廢棄蒸壓砌塊與煤矸石在煤礦采空區(qū)地基加固中的試驗(yàn)研究

任連偉 ，李 波 ，鄒友峰 ，頓志林 ，楊文府

（1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；2.河南省采空區(qū)場(chǎng)地生態(tài)修復(fù)與建設(shè)技術(shù)工程研究中心, 河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；4.山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院有限公司, 山西 晉中 030600）

0 引 言

我國礦產(chǎn)資源豐富且分布范圍廣泛，礦產(chǎn)資源在開采后能給人類社會(huì)帶來巨大利益的同時(shí)，也會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成巨大的危害[1-3]，地下開采后會(huì)出現(xiàn)一定面積的采空區(qū)，上覆巖層和地表將會(huì)產(chǎn)生連續(xù)性的移動(dòng)、變形和非連續(xù)性的破壞，巖層裂隙開始緩慢發(fā)育，這些會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)面積增大，當(dāng)采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定程度后，地層初始的平衡狀態(tài)會(huì)因失穩(wěn)造成嚴(yán)重破壞[4-6]。如地下開采造成的地表沉陷引起的土地破壞、地表建筑物損害、地下水系及生態(tài)環(huán)境破壞等。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入推進(jìn)，城市土地資源日益緊張，在采空區(qū)場(chǎng)地上進(jìn)行工業(yè)建設(shè)已成為不可避免的趨勢(shì)[7]。在采空區(qū)地面建設(shè)建筑物時(shí)，當(dāng)建筑物的自身重量超過地表的承載力時(shí)就會(huì)打破地下空洞上覆巖層相對(duì)應(yīng)力的平衡狀態(tài)，造成已趨于穩(wěn)定的老采空區(qū)的活化，使地下空洞的上覆巖層產(chǎn)生二次移動(dòng)和變形，從而導(dǎo)致地表穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，對(duì)地面建筑物產(chǎn)生安全威脅。因此，要在礦山采空區(qū)場(chǎng)地上進(jìn)行工程活動(dòng)，就必須對(duì)采空區(qū)地基進(jìn)行針對(duì)性的研究和處理。

依據(jù)過去對(duì)煤礦采空區(qū)地基加固治理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，注漿技術(shù)[8-10]是最有效、便捷的治理手段，是一種在煤礦采空區(qū)地基加固處理方面最常用的方法，在國內(nèi)外各類工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。此外注漿技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其主要作用是通過注入漿液對(duì)地下巖土體進(jìn)行充填加固或防滲補(bǔ)漏以防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[11-13]。普通硅酸鹽水泥漿是目前最常用的注漿材料之一[14]，但不同地質(zhì)情況對(duì)注漿材料的要求不盡相同，因此有針對(duì)性地應(yīng)用注漿材料是節(jié)約注漿成本增強(qiáng)注漿效果的必要手段。近年來，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，大量研究人員開始將固體廢物研制為注漿材料， LIN 等[15]將已經(jīng)水化過的廢棄水泥用高溫激發(fā)其活性，并把磷石膏、煙氣脫硫石膏和高純度天然石膏3 種不同石膏分別添入其中生成再生水泥灌漿材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，3 種石膏均延長了漿液的初凝時(shí)間，改善了漿液的流動(dòng)性和力學(xué)性能，適宜用作灌漿材料。PEKRIOGLU[16]研究了摻減水劑和不摻減水劑的大體積粉煤灰水泥懸漿在相對(duì)密度分別為30%、60%、73%和83%的砂土中的滲透性能，該研究表明，大體積粉煤灰懸浮液在含有細(xì)至中等土砂粒的介質(zhì)中是有益的、環(huán)保的、經(jīng)濟(jì)有效的灌漿材料[17]。采用的注漿材料到目前為止有很多種，由于不同地質(zhì)情況對(duì)注漿材料的要求不盡相同，因此應(yīng)有針對(duì)性地應(yīng)用注漿材料以便能在增強(qiáng)注漿效果的同時(shí)節(jié)約注漿成本[18-20]。

