煤矸石-粉煤灰-水泥基煤田含水層注漿材料性能實(shí)驗(yàn)研究

李秋英 吳昊澤 董辰光 張 晨

（1.山東省水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站， 山東 德州 253000；2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

21 世紀(jì)是地下工程的世紀(jì)，隨著地下工程規(guī)模的增大，地下災(zāi)害的規(guī)模也隨之上升，注漿工程廣泛地應(yīng)用于各類地下災(zāi)害的治理，具有施工簡便，加固效果見效快的優(yōu)點(diǎn)。煤矸石是煤礦在建井、開拓掘進(jìn)、采煤或洗選過程中排放出的固體廢棄物的總稱[1-2]。煤矸石一般石化程度較高，含有機(jī)質(zhì)較低，可作為低熱量值燃料和建筑材料加以利用，一般占原煤產(chǎn)量的10%～20%[3-5]。粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，由于粉煤灰的滾珠效應(yīng)、微集料效應(yīng)與火山灰效應(yīng)，粉煤灰作為摻合料被廣泛地應(yīng)用于混凝土的制作中[6-8]。

目前已有一些學(xué)者對粉煤灰及煤矸石在水泥類材料中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。其中，潘永燦等人對粉煤灰在海工結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究，并提出在混凝土中摻加一定量的粉煤灰可以提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能與抗凍性能[9]；張金喜等人將煤矸石作為細(xì)集料摻入混凝土中，發(fā)現(xiàn)一定量煤矸石的摻入并沒有明顯的降低其耐久性與抗?jié)B性能，并提出了使用煤矸石作為細(xì)集料的幾個(gè)關(guān)鍵條件[10]。但未有學(xué)者研究粉煤灰和煤矸石復(fù)合對注漿材料的影響，為降低礦區(qū)注漿材料生產(chǎn)成本，方便礦區(qū)就地消化煤矸石，并發(fā)揮固廢的協(xié)同作用，本文對大摻量煤矸石-粉煤灰注漿材料進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，力求以最合理的方式最大程度的利用煤矸石與粉煤灰。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

所用天然煤矸石是在邱集煤礦矸石山中隨機(jī)取樣。矸石測試的密度為1.76g/cm3，呈棕黑色。煤矸石具有以下特點(diǎn)：①硅含量高，SiO2的含量在59%左右，CaO 含量較低，活性較低；②鋁含量高，Al2O3含量高達(dá)17%以上，說明煤矸石組分較為穩(wěn)定；③堿度低，煤矸石(CaO+MgO+K2O+Na2O)/(SiO2+P2O5）較低，屬低堿度礦物。

粉煤灰來自濟(jì)寧發(fā)電廠，密度為1.53g/cm3，含水量為0.87%。原材料化學(xué)組成如表1 所示。

表1 原材料化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)步驟參考《GB175-2007 通用硅酸鹽水泥》、GB/T 1345-2005《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法篩析法》、《GB T 176-2008 水泥化學(xué)分析方法》、《GB/T2419-2005 水泥膠砂流動(dòng)度測定》、《GB/T 17671-1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》等。實(shí)驗(yàn)具體過程如下：

流動(dòng)度：注漿材料流動(dòng)度采用計(jì)時(shí)測量漿液擴(kuò)散直接表示，借鑒建材GB∕T2419-2005 水泥膠砂流動(dòng)度測定標(biāo)準(zhǔn)。選用L=600mm 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抹平。緩慢提起試模并同時(shí)開始計(jì)時(shí)，在30s 時(shí)從三個(gè)不同方向記錄下漿液擴(kuò)散開度，求其平均值即為漿液的有效擴(kuò)散開度。流動(dòng)度是在室溫25℃條件下進(jìn)行測試的。

析水率：采用靜置方法，測試漿液在重力作用下的析水率。漿液配置過程中先采用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌2min，再采用250mL 的塑料量筒進(jìn)行漿液靜置析水實(shí)驗(yàn)，靜置時(shí)間為2h。

