大掺量粉煤灰高水充填材料的研制

孙道胜，胡梅梅，王爱国，刘开伟，管艳梅

(安徽建筑大学安徽省先进建筑材料重点实验室，合肥　230022)



大掺量粉煤灰高水充填材料的研制

孙道胜，胡梅梅，王爱国，刘开伟，管艳梅

(安徽建筑大学安徽省先进建筑材料重点实验室，合肥230022)

文章研究了不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料凝结时间、悬浮性、强度和水化放热量等性能的影响，研制出大掺量粉煤灰高水充填材料，并分析了其经济成本。研究表明：在同一水固比条件下，高水充填材料的凝结时间随着粉煤灰掺量的增加会延长，其强度和反应温升会有所降低，而对析水率和结实率的影响不大。研制的粉煤灰掺量为60%的高水充填材料，在水固比为1∶1时，凝结时间为11 min、1 d和7 d抗压强度分别为2.1 MPa、2.8 MPa，其反应温升较对比组(不掺粉煤灰)降低了22.9%，且成本降低了54.6%。

高水充填材料； 粉煤灰； 凝结时间； 抗压强度； 反应温升

1　引　言

高水充填材料是80年代末90年代初研究成功的新型胶结材料[1,2]，由于其具有凝结时间快、早期强度高和施工工艺简单等特点[3,4]，被广泛应用于矿山井下充填、地下注浆、道路和地基建设等领域[5-7]。但目前在实际应用过程中还存在着一些问题，例如反应速度快，凝结时间过短，在输送过程中易堵管；使用的特种水泥成本高；反应时放热量大，反应温升高，对煤矿安全有隐患，故其性能还有待于进一步改善[8]。粉煤灰是火力发电厂以煤粉作燃料而从烟囱中排出的灰尘颗粒[9,10]，由于其具有形态效应、火山灰效应和微集料效应，被广泛用于水泥基材料当中[11,12]。本文利用粉煤灰特性开发研制一种新型高水充填材料，针对不同水固比条件，探究粉煤灰掺量对高水充填材料凝结时间、析水率和结实率、强度和反应温升等性能的影响，优化高水充填材料的配比，并分析其经济成本。

2　实　验

2.1原材料

表1　原材料的化学组成

图1　原材料的XRD图谱(a)硫铝酸盐水泥;(b)石膏;(c)消石灰;(d)粉煤灰Fig.1　XRD patterns of raw materials

图2　高水充填材料的制备工艺流程图Fig.2　Preparation process flow diagram of High water filling material

(1)硫铝酸盐水泥(CAS)，产地为河南某特种水泥厂；(2)石膏，由山东济南迅达利化工有限公司提供；(3)消石灰，来自湖南益佳消石灰厂生产的一级消石灰粉；(4)粉煤灰(FA)，由淮南某电厂提供的二级灰；(5)其他材料(促凝剂、缓凝剂和悬浮分散剂等)均为市购工业品。表1和图1分别给出了主要原材料的化学组成和XRD图谱。

2.2实验方法

(1)高水充填材料的制备

按照以下高水充填材料的制备工艺流程图(见图2)及配合比表(见表2)来制备高水充填材料。

表2　高水充填材料的配合比

(2)初凝时间

将制得的高水充填材料浆体倒入250 mL烧杯中，轻轻震动数下，使浆体表面平整，每隔3 min将烧杯倾斜一次，倾斜角度为45°，接近初凝时为每隔1 min倾斜一次，直至浆体完全失去流动时为初凝。

(3)析水率、结实率

将混合均匀后的浆体到入250 mL量筒中，记下初始刻度，然后再记录2 min、5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min和40 min下量筒中浆液的刻度，并按式(1)计算析水率。待量筒内的浆液在室温下静置24 h，记下量筒内结石体体积H24，并按式(2)计算结实率。

(1)

(2)

式(1)中：W-析水率(%)；H-量筒内浆液初始刻度，通常取量筒的量程为250 mL；ht-各时刻时记录的浆液液面刻度。式(2)中：d-结实率(%);H24-浆液静置24 h后液面高度。