煤矸石是煤礦開采后產(chǎn)生的固體廢棄物，在煤矸石場(chǎng)地堆放會(huì)對(duì)空氣和地下水產(chǎn)生危害[21-22]，在早些年一些學(xué)者研究了將煤矸石破碎后與膠凝劑拌和作為注漿材料[23-24]，現(xiàn)如今，煤矸石膏體作為注漿材料已普遍用于我國礦山充填開采中[25-28]。蒸壓加氣混凝土砌塊是以粉煤灰、石灰、水泥、石膏、礦渣等為主要原料，經(jīng)配料攪拌、澆注、靜停、切割和高壓蒸養(yǎng)等工藝過程而制成的一種多孔混凝土制品[29]。在很多工程中，由于不定的因素會(huì)產(chǎn)生一些廢棄的蒸壓加氣混凝土砌塊。筆者將采用煤矸石和廢棄的蒸壓加氣混凝土砌塊2 種材料分別與水泥摻和研制出適用于采空區(qū)地基加固中的注漿漿液。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料處理

試驗(yàn)主要材料廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊（簡(jiǎn)稱WAACB）來自河南理工大學(xué)校內(nèi)廢棄塊體。廢棄煤矸石（Waste Coal Gangue，簡(jiǎn)稱WCG）來自河南省趙固二礦，是采煤過程和選煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。故將2 種材料拿來做本次試驗(yàn)研究的主要材料。廢棄固體材料中的蒸壓加氣混凝土砌塊，廢棄煤矸石如圖1 所示。

圖1 廢棄固體材料Fig.1 Waste solid material

1.1.1 處理流程

廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊強(qiáng)度較低、質(zhì)地均勻、易研磨，處理時(shí)用PE150×250 型顎式破碎機(jī)將其破碎成小塊，然后將破碎后的小塊放入PCZ-180×150 型密封錘石破碎機(jī)加工成粒徑≤6 mm 的粉末，再將粉末放入KER-1/100A 式密封式制樣粉碎機(jī)中進(jìn)行研磨，直到粉末粒徑滿足細(xì)度要求。廢棄煤矸石強(qiáng)度較大，處理時(shí)用PE150×250 型顎式破碎機(jī)將其破碎成小塊，而后將破碎后的小塊放入PCZ-180×150 型密封錘石破碎機(jī)再次破碎粒徑≤16 mm 的粉末，再將粉末放入KER-1/100A 式密封式制樣粉碎機(jī)中進(jìn)行研磨，由于煤矸石的強(qiáng)度大，所以研磨時(shí)長要比廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊多，最終直到粉末粒徑滿足細(xì)度要求。圖2 為廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊和廢棄煤矸石的加工流程。

圖2 廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊和廢棄煤矸石加工流程Fig.2 Flow chart of processing of waste autoclaved aerated concrete blocks and waste gangue

1.1.2 粒徑測(cè)試

測(cè)試粉末的粒徑分布能夠直接反映出粉末的均勻性，不同研磨時(shí)間的粒徑分布能夠直接反映出該粉末的研磨效率。圖3 所示的研磨后的粉末進(jìn)行粒度分級(jí)測(cè)試，采用馬爾文激光粒度儀。

圖3 廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊不同研磨時(shí)間的粒度分級(jí)Fig.3 Particle size classification of waste autoclaved aerated concrete blocks at different grinding times

將廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊研磨時(shí)長為8、10、12 min 的粉末用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行粒度分級(jí)測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如圖3 所示。圖3a 是各個(gè)時(shí)間段的廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末的體積密度曲線，由圖看出研磨后的廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末只有一個(gè)峰值，并且呈現(xiàn)出類似于正態(tài)分布的曲線。說明研磨后的廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末顆粒級(jí)配均勻。圖3b 是各個(gè)時(shí)間段的廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末的體積累積曲線，由圖可以看出隨著研磨時(shí)長的增加，該曲線整體出現(xiàn)左移的趨勢(shì)，說明隨著時(shí)間的增加廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末的粒徑在不斷減小，并且由圖3b 還可看出隨著時(shí)間的增加，研磨效率在不斷的降低。

