高摻量粉煤灰水泥注漿材料電學(xué)性能研究

張剛艷

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013 )

高摻量粉煤灰水泥注漿材料電學(xué)性能研究

張剛艷

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013 )

采用無電極電阻率測定儀測定了多組分高摻量粉煤灰水泥注漿材料的電阻率，建立了高摻量粉煤灰水泥注漿材料的典型電阻率曲線，并對其早期結(jié)構(gòu)形成的不同階段進(jìn)行了電學(xué)描述，為分析其早期性能的發(fā)展提供了新的方法。

粉煤灰；水泥；注漿材料；電阻率

近年來，許多學(xué)者在高摻量粉煤灰水泥注漿材料性能試驗(yàn)方面做了大量工作[1-5]，涉及到諸如高摻量粉煤灰水泥的強(qiáng)度、變形性能、水化性能等許多方面，且已在實(shí)際工程中大量應(yīng)用了高摻量粉煤灰水泥注漿材料[6-8]。國內(nèi)外有關(guān)高摻量粉煤灰水泥注漿材料電學(xué)性能方面的研究鮮見報(bào)道，本文以高摻量粉煤灰水泥注漿材料的電學(xué)性能為研究對象，采用無電極電阻率測定儀測定多組分高摻量粉煤灰水泥注漿材料的電阻率，以揭示高摻量粉煤灰水泥注漿材料的早期形成結(jié)構(gòu)特征。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥 采用P.I型硅酸鹽水泥，性能滿足GB8076 -2008附錄A要求，化學(xué)組成見表1，基本性能見表2。

表1 基準(zhǔn)水泥礦物組成及化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 基準(zhǔn)水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

粉煤灰 I級粉煤灰，比表面積461m2/kg，7d和28d活性指數(shù)分別為70%和84%。其他性能滿足GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

速凝劑 所用速凝劑為市售液態(tài)水玻璃，初始模數(shù)為2.4，初始容重為1.82N/m3。

1.2試驗(yàn)方法

水泥是一種具有很強(qiáng)膠凝性質(zhì)的材料，其與水接觸后會立即水化形成水泥漿懸浮體，并且逐漸凝聚和硬化，這個(gè)過程就是水泥水化結(jié)構(gòu)的形成過程[9]。這一過程伴隨著一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，不同離子在孔隙中溶出、運(yùn)移及轉(zhuǎn)化行為，水化產(chǎn)物不斷填充各種孔隙的復(fù)雜過程，水泥漿體的電阻率則與漿體水固比、溶液離子特征(離子濃度類型)、孔隙特征(尺寸、孔隙分布及連通性)等因素有很大的關(guān)系。因此，電阻率方法在水泥水化結(jié)構(gòu)形成及發(fā)展的描述上具有適應(yīng)性和獨(dú)特性。

試驗(yàn)設(shè)備為香港科技大學(xué)研制的無電極電阻率測定儀。該儀器由信號發(fā)生器、信號放大器、信號感應(yīng)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。其測試原理見圖1，首先信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1000Hz的交流電流，當(dāng)在初級線圈上施加一個(gè)電壓時(shí)，在作為變壓器次級線圈的試樣上就會產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形電流，這種環(huán)形電流主要與試樣水化時(shí)的孔隙率和離子濃度有關(guān)，而且可由電流計(jì)即時(shí)捕捉，因此，根據(jù)試樣的幾何尺寸和歐姆定律，就可在線計(jì)算出設(shè)定水化齡期間隔內(nèi)的電阻率。

圖1 無電極電阻率測試原理

電阻率ρ的計(jì)算如式(1)所示，式(1)中各參數(shù)詳見圖2。

(1)

式中，h為試樣高度，mm，在測試時(shí)取不同部位的高度平均值；r1為(104-0.0917h)mm；r2為104mm；r3為141mm ；r4為(141+0.0917h)mm；V為通過試樣環(huán)的輸入電壓；I為通過試樣環(huán)的輸入電流。

圖2 試樣幾何尺寸

該儀器采用非接觸的方法，可消除傳統(tǒng)電極接觸法出現(xiàn)的諸如消除接觸電阻、接觸電容對測量的影響等問題，具有精度高、在線測量、非破損測試、多用途等特點(diǎn)，且通過計(jì)算機(jī)控制和利用精確解析得到的電阻率時(shí)間關(guān)系曲線精度高，重演性好。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

電阻率參數(shù)在水泥基材料已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用，主要運(yùn)用在分析水泥或粉煤灰、硅灰等輔助性膠凝材料及化學(xué)外加劑對早期水化進(jìn)程的影響[10-11]。雖然粉煤灰水泥注漿體系在材料角度上與水泥基材料有著許多相似之處，但其低膠材用量、高用水量的特點(diǎn)與水泥基材料有著很大的不同。因此，本文利用前述的非接觸式電阻率測試儀來分析高摻量粉煤灰水泥注漿材料體系的電學(xué)特征，以期為無損、非破壞評價(jià)其性能打下基礎(chǔ)。

