不同配比水泥-粉煤灰漿液結石體物理力學特性演化

郭永紅，李鵬飛，孫強，等.不同配比水泥-粉煤灰漿液結石體物理力學特性演化[J].西安科技大學學報，2024，44（5）：846-856.

GUO Yonghong，LI Pengfei，SUN Qiang，et al.Characteristics of physico-mechanical evolution of cement-fly "ash slurry agglomerates with different ratios[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（5）：846-856.

摘要：為了解決內蒙西部某礦注漿效率低、成本高、漿液的可灌性、可控性、穩定性差和礦井持續開采后井下巖體開裂受損加劇等難題，更好地揭示內蒙西部某礦注漿分選性的主控因素以及根據實際工程概況確定更好的漿液配比。以不同配比粉煤灰（0.6、0.8）和不同粉煤灰摻量（0%、10%、20%、30%、40%）為主要基料研制新型注漿材料，對注漿材料結石體進行不同時期（3，7，14，28 d）的養護，并且對注漿材料結石體的物理力學特性進行了研究。結果表明：粉煤灰漿液的結石率隨水灰比和粉煤灰摻量的增加而下降，流動度隨著水灰比和粉煤灰摻量的增多而上升，粉煤灰摻量為40%時流動度和結石率達到峰值；隨著養護時間的逐漸增大，結石體的波速逐漸降低。當養護期為28 d時，水灰比為0.6時結石體的波速最大；水灰比為0.6，粉煤灰摻量為0%，且養護期為28 d時，抗壓強度最大為30.153 MPa。水灰比和粉煤灰摻量的增加會促進漿液的流動，卻嚴重降低了漿液結石體的密度、電阻率和波速等。研究成果為內蒙西部某礦注漿穩定性和井下巖體裂隙、不良地質體注漿堵漏加固技術提供參考，并為漿液水灰比的選定提供室內驗證。

關鍵詞：粉煤灰；結石體；電阻率；波速；抗壓強度

中圖分類號：TD 712

Characteristics of physico-mechanical evolution of cement-fly ash slurry agglomerates with different ratios

GUO Yonghong1，LI Pengfei2，SUN Qiang3，4，LIU Junping5

（1.National Energy Group Coal Coking Co.，Ltd.，Wuhai 016031，China；

2.College of Mining，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China;

3.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

4.Geological Research Institute for Coal Green Mining，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

5.Lanxi Railway Gansu-Qinghai Section Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China）

Abstract：In order to solve the problems of low grouting efficiency，high cost，poor groutability，controllability and stability of slurry，and increased damage of underground rock cracking after continuous mining in a mine in western Inner Mongolia，the main controlling factors of grouting sortability in a mine in western Inner Mongolia were better revealed as well as to determine a better slurry proportion according to the actual engineering profile.The new grouting materials were developed with different ratios of fly ash（0.6，0.8）and different amounts of fly ash mixing（0%，10%，20%，30%，40%）as the main base materials，and the grouting material rock mass was maintained for different periods（3，7，14，28 d），and the physical and mechanical properties of the grouting material rock mass were explored.The results show that：Fly ash slurry stone rate decreases with the increase of water-cement ratio and fly ash dosage，fluidity rises with the increase of water-cement ratio and fly ash dosage，and the fluidity and solidity rate reaches the peak when the fly ash dosage is 40%；with the gradual increase of the curing time，the wave velocity of the stone body gradually decreases，and the wave velocity of the stone body is maximum when the curing period is 28 d and the water-cement ratio is 0.6；the water-cement ratio is 0.6.When the water-cement ratio is 0.6，the mixing amount of fly ash is 0%，and the maintenance period is 28 d，the maximum compressive strength is 30.153 MPa.The research results provide reference for the grouting stability of a mine in the western part of Inner Mongolia and the grouting and plugging reinforcement technology for the fissures of underground rock bodies and undesirable geologic bodies，as well as indoor validation for the selectivity of the water-cement ratio of the slurry.