將廢棄煤矸石研磨時(shí)長為80、100、120 min 的粉末用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行粒度分級(jí)測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如圖4 所示。圖4a 是不同研磨時(shí)間的廢棄煤矸石粉末的體積密度曲線，由圖4a 看出，研磨80 min 時(shí)的煤矸石粉體體積密度曲線左側(cè)出現(xiàn)2 個(gè)小峰，右側(cè)出現(xiàn)1 個(gè)大峰，對(duì)于出現(xiàn)的3 個(gè)峰值說明此時(shí)的廢棄煤矸石粉具有很強(qiáng)的不均勻性。研磨時(shí)長在100 min 和120 min 的時(shí)刻體積密度曲線呈現(xiàn)1小1 大2 個(gè)峰值，且小峰在右側(cè)大峰在左側(cè)，說明隨著時(shí)間的增加廢棄煤矸石粉顆粒的均勻性在提高。圖4b 是各個(gè)時(shí)間段的廢棄煤矸石粉末的體積累積曲線，由圖可以看出研磨時(shí)長在80 min 和100 min時(shí)間段里，煤矸石粉末顆?？焖僮兗?xì)變均勻，而在100 min 到120 min 的時(shí)間段里變化的速度變小，說明隨著時(shí)間的增加，煤矸石粉的研磨效率迅速降低。

圖4 廢棄煤矸石不同研磨時(shí)間的粒度分級(jí)Fig.4 Particle size classification of waste coal gangue at different grinding times

對(duì)比廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊和廢棄煤矸石不同研磨時(shí)間的粒徑分布情況，不難看出來廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末有較強(qiáng)的勻質(zhì)性，并且易磨性強(qiáng)，研磨時(shí)對(duì)能量的消耗量較少；而煤矸石粉由于粗、細(xì)骨料的耐磨性不同，故而其粒徑分布相較于蒸壓加氣混凝土砌塊粉具有較強(qiáng)的不均勻性，并且研磨時(shí)長也遠(yuǎn)高于蒸壓加氣混凝土砌塊粉，研磨過程中會(huì)消耗更多的能量。

1.1.3 試驗(yàn)輔材

試驗(yàn)過程中所用的水泥為焦作市生產(chǎn)的堅(jiān)固牌PO42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其主要的物理性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要物理力學(xué)性能Table 1 Main physical and mechanical properties of cement

1.2 試驗(yàn)方案與方法

根據(jù)《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》（GB 51180—2016），采空區(qū)地基處理注漿充填漿液的水固比一般為1∶1.1～1∶1.3，試驗(yàn)固定水固比為1∶1.3，并設(shè)置純水泥漿液為對(duì)照組。用廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末和廢棄煤矸石粉末分別代替水泥用量，質(zhì)量替代率為50%、60%、70%、80%，用配置好的漿液研究其漿液的黏度、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、析水率、結(jié)石率、流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

1.2.1 黏 度

黏度是能夠體現(xiàn)流體黏滯性大小的的物理量，可以在一定的程度上體現(xiàn)出漿液的流動(dòng)性大小，漿液的流動(dòng)性代表著漿液的可注性，能直接影響漿液的擴(kuò)散半徑，同時(shí)也決定注漿壓力、流量等參數(shù)的確定。漿液的黏度越小表示這漿液的流動(dòng)性越好。該物理量采用 Brookfield DV2T 黏度計(jì)測(cè)量，黏度計(jì)實(shí)物如圖5 所示。

圖5 Brookfield DV2T 黏度計(jì)Fig.5 Brookfield DV2T viscometer

1.2.2 凝結(jié)時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間可以反映出漿液物理性能的指標(biāo)之一，包括了初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。初凝時(shí)間是在漿液配置時(shí)加水開始攪拌起，至漿液開始失去塑性的時(shí)間，考慮到漿液的流動(dòng)性，初凝時(shí)間不能太短；終凝時(shí)間在漿液配置時(shí)加水開始攪拌起，至漿液完全的失去了塑性并且開始產(chǎn)生強(qiáng)度的時(shí)間，從工程進(jìn)度方面考慮，漿液的終凝時(shí)間不能太長。測(cè)量凝結(jié)時(shí)間的方法參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T 1346—2011），試驗(yàn)儀器采用維卡儀測(cè)量。圖6 為凝結(jié)時(shí)間測(cè)試儀器。

