粉煤灰水泥注浆材料主要性能试验研究

邹友平，张华兴，张刚艳，崔 锋

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

粉煤灰水泥注浆材料主要性能试验研究

邹友平1，2，张华兴1，2，张刚艳2，崔 锋2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

粉煤灰水泥注浆材料在采空区治理方面应用广泛，其主要性能直接关系到注浆充填实施和效果。通过室内试验，探讨了不同水固比、固相比、水玻璃掺量与浆液黏度、浆液初凝时间、浆液结石率、浆液结石体抗压强度之间的相互关系。试验表明，水固比1∶1.2～1∶1.5、固相比3∶7、水玻璃占水泥含量2%或3%情况下，注浆体凝结后，结石率均在75%以上，7d单轴抗压强度均在2MPa以上，满足工程需要。

粉煤灰;注浆材料;黏度;结石率;凝结时间;抗压强度

目前注浆技术在煤矿采空区处理、矿井防治水、路基处理等工程中得到了广泛应用［1－4］。注浆材料作为注浆技术的关键环节之一，其性能好坏直接影响工程的质量，因此，研究具有良好工作性能的注浆材料有着重要的意义。水泥粉煤灰浆液较单液水泥浆成本低、流动性及稳定性较好、结石率高，适合于充填注浆。有必要对粉煤灰水泥注浆材料主要性能进行较为深入的试验研究［5］。

1 试验原料和方法

1.1 试验原料

试验用PC32.5复合硅酸盐水泥，粉煤灰为当地电厂提供。水玻璃为一般市场销售产品，液态，模数为3.2，质量浓度为40°Be'。依据GB/T1596－2005(用于水泥和混凝土中的粉煤灰)标准，对粉煤灰性能指标进行了测试，结果见表1。达到了国家标准中的二级质量标准。

1.2 浆液配比设计

试验采用不同的水固比 (水与固体质量之比)、固相质量比 (水泥与粉煤灰质量比)及不同百分比的水玻璃掺量 (水玻璃占水泥质量的百分比)进行对比试验，试验配合比设计见表2。

表1 粉煤灰性能指标测试

表2 浆液配比设计

1.3 试验内容及方案

试验内容主要是测试不同配比浆液形成注浆体的密度、黏度、初凝时间、结石率 (硬化体体积与浆液体积之比)、抗压强度。试件成型是按上述设计水固比，将浆液制成 70.7mm×70.7mm× 70.7mm的试块，待凝胶后，拆模，放在恒温20± 5℃的水中养护，然后使用压力试验机分别测其3d，7d的抗压强度，每组3个试块，取其平均值。

2 试验数据分析

根据上述试验设计，针对不同配方的粉煤灰水泥浆液性能进行了系统的试验研究，试验结果见表3。由于注浆现场工期要求比较紧，仅测试了试件的3d，7d的抗压强度。

2.1 浆液黏度

表3 不同配比粉煤灰水泥浆液性能试验表

浆液黏度是指浆液流动时，浆液内部所产生的阻碍运动的内摩擦力。浆液黏度的大小直接影响浆液的扩散半径、沉降速率，同时决定着注浆压力、流量等参数。因此，对于大掺量粉煤灰注浆材料，黏度是重要控制指标之一。

从表3和图1可知，在同一固相比、同一水玻璃掺量的条件下，水固比减小，浆液黏度增大;在同一水固比、同一固相比的条件下，随着水玻璃掺量的增大，浆液黏度增大。

图1 黏度与水固比及水玻璃掺量的关系

2.2 浆液初凝时间

浆液凝结时间既要满足注浆作业要求，又要尽快结成具有一定强度的结石体。分析表3和图2可知，在同一固相比、同一水玻璃掺量的条件下，水固比减小，浆液初凝时间缩短;在同一水固比、同一固相比的条件下，随着水玻璃掺量的增大，浆液初凝时间缩短。