Key words：fly ash；pastes；resistivity；wave velocity；compressive strength

0引言

粉煤灰作為多個發達國家工業生產后主要的固廢材料，廣泛用于建材、建工等眾多領域[1-3]。粉煤灰在各項工程中的應用，不但降低了工程造價，還減少了廢棄物的排放，從而達到環保的效果。同時對土地建設和環境保護也具有一定的研究意義與價值[4-5]。

目前階段，根據材料性質的不同，主要有無機類材料和有機高分子泡沫材料用于煤礦井下堵漏[6-9]。無機材料因其來源廣泛、價格低廉而被廣泛運用于煤礦井下堵漏，一般分為傳統材料、無機凝膠材料、高水速凝材料和無機化學材料[10-12]。前人學者均針對粉煤灰材料摻量與配比進行了相關研究。童立元等和黃青云等通過研究發現，粉煤灰-水泥漿液的工作性能與粉煤灰摻量相關，增加粉煤灰摻量會增加漿液的凝結時間與黏度，但可以有效降低析水率[13-14]；李柱國等對粉煤灰注漿材料進行研究，通過改變注漿方法與粉煤灰的摻量，實現了對粉煤灰-水泥漿液工作性能的調節[15]；上官書民等對粉煤灰-水泥漿液進行相應室內試驗，得出了應通過添加激發劑來提高粉煤灰-水泥漿液早期強度的結論[16]；馬文婷通過測試塌落度、表觀黏度、抗壓抗折強度研究了不同等級粉煤灰對水泥性能的改善，研究發現在礦用充填中使用以及粉煤灰漿液摻量為20%時漿液成形效果和混凝土力學效果最佳[17]；劉彥清等對摻粉煤灰混凝土的新型材料抗壓強度劣化規律進行了深入研究，發現粉煤灰摻量未超過30%時，試件抗壓強度未出現劣化現象；粉煤灰摻量超過30%時，粉煤灰摻量越多，試件抗壓強度劣化程度越大[18]；張志國探討了粉煤灰與礦渣粉復摻、不同粉煤灰品質及摻量對水工混凝土抗碳化性能的影響，摻量不超過20%不會明顯改變碳化深度，摻量達到50%時抗碳化性能顯著下降[19]；程學磊等通過構建不同粉煤灰摻量自密實混凝土單軸壓縮試驗離散元模型，并與實際試驗結果進行對比，發現不同粉煤灰摻量的結石體其極限強度呈先增后減的趨勢破壞裂縫均為對角裂縫區別在于中部豎向裂紋數量不同[20]；李永清等對尾泥微粉在水泥基材料中應用的可行性進行研究，發現復摻泥微粉與粉煤灰在水化后期能夠有效發揮復合活性效應與填充效應[21]；李曉磊等通過改變粉煤灰在水泥-粉煤灰二元膠凝材料用量中的占比調控結石體的強度，對不同粉煤灰占比（0%～90%）矸石膠結充填體進行強度測試，探明結石體的強度調控范圍，研究發現結石體強度隨著粉煤灰占比的增加而減少，獲得了較大的矸石膠結充填體強度調控范圍[22]；張玉棟等為提高再生混凝土的資源利用，摻入不同配比粉煤灰的混凝土以分析水膠比、減水劑和粉煤灰對低強度再生混凝土內部結構的影響，發現水膠比與新型材料的結構存在顯著關系，同時粉煤灰對再生混凝土的抗壓和劈裂強度呈負面影響[23]；李家勝等研究發現不同礦物摻合料不同摻量對普通硅酸鹽水泥干縮性能影響規律不同，其中硅灰的摻量變化對普通硅酸鹽水泥的干縮性能影響較小，對摻加礦粉的影響其次，對摻加粉煤灰的影響最大[24]；陳志華等研究高粉煤灰摻量對新型材料各項性能的影響，發現隨著粉煤灰摻量增加新型材料的彎曲與拉伸延性均增大，而彎曲與拉伸強度均減小，且粉煤灰含量的增大對新型材料的強度存在顯著影響[25]；程強強等通過無側限抗壓強度試驗研究了粉煤灰摻量、養護齡期對淤泥固化土力學性能的影響，發現隨粉煤灰摻量的增加、養護齡期的延長，淤泥固化土的抗壓強度和變形模量均有不同程度的提高，其中34-5%高摻量粉煤灰和90 d長養護齡期條件下強度增幅最為顯著[26]；馮崖竹探討了復摻超細粉煤灰和偏高嶺土對透水混凝土性能的影響，發現復摻粉煤灰和偏高嶺土可以有效提升透水混凝土的各項性能[27]；蔣超等根據水泥土顆粒的雙電層結構和水泥、黃土孔隙水的化學反應變化模式，分析了含水率、水泥摻量以及測試頻率對水泥土導電性能的影響，發現黃土中移動的水分子不斷轉化為水泥中結合的氫合物，導致水化硅酸鈣凝膠堆積，這是影響電阻率變化的主要原因[28]。但關于水泥漿液結石體配比的選取及其物性特征的研究仍有待探索。