圖6 凝結(jié)時(shí)間測(cè)試儀器Fig.6 Condensation time test instrument

1.2.3 析水率和結(jié)石率

析水率是指待測(cè)漿液在靜止?fàn)顟B(tài)下因固體顆粒沉降作用導(dǎo)致析出水的比率。漿液的析水率越高，代表漿液越不穩(wěn)定，會(huì)嚴(yán)重影響到漿液的注漿效果，故析水率是評(píng)判漿液的一個(gè)重要指標(biāo)。測(cè)量析水率時(shí)當(dāng)清水體積穩(wěn)定不再有水析出，此時(shí)清水的體積與原漿液的體積比值即為漿液的析水率。

結(jié)石率是指漿液固結(jié)后的體積與原漿液的體積比值。結(jié)石率高的漿液在充填采空區(qū)地基中的空隙、裂隙和空洞可以發(fā)揮很好的效果。要想使采空區(qū)地基充填的效果好，通常要求漿液的結(jié)石率不小于80%。圖7 為漿液析水率和結(jié)石率的測(cè)試。

圖7 析水率和結(jié)石率測(cè)試Fig.7 Water analysis rate and stone rate

1.2.4 抗壓強(qiáng)度

采空區(qū)地基注漿充填對(duì)漿液的強(qiáng)度要求不是太高，根據(jù)《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物 地基處理技術(shù)規(guī)范》（GB 51180—2016），在注漿設(shè)計(jì)中，對(duì)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)的試件單軸抗壓強(qiáng)度不小于2 MPa 即可。本次試驗(yàn)采用如圖8 所示的邊長70.7 mm 的三聯(lián)試模澆筑試塊。

圖8 三聯(lián)試模澆筑試塊Fig.8 Triplet mold casting test block

在試塊到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期后，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)試件的尺寸后，使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。單個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度按照式（1）進(jìn)行計(jì)算。圖9 為測(cè)試工具和儀器。

圖9 測(cè)試工具和儀器Fig.9 Test tools and instruments

式中：fm,cu為試件的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；NU為試件破壞荷載，N；A為試件承壓面積，mm2；K為換算系數(shù)，取1.35。

1.2.5 流動(dòng)性

流動(dòng)性表征在注漿過程中的漿液可注性，直接影響漿液的擴(kuò)散半徑，同時(shí)也決定著注漿壓力、流量等參數(shù)的確定。漿液的流動(dòng)性用?36 mm×60 mm×60 mm 的截錐圓模進(jìn)行測(cè)試，將玻璃板放置在水平位置，用濕布將玻璃板，截錐圓模，攪拌器及攪拌鍋均勻擦過，使其表面濕而不帶水漬，將拌好的凈漿迅速注入截錐圓模內(nèi)，用刮刀刮平，將截錐圓模按垂直方面提起，同時(shí)開啟秒表計(jì)時(shí)，任水泥凈漿在玻璃板上流動(dòng)，至30 s，用直尺量取流淌部分互相垂直的兩個(gè)方向的最大直徑，取平均值作為水泥凈漿流動(dòng)度。圖10 為截錐圓模。

圖10 截錐圓模Fig.10 Truncated cone dies

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)照組純水泥漿的每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，由表可知純水泥漿液的抗壓強(qiáng)度高、可注性和流動(dòng)性良好，但是析水率高、結(jié)石率低，不利于作采空區(qū)地基注漿的充填漿液。根據(jù)采空區(qū)地基注漿充填機(jī)理，要求新配置的漿液在保證流動(dòng)性和可注性滿足要求的前提下，在一定程度上要降低抗壓強(qiáng)度、降低析水率、提高結(jié)石率、延長凝結(jié)時(shí)間。