凝結(jié)時(shí)間：試件養(yǎng)護(hù)30 分鐘時(shí)進(jìn)行第一次測定，將試件放到試針下，使試針與漿液表面接觸。擰緊螺絲1s～2s 后，突然放松，試針沉至底板4±1mm 時(shí)，水泥達(dá)到初凝狀態(tài)。在完成初凝時(shí)間測定后，立即將試模連同漿體以平移的方式從玻璃板上取下，翻轉(zhuǎn)180°，直徑大端向上，小端向下放在玻璃板上，再放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，臨近終凝時(shí)間時(shí)，每隔15 分鐘測定一次，當(dāng)試針沉至試體0.5mm 時(shí)，即環(huán)形附件開始不能在試體上留下痕跡時(shí)，為漿液達(dá)到終凝狀態(tài)。

抗壓強(qiáng)度：借鑒水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)國標(biāo)GB/T17671-1999，對本項(xiàng)目材料結(jié)石體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

1.3 配合比

本實(shí)驗(yàn)的水泥基注漿材料成型配比如表2 所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同粉煤灰、煤矸石摻量以及粉煤灰和煤矸石復(fù)摻對注漿材料影響，其中煤矸石和粉煤灰的摻量為20%-80%，水灰比為1:1。

表2 水泥基注漿材料成型配比

2 結(jié)果及討論

2.1 流動(dòng)性

流動(dòng)度體現(xiàn)了注漿材料擴(kuò)散性能，是漿液和易性重要衡量參數(shù)，現(xiàn)場施工要求漿液具有良好流動(dòng)度與和易性，不易離析分層。不同配比注漿材料流動(dòng)度測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 流動(dòng)度測試結(jié)果

圖1 是不同配合比注漿材料的流動(dòng)度，漿液水灰比為1:1，由圖1 中1#～7#可知，隨著水泥-煤矸石體系中，矸石含量增大，流動(dòng)度降低，這預(yù)示著實(shí)際注漿工程中煤矸石含量過多漿液流動(dòng)性降低，可能易導(dǎo)致堵管現(xiàn)象；結(jié)合圖1 中1#～7#與8#～14#可知，摻入粉煤灰相對于相同摻量的煤矸石的流動(dòng)度高，粉煤灰能夠提高漿液流動(dòng)性，但隨著粉煤灰摻量的增加，注漿材料的流動(dòng)度也不斷減小，這是因?yàn)槊旱V的注漿量大，未降低成本使用的粉煤灰并不是傳統(tǒng)球狀的粉煤灰；由圖1中15#～24#可知，煤矸石和粉煤灰協(xié)同能夠確保漿液流動(dòng)度保持在較高水平，且復(fù)摻時(shí)水泥的用量低，最高僅為40%。18#、19#、20#、23#、24#具有良好的漿液流動(dòng)度，但煤矸石摻入量超過45%后較明顯地降低復(fù)合體系漿液的流動(dòng)性能。由于煤矸石較細(xì)，并且顆粒棱角多，加入煤矸石顯著的降低注漿材料的流動(dòng)度，不利于注漿材料的長距離泵送，粉煤灰由于密度小，對于注漿材料的流動(dòng)較小，兩者協(xié)同可以改善煤矸石對流動(dòng)度的影響。

2.2 漿液析水率

注漿材料漿液的析水率是注漿工程中重要的性能參數(shù)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(chǎn)生離析現(xiàn)象，變稠后膏體極易形成相互接觸粘結(jié)狀態(tài)，引起管道堵塞事故。因此，須對漿液析水率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，以選擇穩(wěn)定性良好的配比。此外，如果漿液析水率比較嚴(yán)重，一方面會影響工作面環(huán)境，另一方面會造成漿液充填不密實(shí)，影響注漿加固效果。粉煤灰和煤矸石對漿液析水率與結(jié)石率的影響（水灰比1:1）如圖2 所示。

