養護溫度為20 ℃±1 ℃，養護齡期為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散開度，求其平均值，即漿液的有效擴散開度。

1.2.3 析水率與結石率

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%，計算結石率（1-析水率=結石率）。

1.2.4 凝結時間

水泥-粉煤灰復合注漿材料凝結時間測試參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346—2011）進行。凝結時間測試方法如下：采用凝結時間測定儀，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。試件養護一定時間后，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，水泥達到初凝狀態。二是終凝時間的測定。臨近終凝時間時，每隔15 min測定一次，當試針沉至試體0.5 mm時，即環形附件開始不能在試樣上留下痕跡時，漿液達到終凝狀態。

1.2.5 微觀結構測試分析

選取養護一定齡期的結石體，取塊狀樣儲存于無水乙醇中，終止水化，并在80 ℃下干燥24 h，然后進行微觀結構測試。結石體微觀結構分析采用美國賽默飛Quattro S掃描電子顯微鏡（SEM）。結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 結果與討論

2.1 流動度

流動度體現了注漿材料擴散性能，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。

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。試驗表明，45%～55%、65%～70%摻量的粉煤灰對漿液流動性具有相應增強作用。

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，在輸送過程中會產生離析現象，變稠后膏體極易形成相互接觸的黏結狀態，引起管道堵塞事故。因此，須對漿液析水率進行測試，以選擇穩定性良好的漿液。此外，如果料漿析水率比較嚴重，會影響工作面的環境，造成漿液充填不密實，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，漿液呈現析水率增大、結石率降低的現象，這說明粉煤灰含量增多更易導致漿液泌水分層，因此從控制漿液析水分層角度來看，粉煤灰產量不宜過多。結合圖1，粉煤灰摻量介于40%～45%時，漿液結石率大于80%；粉煤灰摻量為50%時，漿液結石率接近80%；粉煤灰摻量為60%～70%時，漿液結石率接近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致注漿工程中堵管等問題。因此，從控制漿液析水分層及結石率角度來看，粉煤灰摻量宜為40%～60%，以確保漿液結石體接近或大于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石率的測試結果影響（水灰比1∶1）

2.3 凝結時間

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，同時也決定注漿擴散范圍。

2.4 微觀結構分析

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測試結果

2.4.2 水化3 d漿液結石體SEM分析

試驗過程還對325水泥、C425-FA復合漿液結石體水化7 d的微觀結構進行了測試，分別為325水泥、40%FA、50%FA、60%FA、70%FA、80%FA所對應的7 d結石體微觀結構，水灰比均為1∶1。

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，這也驗證了圖7抗壓強度測試結果。由于所測樣品為水化7 d結石體的微觀結構，SEM結果表明，球形粉煤灰相應礦物未進行有效水化。含50%粉煤灰結石體水化齡期為7 d時，結石體中針狀AFt礦物與水化硅酸鈣礦物進一步減少，取而代之，相應未參與水化膠凝及火山灰反應的粉煤灰礦物數量進一步增加，空隙率進一步增多，存在較多數量的較大空隙；含60%～70%粉煤灰結石體水化齡期為7 d時，結石體中針狀AFt礦物與水化硅酸鈣礦物進一步減少，相應地，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的粉煤灰礦物數量最多，空隙率進一步增多，較大空隙數量多，微觀結構疏松，不利于宏觀強度；含80%粉煤灰結石體水化齡期為7 d時，存在大量未反應球形粉煤灰，空隙率很大，較大空隙數量最多，微觀結構最疏松，非常不利于提升宏觀強度。

3 結論

本文從流動度、析水率、凝結時間、抗壓強度及微觀結構角度出發，系統分析了影響機理，得到以下結論。隨著粉煤灰摻量的增加，流動度呈現增大趨勢，隨著粉煤灰含量增大，漿液呈現析水率增大、結石率降低現象，從控制漿液析水分層及結石率角度，粉煤灰摻量宜為40%～60%，以確保漿液結石體≥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，水灰比對凝結時間的影響更顯著。當粉煤灰大于70%時，凝結時間出現過長現象；摻量50%～70%時，漿液凝結時間仍很長；為避免大摻量粉煤灰的過長凝結現象，建議摻量為40%～60%。

隨著粉煤灰摻量增多，粉煤灰樣品對強度具有比較明顯的降低作用，結石體微觀結構致密度顯著降低，粉煤灰摻量為40%～50%時，強度與密實度均較好。綜合考慮注漿工程成本、漿液試驗性能、結石體試驗性能、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%時強度降低作用變得非常明顯，且超過60%時微觀結構、孔隙分布均變得非常不利。