表3 對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of control group

2.1 WAACBP-水泥漿液性能分析

2.1.1 黏 度

漿液的黏度是衡量漿液黏滯性大小一個(gè)物理量，也可以反映漿液的可注性與流動(dòng)性，圖11 為不同WAACBP 摻量下對(duì)漿液的黏度影響。通過圖中可以看出無論WAACBP 對(duì)水泥的替代率是多少，漿液的黏度值和純水泥漿的黏度相近，說明WAACBP 的摻入對(duì)漿液的可注性和流動(dòng)性基本沒有影響，因純水泥漿的黏度值符合采空區(qū)地基注漿效果，所以WAACBP-水泥漿液的黏度值不作為選取最優(yōu)配比的指標(biāo)。

圖11 不同水泥替代率下的黏度Fig.11 Viscosity at different substitution rates

2.1.2 凝結(jié)時(shí)間

不同組配比漿液的凝結(jié)時(shí)間如圖12 所示，由圖12可以看出當(dāng)水泥替代率為50%時(shí)，漿液的凝結(jié)時(shí)間與對(duì)照組的凝結(jié)時(shí)間相比略微減小，隨著替代率的增加后，漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都在持續(xù)的增加，特別是當(dāng)水泥替代率為80%時(shí)，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間變化幅度最大。圖中還體現(xiàn)出當(dāng)水泥替代率增加時(shí)，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的間隔也在增加，尤其是在水泥替代率為70%和80%的時(shí)候，終凝時(shí)間超過初凝時(shí)間接近2 倍以上，這是由于水泥的量大幅度減少，從而急劇降低漿液的水化速度和水化能力，當(dāng)水泥的用量減少后，漿液產(chǎn)生強(qiáng)度的時(shí)間明顯增大，所以漿液的凝結(jié)速度才變得緩慢。

圖12 不同水泥替代率下的凝結(jié)時(shí)間Fig.12 Setting times for different substitution rates

2.1.3 析水率和結(jié)石率

不同水泥替代率下的漿液析水率和結(jié)石率變化規(guī)律如圖13 所示，由圖13 可以看出隨著水泥的替代率增加，漿液的析水率在逐漸的降低，結(jié)石率在逐漸的升高，說明廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末的摻入會(huì)提高漿液的穩(wěn)定性，同時(shí)因結(jié)石率的升高也會(huì)使采空區(qū)地基注漿效果變得更佳。除了這個(gè)規(guī)律外，通過圖中還可以得出同一組配比的漿液析水率和結(jié)石率加和等于1，這表明凝固的試件在它養(yǎng)護(hù)的階段幾乎不會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹和收縮。

圖13 不同替代率下的析水率和結(jié)石率Fig.13 Water evolution rate and stone rate at different replacement rates

2.1.4 抗壓強(qiáng)度

不同組配比的漿液制成的試件每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖14 所示，通過圖14 中可以看出，試件的養(yǎng)護(hù)齡期增加時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之增大，用部分廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末代替水泥時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度與對(duì)照組相比會(huì)急劇的下降，并且隨著替代率的增加，每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的試件所測(cè)的抗壓強(qiáng)度都在不斷地降低，這是因?yàn)楫?dāng)水泥的用量減少后，試件中產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)也會(huì)隨之減少，而研磨后的廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊粉末活性沒有水泥的活性高，很難對(duì)后期的試件強(qiáng)度作出補(bǔ)充，所以各個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期期間試件的抗壓強(qiáng)度均在降低，但從28 d 養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度考慮，只有替代率為50%和60%的抗壓強(qiáng)度大于2 MPa，符合采空區(qū)地基注漿的強(qiáng)度指標(biāo)。

圖14 不同水泥替代率下各個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度Fig.14 Tower strength of each age at different replacement rates