為了解決上述不足，通過對不同摻量粉煤灰、水灰比對內蒙西部某礦注漿分選性的影響，分析探討了不同水灰比和粉煤灰摻量配置后的新型材料流動度、結石率、波速、電阻率和抗壓強度等物理特征的變化規律及其機理。研究可為內蒙西部某礦注漿穩定性和井下巖體裂隙、不良地質體注漿堵漏加固技術提供借鑒。

1樣品制備和試驗流程

1.1樣品制備

采用標準砌筑水泥，優質一級粉煤灰，并根據內蒙西部某礦現狀，按表1所示進行配備。

根據試驗設計方案所確定的配比來計算每次試驗中粉煤灰、水泥用量。首先將稱量好的粉煤灰、水泥倒入攪拌容器中并且加入所需用水；然后攪拌10 min左右，制得所需漿液后倒入T50×100 mm的標準圓柱形模具。輕微震蕩模具，排出漿液中的空氣，等待24 h之后脫模，并且放置容器中進行養護。每組樣品分別做3個平行樣品，養護周期分別為3，7，14，28 d。

1.2試驗流程

將不同水灰比不同摻量水泥的新型漿液結石體進行3，7，14 d和28 d的養護。為了研究新型漿液結石體物理性質的改變，采用型號為LRC數字電橋TH2816A、NM-4A非金屬超聲檢測分析儀和MTS壓力機對每組漿液結石體進行密度和流動性試驗，以及對結石率、波速、電阻率和抗壓強度等物理參數進行測試，具體試驗流程如圖1所示。

2試驗結果與討論

2.1密度

不同配比條件下粉煤灰漿液結石體的密度，如圖2所示。粉煤灰結石體的密度通常在1.5～2.4 g/cm3。相同水灰比的粉煤灰漿液結石體，其密度隨著養護期的增長而增大，隨著粉煤灰摻量的增加而減少。相同養護期和粉煤灰摻量的條件下，隨著水灰比增大而減小。養護期為3 d，水灰比為0-8，粉煤灰摻量為40%時，密度最小為1.66 g/cm3，而在28 d養護期，水灰比為0.6，粉煤灰摻量為0%時的密度最大，是前者的1.08倍。

2.2流動度

粉煤灰結石體的流動性是指材料在施工過程中的可流動性能力，通常是通過觀察或測量其流動長度或流動時間來評估[29]。流動度試驗采用凈漿截錐試模，待內部漿液流出后測量粉煤灰漿液擴散的最大直徑，1 min后測量與最大流淌漿液半徑相互垂直的半徑，并取二者平均值，如圖3所示。