圖2 析水率與結(jié)石率測試結(jié)果分析（水灰比1:1）

如圖2 所示，煤矸石由于顆粒較細(xì)，具有一定的吸水性，摻入煤矸石后體系種的自由水減少，漿液的泌水率降低，同時(shí)漿液的結(jié)石率增加，利于灰?guī)r充填封堵加固，但需注意煤矸石粉對流動(dòng)性不利，易產(chǎn)生堵管現(xiàn)象；粉煤灰加入后漿液泌水率較大，導(dǎo)致結(jié)石率較低。 16#、18#、21#、24#漿液析水率較低、結(jié)石率較高，說明煤矸石粉與粉煤灰協(xié)同后，能夠保證較低的泌水率與較高的結(jié)石率，可以滿足像灰?guī)r含水層這樣特殊地層的注漿改造工程需求。

2.3 凝結(jié)時(shí)間

注漿材料初、終凝時(shí)間決定了注漿材料可操作性與可泵性，很大程度影響了注漿工藝選擇，同時(shí)也一定程度決定了注漿擴(kuò)散范圍。

表3 注漿材料初凝及終凝時(shí)間測試結(jié)果

如表3 所示，選取典型煤矸石（50%、60%）加入量進(jìn)行初凝、終凝的測試。不同水灰比1:1 條件下，初、終凝時(shí)間隨著不同組分變化而變化，加入粉煤灰的凝結(jié)時(shí)間最長，說明粉煤灰最不利于漿液凝結(jié)，其次是煤矸石，考慮煤矸石的加入有利于漿液結(jié)石，煤矸石對漿液凝結(jié)時(shí)間降低程度比粉煤灰低，而16#、21#水泥-煤矸石-粉煤灰復(fù)摻的初凝、終凝能夠滿足對凝結(jié)時(shí)間的要求，粉煤灰和煤矸石復(fù)摻可以改善粉煤灰對于凝結(jié)時(shí)間不利的影響。

2.4 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度

6#、7#、13#、14#、17#、21#、22#、23#成型后放入水中養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生崩解，未能有效在水中成塊，崩解的組分如表4 所示。

表4 水泥基注漿材料成型配比

水中崩解的試塊說明漿液早期強(qiáng)度較低或不適用于富水環(huán)境，當(dāng)煤矸石、粉煤灰分別超過70%時(shí)，結(jié)石體早期強(qiáng)度較低或不適用于富水環(huán)境；復(fù)摻時(shí)，矸石超過50%或粉煤灰+矸石超過70%時(shí)，結(jié)石體早期強(qiáng)度較低或不適用于早期富水環(huán)境。其余試塊的的強(qiáng)度如圖3 所示。

圖3 抗壓強(qiáng)度隨各組分的變化圖

煤矸石對于結(jié)石體強(qiáng)度的影響較小，7d 結(jié)石體的強(qiáng)度穩(wěn)定在2.7MPa 左右，1～4#的7 天強(qiáng)度總體超過2.5MPa。在粉煤灰小摻量結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度較大8#、9#試塊強(qiáng)度最高，對應(yīng)組分為20%-30%粉煤灰的試樣，但粉煤灰摻量增加時(shí)強(qiáng)度降低明顯，不利于通過大摻量粉煤灰降低注漿材料成本，單摻20%～50%粉煤灰時(shí)，結(jié)石體7 天強(qiáng)度大于2MPa；當(dāng)進(jìn)行大量復(fù)摻時(shí)，24#、16#、20#的7 天強(qiáng)度分別大于3.5MPa，此時(shí)結(jié)石體的強(qiáng)度較為穩(wěn)定，且水泥用量低，強(qiáng)度高于相同水泥摻量下單摻粉煤灰和煤矸石的強(qiáng)度。因此，40%水泥+30%矸石+30%粉煤灰、30%水泥+50%矸石+20%粉煤灰、20%水泥+30%矸石+50%粉煤灰具有較高的強(qiáng)度，且水泥的用量較大，可明顯降低注漿材料成本。