2.1.5 流動(dòng)性

流動(dòng)性表征在注漿過程中的漿液可注性，可以直接影響漿液的擴(kuò)散半徑，同時(shí)也決定著注漿壓力、流量等參數(shù)的確定，圖15 表示的是漿液的擴(kuò)散半徑。由圖中試驗(yàn)結(jié)果可以看出隨著水泥替代率的增大，漿液的擴(kuò)散半徑在減小，但減小的數(shù)值并不是很大，而且在水泥替代率為80%時(shí)漿液的擴(kuò)散半徑與對(duì)照組的擴(kuò)散半徑接近相同。在2.1.1 節(jié)中黏度指標(biāo)同樣也反映出隨著替代率的增加，漿液的可注性與流動(dòng)性與對(duì)照組相比均符合采空區(qū)地基注漿的最適宜的效果。

圖15 不同水泥替代率下的擴(kuò)散半徑Fig.15 Diffusion radius at different substitution rates

對(duì)上述WAACBP-水泥漿液的析水率、結(jié)石率、黏度、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的眾多結(jié)果分析，每組漿液與對(duì)照組純水泥漿液相比，從析水率低、結(jié)石率高、黏度相接近、凝結(jié)時(shí)間增加、流動(dòng)性增加來說，各組漿液均可作為采空區(qū)地基注漿的漿液，但是因采空區(qū)地基注漿的要求是漿液28 d 抗壓強(qiáng)度要大于2 MPa, 所以對(duì)于WAACBP-水泥漿液只能選擇替代率是50%，60%的配比，從經(jīng)濟(jì)角度分析，由于廢棄蒸壓加氣混凝土砌塊的造價(jià)肯定比水泥的低，所以選擇替代率為60%的配比作為采空區(qū)地基注漿的漿液最為合適。

2.2 WCGP-水泥漿液性能分析

2.2.1 黏 度

圖16 表示了不同替代率下的漿液黏度變化規(guī)律。由圖16 可以看出，當(dāng)水泥被煤矸石粉末代替后，漿液中的膠凝物質(zhì)變少，黏度減小，可注性變好。除此以外還能通過圖中信息看出，隨著煤矸石粉末的增加，水泥用量的減少，漿液的黏度也會(huì)隨之降低，且與對(duì)照組相比，黏度降低很多，證明漿液在采空區(qū)地基注漿充填指標(biāo)中可注性很好。

圖16 不同水泥替代率下黏度Fig.16 Viscosity at different substitution rates

2.2.2 凝結(jié)時(shí)間

不同摻量的廢棄煤矸石粉末代替水泥用量下的漿液凝結(jié)時(shí)間以及與上一種WAACBP-水泥漿液的初終凝時(shí)間增長率變化如圖17 所示。由圖17a 可以看出部分水泥被廢棄煤矸石粉末代替制成的漿液其凝結(jié)時(shí)間明顯延長，并且隨著煤矸石粉末量的增加，漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均在不斷延長。由圖17b 可以看出，在替代率為50%、60%、70%時(shí)的初凝時(shí)間增長率接近正比關(guān)系，當(dāng)替代率達(dá)到80%時(shí)初凝時(shí)間急劇增加。而終凝時(shí)間的增長率是在替代率超過60%以后出現(xiàn)了迅速的增大。

圖17 不同水泥替代率下凝結(jié)時(shí)間和增長率Fig.17 Setting time and growth rate at different substitution rates

2.2.3 析水率和結(jié)石率

不同煤矸石粉末代替水泥用量下漿液的析水率和結(jié)石率變化規(guī)律如圖18 所示，通過圖18 中變化率可以看出在相同的替代率時(shí)析水率和結(jié)石率之和等于1，說明漿液在析水結(jié)束后，在凝結(jié)和養(yǎng)護(hù)階段不會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹和收縮變化。另外漿液的析水率隨著替代率的增加而逐漸升高，結(jié)石率逐漸降低，說明煤矸石粉末的摻量越高，漿液的穩(wěn)定性和充填效果越差。煤矸石粉末顆粒的結(jié)構(gòu)致密，幾乎沒有吸水性，而且煤矸石粉末不會(huì)像水泥一樣迅速水化，因此當(dāng)煤矸石粉末摻量越多，漿液中的自由水變得更多，從而使?jié){液的析水率變高，結(jié)石率降低。在圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥替代率為50%和60%的時(shí)候，漿液的析水率均低于對(duì)照組的析水率，結(jié)石率均大于純水泥漿液的結(jié)石率，而替代率為70%和80%時(shí)，對(duì)比對(duì)照組的析水率和結(jié)石率，漿液的析水率太高，結(jié)石率太低。這很可能是因?yàn)楫?dāng)水泥的摻量減少，漿液中所含的水泥顆粒比較分散，水與水泥能夠快速地充分反應(yīng)，從而會(huì)讓漿液中的自由水減少，析水率降低；但是當(dāng)水泥的摻量變得越來越少，這時(shí)替代率對(duì)于析水率的影響遠(yuǎn)大于水泥水化的影響，所以漿液的析水率在不斷地增加，結(jié)石率在不斷地減少。