如圖4所示，相同粉煤灰摻量的條件下，水灰比越大，漿液的流動距離越大。不同配比的漿液的流動度隨粉煤灰摻量變化的整體過程可以分為3個階段。以水灰比為0.8為例，當粉煤灰摻量低于10%時，漿液的流動距離隨粉煤灰摻量呈逐漸升高的趨勢。當粉煤灰摻量在10%～30%的范圍內，漿液的流動距離持續緩慢增大，增長率為4-35%。當粉煤灰摻量大于30%時，漿液的流動具體顯著增大，至粉煤灰摻量為40%時達到峰值，為26.5 cm，較粉煤灰摻量為0%時增大了26-19%。

2.3結石率

將配置好的不同水灰比和粉煤灰摻量的漿液注入50 mm×100 mm的圓柱形模具中，靜置24 h，將結石體放入盛有水的燒杯中，讀取排開水的體積，即為粉煤灰結石體的體積，結石率p則為結石體的體積與模具體積之比。

結石率的計算公式為

p=Vt/V（1）

式中Vt為粉煤灰結石體的體積，cm3；V為圓柱形模具的體積，cm3。

如圖5所示，相同粉煤灰摻量的條件下，水灰比越大，結石率越低，但最終結石率均趨向于93%～95%。不同配比的漿液的結石率隨粉煤灰摻量變化的整體過程可以分為2個階段。以水灰比為0.6為例，當粉煤灰摻量低于10%時，結石率迅速增大，增長率為9.41%。當粉煤灰摻量在10%～40%的范圍內，結石率緩慢增大，但增長率降低，為2.15%。當粉煤灰摻量為40%時，漿液的結石率達到峰值，為95%。

2.4漿液結石體波速變化

圖6為不養護周期條件下，不同水灰比漿液隨不同粉煤灰摻量下波速的變化特征。同一水灰比的情況下隨著粉煤灰摻量的增加，結石體波速呈降低趨勢。養護期為28 d，粉煤灰摻量為0%，水灰比為0.6時結石體的波速最大，為11.826 km/s。

而在養護期為3 d，粉煤灰摻量為40%，水灰比為0-8時，其結石體的波速最低，為5.564 km/s。當粉煤灰摻量相同時，隨著水灰比的增大，結石體的波速逐漸下降。

2.5漿液結石體電阻率變化

試驗采用型號為LCR數字電橋TH2816A設備對漿液結石體的電阻率進行測定，不同水灰比和養護期對應的漿液結石體的電阻率如圖7所示。

如圖8所示，不同水灰比漿液結石體的電阻率隨養護時間的變化過程可分為2個階段。當養護周期低于14 d時，結石體電阻率緩慢增大。養護周期在14～28 d的范圍內時，結石體電阻率迅速增大。而隨著水灰比的增大，漿液結石體的電阻率降低。

一般而言，漿液結石體的電阻率有3個變化階段。第1階段為吸附水階段，第2階段為吸附水和毛細水階段，第3階段為重力水階段[30-31]。吸附水是通過靜電作用力與結石體顆粒表面發生相互作用而存在的水分形式。毛細水是通過毛細力作用使水分子在土壤微觀孔隙中上升的水分形式[32]。當水灰比為0.6時，由于漿液結石體相對高水灰比含水量較低，顆粒之間接觸點的擴散雙電層成為結石體中電流的主要傳導路徑，此時在結石體中水的存在形式以吸附水為主[33-34]。而隨著水灰比的增大，漿液結石體中水的存在形式以重力水為主，而重力水的電導率均小于吸附水和毛細水[35]。如圖9所示，結石體顆粒表面的雙電層結構分為穩定層和擴散層，結石體的導電性取決于顆粒雙電層結構中導電離子的定向運動[36]。隨著水灰比的增大，擴散層自由移動的離子增加，電阻率也快速下降。