2.1 注漿材料典型電阻率曲線的建立

利用CCR-2型非接觸無電極電阻率測試儀對高摻量粉煤灰水泥注漿材料進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 高摻量粉煤灰水泥的典型電阻率曲線

由圖3可知，電阻率迅速下降最低點(diǎn)到一個(gè)平衡期；第Ⅲ與第Ⅳ階段存在水化產(chǎn)物生成對離子的“接納”需求與水泥水化對離子釋放能力的平衡；在第Ⅴ階段內(nèi)，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，各種水化不斷生成，導(dǎo)致電阻率穩(wěn)步上升。

2.2 注漿材料早期結(jié)構(gòu)特征分析

為了更加清晰地分析注漿材料早期的結(jié)構(gòu)形成特征，根據(jù)水泥的水化特點(diǎn)，結(jié)合不同水固比試樣的電阻率參數(shù)及其發(fā)展趨勢，對圖3的電阻率曲線進(jìn)行微分處理，結(jié)果如圖4至圖7所示。

圖4 水固比0.91注漿材料的早期結(jié)構(gòu)形成分階段電學(xué)特征

圖5 水固比0.77注漿材料的早期結(jié)構(gòu)形成分階段電學(xué)特征

圖6 水固比0.71注漿材料的早期結(jié)構(gòu)形成分階段電學(xué)特征

圖7 水固比0.67注漿材料的早期結(jié)構(gòu)形成分階段電學(xué)特征

根據(jù)圖4至圖7的特征，對注漿材料的早期結(jié)構(gòu)形成特征進(jìn)行分階段建立。

第Ⅰ階段 離子快速溶解期，水泥和水混合，離子大量融入水中，濃度增加，電阻率迅速降低。

第Ⅱ階段 水化加速期，離子濃度達(dá)到一定后開始水化反應(yīng)，消耗溶液離子，并且消耗的速度大于離子增加的速度，電阻率增加且增加速度加快。

第Ⅲ階段 初始結(jié)構(gòu)形成期，離子經(jīng)過反應(yīng)濃度降低，反應(yīng)速度逐漸下降，且粉煤灰和水泥反應(yīng)水化產(chǎn)物逐漸密實(shí)，結(jié)構(gòu)形成，阻礙水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，電阻率增加速度減弱。

第Ⅴ階段 結(jié)構(gòu)發(fā)展期，隨著水化進(jìn)行，多余的水和CaSO4的產(chǎn)生，促進(jìn)剩余的未水化水泥繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，水也逐漸蒸發(fā)在空氣中，電阻率緩慢增加。

3 結(jié)論

(1)采用無電極電阻率測定儀測定了多組分高摻量粉煤灰水泥注漿材料的電阻率，獲得了粉煤灰水泥注漿材料的典型電阻率曲線。電阻率迅速下降最低點(diǎn)到一個(gè)平衡期；第Ⅲ與第Ⅳ階段存在水化產(chǎn)物生成對離子的“接納”需求與水泥水化對離子釋放能力的平衡；在第Ⅴ階段內(nèi)，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，各種水化不斷生成，導(dǎo)致電阻率穩(wěn)步上升。

(2)將高摻量粉煤灰水泥注漿材料早期結(jié)構(gòu)形成按電阻率變化規(guī)律分為了5個(gè)階段，并對不同階段進(jìn)行了電學(xué)的描述，為分析其早期性能的發(fā)展提供了新的方法。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

ElectricalPropertiesofHigh-contentFly-ashandCementGroutingMaterial

ZHANG Gang-yan

(Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Applying non-electrode resistivity meter to measuring electrical resistivity of multi-group high-content fly-ash and cement grunting material, typical electrical resistivity curve of high-content fly-ash and cement grouting material was obtained.Different phrases of its initial structure formation were made electricity description.This is a new method for analyzing initial properties development of high-content fly-ash and cement grouting material.

fly-ash; cement; grouting material; electrical resistivity

2013-12-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.027

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05064)天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部青年創(chuàng)新基金：示蹤注漿材料及其檢測研究(KC-QCX-2012-03)

張剛艷(1975-)，男，湖北鄂州人，副研究員，主要從事“三下”采煤、采空區(qū)治理等方面的研究工作。

張剛艷.高摻量粉煤灰水泥注漿材料電學(xué)性能研究[J].煤礦開采，2014，19(4)：92-94.

TD350.4

A

1006-6225(2014)04-0092-03