圖18 不同水泥替代率下析水率和結(jié)石率Fig.18 Water evolution rate and stone rate at different replacement rates

2.2.4 抗壓強(qiáng)度

不同組配比下，每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖19 所示。通過圖中可以看出，隨著每個(gè)試件的養(yǎng)護(hù)齡期變長，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸上升。當(dāng)部分水泥被煤矸石粉末代替時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度明顯降低，并且隨著替代率的增加，每一階段試件養(yǎng)護(hù)期的抗壓強(qiáng)度隨之降低。這是因?yàn)樘娲试黾雍笏嗟挠昧棵黠@減少，漿液中產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)減少，雖然研磨后的煤矸石粉末具有活性，但是如果作為膠凝材料的話，膠凝效果明顯不如水泥的好，所以用煤矸石粉末代替水泥用量時(shí)，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著替代率的增加而逐漸降低。

圖19 不同水泥替代率各個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度Fig.19 Tower strength of each age at different replacement rates

2.2.5 流動(dòng)性

煤矸石粉末和水泥在不同組配比下的漿液擴(kuò)散半徑規(guī)律如圖20 所示。通過圖20 中可以看出，隨著煤矸石粉末的增加，水泥用量的減少，漿液的擴(kuò)散半徑呈現(xiàn)急劇增大的趨勢(shì)。這很有可能與黏度變化機(jī)理相對(duì)應(yīng)，由于水泥用量的減少，漿液中的膠凝物質(zhì)減少，以至于漿液的黏度很低，它的擴(kuò)散半徑就會(huì)變得很大，流動(dòng)性變得很好。

圖20 不同水泥替代率下擴(kuò)散半徑Fig.20 Diffusion radius at different substitution rates

對(duì)上述WCGP-水泥漿液的析水率、結(jié)石率、黏度、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的眾多結(jié)果分析，每組漿液與對(duì)照組純水泥漿液相比，從黏度降低凝結(jié)時(shí)間增加、流動(dòng)性增加來說，各組漿液均可作為采空區(qū)地基注漿的漿液，但是在析水率和結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度的角度考慮替代率為70%和80%時(shí)，析水率比對(duì)照組的高，結(jié)石率比對(duì)照組的低，不符合要求；采空區(qū)地基注漿的要求是漿液28 d 抗壓強(qiáng)度要大于2 MPa，替代率為80%的漿液抗壓強(qiáng)度不符合要求,所以對(duì)于WCGP-水泥漿液只能選擇替代率是50%，60%的配比，從經(jīng)濟(jì)角度分析，由于廢棄煤矸石的造價(jià)肯定比水泥的低，所以選擇替代率為60%的配比作為采空區(qū)地基注漿的漿液最為合適。

3 討 論

既往很多學(xué)者對(duì)煤礦采空區(qū)地基加固方面做了很多的試驗(yàn)研究，選擇了不同的注漿材料，例如粉煤灰-水泥漿液、廢棄混凝土-水泥漿液、廢棄磚粉-水泥漿液等。本次試驗(yàn)研究的原材料主要是廢棄的固體材料加水泥制成的漿液，因此選擇與廢棄混凝土-水泥漿液[30]和廢棄磚粉-水泥漿液[31]進(jìn)行對(duì)比分析，如圖21 所示。