图2 初凝时间与水固比及水玻璃掺量的关系

2.3 浆液结石率

浆液结石率的大小，关系到注浆充填效果［6］，结石率越高，稳定性越好，越有利于注浆充填。分析表3和图3可知，在同一固相比、同一水玻璃掺量的条件下，水固比减小，浆液结石率明显增大，从而说明浆液结石率与水固比关系较大;在同一水固比、同一固相比的条件下，随着水玻璃掺量的增大，浆液结石率增大。

图3 结石率与水固比及水玻璃掺量的关系

2.4 浆液结石体抗压强度

粉煤灰水泥浆液结石体抗压强度参数是注浆材料的主要技术指标，分析表3和图4可知，在同一固相比、同一水玻璃掺量的条件下，水固比减小，浆液结石体抗压强度增大;在同一水固比、同一固相比的条件下，随着水玻璃掺量的增大，浆液结石体抗压强度亦增大;水固比、固相比、水玻璃掺量都相同的情况下，浆液结石体抗压强度即随着龄期的增长而增加。尽管大掺量粉煤灰水泥浆液早期强度较低，但后期强度增长较大。

图4 结石体抗压强度与水固比及水玻璃掺量的关系

3 结论

(1)在同一固相比、同一水玻璃掺量的条件下，水固比减小，浆液黏度增大，浆液初凝时间缩短，浆液结石率明显增大，浆液结石体抗压强度亦增大。

(2)在同一水固比、同一固相比的条件下，随着水玻璃掺量的增大，浆液黏度增大。浆液初凝时间缩短。浆液结石率增大，浆液结石体抗压强度亦增大。

(3)通过对粉煤灰水泥浆液主要参数相互关系的分析，结合现场实践经验，对于煤矿采空区治理，粉煤灰水泥注浆材料最佳水固比为1∶1.2～1∶1.5，水玻璃掺量为水泥质量的2%～3%，完全能够满足采空区注浆的要求。

［1］童立元，潘 石，邱 钰，等.大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究［J］.东南大学学报，2002，32(4):643－647.

［2］李 飞.粉煤灰注浆材料在矿井防治水中的应用［J］.煤炭技术，2005，24(1):111－112.

［3］张义顺，何小芳，朱伶俐，等.水泥－粉煤灰注浆材料的研发与应用［J］.河南理工大学学报，2010，29(5):674－679.

［4］霍利杰，马 冰，高晓耕.粉煤灰水泥充填注浆材料性能研究［J］.建井技术，2008，29(6):21－22.

［5］黄青云，李军民，苏承东，等.粉煤灰水泥注浆材料特性试验研究［J］.煤矿现代化，2005，68(5):32－33.

［6］王新刚，刘文永.一种新型注浆材料性能的研究［J］.金属矿山，2006(5):11－13.

［责任编辑:王兴库］

Main Properties Test of Flyash-cement Grout Material

ZOU You-ping1，2，ZHANG Hua-xing1，2，ZHANG Gang-yan2，CUI Feng2

(1.Coal Mining＆Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Application of flyash-cement grout material in gob treatment is wide.Its main properties are related to grout stowing effect.Applying laboratory test，this paper discussed the relationship of different water-solid ratio，solid ratio，sodium silicate content and grout viscosity，initial set time，solidification ratio，compression strength of solid.Test showed that under the condition of watersolid ratio 1∶1.2～1∶1.5，solid ratio 3∶7，cement content 2%or 3%in sodium silicate，solidification ratio was over 75%after grout condensation，single-axial compression strength was larger than 2MPa，which met engineering requirement.

flyash;grout material;viscosity;solidification ratio;setting time;compression strength

TU528

A

1006-6225(2012)04-0015-02

2012－03－27

天地科技技术创新基金项目:高掺量粉煤灰水泥注浆材料主要物理力学及电学性能研究 (KJ－2012－TDKC－04);中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目:条带充填减沉技术与关键装备研究 (2011MS014)

邹友平 (1979－)，男，湖北天门人，博士研究生，主要从事“三下”采煤、采空区治理等方面的研究。