2.6漿液結石體抗壓強度變化

圖10為不同水灰比結石體抗壓強度隨不同粉煤灰摻量的變化特征。漿液結石體的抗壓強度隨著水灰比和粉煤灰摻量的增加而下降，隨著養護期的增長而上升。當水灰比為0.6，粉煤灰摻量為0%，養護期為28 d時，抗壓強度最大為30-153 MPa。

當水灰比為0.8，粉煤灰摻量為40%，養護期為3 d時，抗壓強度最低為1.701 MPa。

如圖11所示，相同養護周期的條件下，抗壓強度隨水灰比的增多而下降，隨粉煤灰摻的增多而下降。在水灰比和粉煤灰摻量不變的條件下，漿液結石體的抗壓強度隨養護周期的增加而增大。

如圖12所示，隨著粉煤灰摻量的增大，水泥漿液結石體中水泥凝結硬化過程包含多個化學變化過程，水泥中的硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）和水泥混合的過程就是結石體中移動的水分子不斷轉化為水泥中結合的氫合物中不動的水分子的過程[37]，水泥吸附結石體孔隙通道中的水分子過程中會發生如下化學反應

Ca3SiO5+5H2O（CaO）xSiO2H2Oy+3-xCa（OH）2

（2）

Ca2SiO4+（2+y－x）H2O

（CaO）x（SiO2）（H2O）y+（2-x）Ca（OH）2

（3）

水泥漿液結石體的早期強度主要取決于水膠比[38]，此階段主要發生了水泥的初次水化，而后期主要是因為粉煤灰中的活性物質Al2O3和SiO2與水泥中的水化產物在水溶液中發生火山灰反應，生成了水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，進一步增大了漿液結石體的強度[39]，并進一步與水泥中的石膏發生反應生成活性較大的水化硫鋁酸鈣，生成物將充滿于漿液結石體的結構中，減少孔隙率，進而增強混凝土的黏聚性和不透水性[40-41]。

隨著粉煤灰摻量的逐漸增大，充分的粉煤灰與水泥漿液水化后的產物發生二次水化，而且粉煤灰顆粒較水泥顆粒小，比表面積大，因此增大了提供二次水化反應的作用面。在水灰比相同的條件下，摻加大量的粉煤灰，更容易促進水泥顆粒進入漿液結石體的結構縫隙中，發生微集料反應和化學活性反應，增強其漿液結石體的強度和密實度。

3結論

1）粉煤灰漿液的結石率隨水灰比和粉煤灰摻量的增加而下降，流動度隨著水灰比和粉煤灰摻量的增多而上升，粉煤灰摻量為40%時的流動度和結石率達到峰值，為26.5 cm，較粉煤灰摻量為0%時增大了26.19%，結石率為95%。

2）同一水灰比的情況下隨著粉煤灰摻量的增加，漿液結石體波速呈降低趨勢。隨著養護時間的逐漸增大，結石體的波速逐漸降低，在養護期為28 d，水灰比為0.6時，結石體的波速最大，為11.826 km/s。在養護期為3 d，水灰比為0.8時，其結石體的波速最低，為5.564 km/s。

3）相同水灰比和頻率的條件下，粉煤灰漿液結石體的電阻率隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢。相同粉煤灰摻量條件下，漿液結石體的電阻率，隨水灰比的增大呈下降趨勢。

4）漿液結石體的抗壓強度隨著水灰比和粉煤灰摻量的增加而下降，隨著養護期的增長而上升。當水灰比為0.6，粉煤灰摻量為0%，養護期為28 d時，抗壓強度最大為30.153 MPa。當水灰比為0.8，粉煤灰摻量為40%，養護期為3 d時，抗壓強度最低為1.701 MPa。

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（責任編輯：高佳）

收稿日期：2024-04-20

基金項目：國家自然科學基金項目（41972288）

第一作者：郭永紅，男，內蒙古烏海人，高級工程師，E-mail：493537267@qq.com

通信作者：孫強，男，河北衡水人，教授，博士生導師，E-mail：sunqiang04@126.com