2.5 結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)對不同煤矸石摻量漿液結(jié)石體水化7d 的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試， 4#（50%煤矸石）、5#（60%煤矸石）SEM 分別如圖4.1-4.4 所示。

圖4 50%水泥+50%矸石7d 結(jié)石體SEM 圖

圖5 40%水泥+60%矸石7d 結(jié)石體SEM 圖

圖6 50%水泥+50%粉煤灰7d 結(jié)石體SEM 圖

圖7 40%水泥+60%粉煤灰7d 結(jié)石體SEM 圖

圖9 20%水泥+30%矸石+50%粉煤灰

圖10 40%水泥+30%矸石+30%粉煤灰

如圖4、5 所示所示，隨著煤矸石摻量增多，漿液結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)致密度顯著降低，這也驗(yàn)證了圖3 中結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨著矸石量增大強(qiáng)度降低的測試結(jié)果。由于所測樣品為水化7d 結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)，SEM 結(jié)果表明，煤矸石相應(yīng)礦物未進(jìn)行有效水化。圖6、7 分別為粉煤灰摻量50%、60%所對應(yīng)的結(jié)石體7d 微觀結(jié)構(gòu)。如圖6、7 所示，隨著粉煤灰摻量增多，漿液結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)致密度顯著降低，這也驗(yàn)證了圖3 中結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰增大強(qiáng)度降低的測試結(jié)果。

圖9、10 是粉煤灰和煤矸石復(fù)摻結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)，從SEM 圖中可以看出在水泥摻量為40%時(shí)粉煤灰和煤矸石復(fù)摻明顯由于單摻，這可能時(shí)粉煤灰和煤矸石復(fù)摻豐富了注漿材料的粒度組成，改善了漿液的性能，提高了結(jié)石體的密實(shí)度；即使在水泥摻量為20%時(shí)，30%矸石和50%粉煤灰復(fù)摻結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)也較為致密，這說明在水泥摻量較低時(shí)，通過粉煤灰和煤矸石的復(fù)摻也可以得到較好的性能。

3 結(jié)語

（1）煤矸石能夠一定程度降低漿液流動(dòng)性，降低漿液泌水率；粉煤灰粉煤灰加入能夠提高漿液流動(dòng)性，但不宜加入過多，防止泌水率過大；水泥-煤矸石-粉煤灰復(fù)摻時(shí)，煤矸石加入量超過45%后能較明顯地降低水泥-煤矸石-粉煤灰復(fù)合體系漿液的流動(dòng)性能。加入大量粉煤灰的凝結(jié)時(shí)間最長，說明粉煤灰最不利于漿液凝結(jié)，其次是煤矸石；16#、21#水泥-煤矸石-粉煤灰復(fù)摻的初凝、終凝能夠滿足對凝結(jié)時(shí)間的要求。

（2）當(dāng)煤矸石、粉煤灰分別超過70%時(shí)，結(jié)石體早期強(qiáng)度較低或不適用于富水環(huán)境；復(fù)摻時(shí)，矸石超過50%或粉煤灰+矸石超過70%時(shí)，結(jié)石體早期強(qiáng)度較低且不適用于早期富水環(huán)境。單摻20%～60%煤矸石、單摻20%～50%粉煤灰時(shí)，結(jié)石體7 天強(qiáng)度大于2MPa；從強(qiáng)度角度出發(fā)，24#、16#、20#的7 天強(qiáng)度分別大于1MPa，采用40%水泥+30%矸石+30%粉煤灰、30%水泥+50%矸石+20%粉煤灰、20%水泥+30%矸石+50%粉煤灰組分強(qiáng)度較好。

（3） 粉煤灰雖能夠較大降低含水層注漿改造成本，但隨著其加入量的增大，其負(fù)面影響也變得非常明顯；工程應(yīng)用時(shí)，亦可嘗試用其他固廢與粉煤灰共用（黏土、赤泥等），以確保注漿效果同時(shí)，較顯著降低注漿工程成本。