圖21 漿液性能對(duì)比分析Fig.21 Comparative analysis of slurry properties

根據(jù)廢棄混凝土粉-水泥漿液中顯示的最優(yōu)配比是70%混凝土粉替代率加0.05%減水劑的漿液(WCP70WR0.05)，對(duì)其黏度、析水率、結(jié)石率和抗壓強(qiáng)度與本文的2 種材料進(jìn)行對(duì)比。60%水泥替代率的WAACBP-水泥漿液與廢棄混凝土粉-水泥漿液相比，黏度值相似，析水率降低了14.3%，結(jié)石率高出1.9%，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間減少了25.2%和30.2%，28 d 抗壓強(qiáng)度增加了28%。與廢棄磚粉-水泥漿液的兩組最優(yōu)配比磚粉替代率70%膨潤土10%減水劑0.15%(WBP70B10WR0.15)和磚粉替代率65%膨潤土15%減水劑0.35%(WBP65B15WR0.35)對(duì)比，黏度值接近相似，兩組配比的析水率均降低約54.4%，結(jié)石率提高了接近4.1%，抗壓強(qiáng)度提高了39.1%和14.3%，初終凝結(jié)時(shí)間比兩組配比大幅度的降低但其初凝時(shí)間符合采空區(qū)注漿材料的指標(biāo)。結(jié)合以上數(shù)據(jù)表明60%替代率的WAACBP-水泥漿液更適宜用于采空區(qū)地基加固注漿材料。

60%的WCGP-水泥漿液與上述3 種漿液進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析得知，其析水率增加，結(jié)石率降低，黏度值相近，凝結(jié)時(shí)間減少，抗壓強(qiáng)度提高。雖然在這些指標(biāo)中WCGP-水泥漿液的性能沒有上述3 種漿液的效果好，但是WCGP 漿液的每個(gè)指標(biāo)均符合煤礦采空區(qū)地基注漿材料的要求。在施工地點(diǎn)取材方面，煤矸石主要來自煤礦作業(yè)中的產(chǎn)物，比廢棄混凝土和廢棄磚取材方便。從綠色環(huán)保角度分析煤矸石有很大的危害，包括自燃危害、對(duì)生態(tài)環(huán)境及土地的破壞、煤矸石淋溶水污染和地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合煤矸石的危害遠(yuǎn)大于廢棄混凝土和廢棄磚的危害以及結(jié)合施工地點(diǎn)取材方面考慮，WCGP-水泥漿液比上述3種注漿漿液更適合作為煤礦采空區(qū)地基加固的注漿漿液。

4 結(jié) 論

1) WAACBP-水泥漿液在考慮采空區(qū)地基結(jié)石體抗壓強(qiáng)度要求下，選擇50%、60%的質(zhì)量替代率下的漿液。再從經(jīng)濟(jì)方面考慮優(yōu)先選擇質(zhì)量比WAACGP：水泥為6∶4 的配比方案。

2) WCGP-水泥漿液在考慮采空區(qū)地基注漿的析水率和結(jié)石率情況下，可以選擇50%、60%和70%的質(zhì)量替代率的漿液，但在結(jié)石體抗壓強(qiáng)度要求下，選擇50%、60%的質(zhì)量替代率下的漿液。再從經(jīng)濟(jì)方面考慮優(yōu)先選擇質(zhì)量比WCGP:水泥為6∶4的配比方案。

3) 對(duì)比兩種材料質(zhì)量比為6∶4 的配比方案，WCGP-水泥漿液在抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)性方面均比WAACBP-水泥漿液高，在析水率和結(jié)石率方面兩種材料漿液均符合采空區(qū)地基注漿的可注性好和結(jié)石率高的要求。在研磨2 種粉末過程中雖然煤矸石比蒸壓加氣混凝土砌塊更加地耗費(fèi)能量但是從綠色環(huán)保角度考慮，煤矸石比蒸壓加氣混凝土更需要被處理，所以，在兩種漿液之間應(yīng)優(yōu)選WCGP-水泥漿液作為采空區(qū)地基加固的注漿漿液。