(4)抗压强度

将甲、乙料按1∶1称量，在不同水固比条件下分别搅拌3 min制得甲料单浆和乙料单浆，再混合搅拌1.5 min，然后注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试模中成型，置湿度为90%，温度为(20±2) ℃的养护室中，养护1 h后脱模，然后用塑料袋将试块密封放入养护室中养护，分别测其1 d、7 d和28 d的抗压强度。

(5)反应温升

利用南京葛南实业有限公司的分布式模块自动测量单位仪器测定高水充填材料内部的温度变化。按照表2给出的实验配比将搅拌均匀的浆体注入直径φ=75 mm的PVC圆柱形容器内，并将温度传感器置入浆体中部，连接仪器开始测量，电脑实时自动采集数据。

3　结果与讨论

3.1粉煤灰掺量对高水充填材料初凝时间的影响

图3　不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料初凝时间的影响Fig.3　Effect of the dosage of fly ash on the setting time of high water filling material in the system of different water-solid ratio

图3显示了粉煤灰掺量对高水充填材料初凝时间的影响。由图可知，在水固比分别为1∶1、1.5∶1和2∶1条件下，高水充填材料初凝时间均随着粉煤灰掺量的增加而延长，掺有60%粉煤灰相对于未掺粉煤灰的高水充填材料，其初凝时间分别延长了70%、90%和60%。在粉煤灰掺量相同的情况下，高水充填材料的初凝时间均随着水固比的增大而延长，水固比为2∶1较水固比为1∶1的高水充填材料，其初凝时间分别延长了1.3倍、2倍和1倍。可能是由于粉煤灰掺量的增大，高水充填材料中水泥、石膏、石灰等掺量就会相对减小，早期参与水化反应的颗粒减少，进而影响其凝结时间。当水固比增大，其颗粒之间的接触几率就会减小，进而影响其凝结时间。可见，可以通过改变不同水固比下粉煤灰的掺量来调控高水充填材料的初凝时间。

3.2粉煤灰掺量对高水充填材料析水率和结实率的影响

图4分别显示了不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料析水率的影响。由图可知，在水固比分别为1∶1、1.5∶1和2∶1条件下，高水充填材料的析水率虽然均随着粉煤灰掺量的增加而增大，掺有60%粉煤灰相对于未掺粉煤灰的高水充填材料，其析水率的增大幅度并不是很大，仅分别增大了8.8%、0.8%和0.4%。在粉煤灰掺量分别为0%、20%、40%和60%的情况下，高水充填材料的析水率均随着水固比的增大而增大，水固比为2∶1较水固比为1∶1的高水充填材料，其析水率分别增大了9.2%、3.0%、4.6%和0.6%。

图4　不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料析水率的影响(a)水固比2∶1;(b)水固比1.5∶1;(c)水固比1∶1Fig.4　Effect of the dosage of fly ash on the bleeding rate of high water filling material in the system of different water-solid ratio

图5　不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料结实率的影响Fig.5　Effect of the dosage of fly ash on the seed setting rate of high water filling material under the system of different water-solid ratio

图5显示了粉煤灰掺量对高水充填材料结实率的影响。由图可知，在水固比分别为1∶1、1.5∶1和2∶1条件下，高水充填材料的结实率虽然均随着粉煤灰掺量的增加而减小，掺有60%粉煤灰相对于未掺粉煤灰的高水充填材料，其结实率的变化幅度并不是很大，仅分别减小了8.8%、0.8%和0.4%。在粉煤灰掺量分别为0%、20%、40%和60%的情况下，高水充填材料的结实率均随着水固比的增大而减小，水固比为2∶1较水固比为1∶1高水充填材料，其结实率分别减小了9.2%、3.0%、4.6%和0.6%。可见，改变粉煤灰掺量对不同水固比条件下高水充填材料析水率和结实率的影响并不是很大。

3.3粉煤灰掺量对高水充填材料抗压强度的影响

图6显示了不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料抗压强度的影响。由图可知，在相同水固比的条件下，随着粉煤灰掺量的增加，材料强度有明显的降低。而在相同粉煤灰掺量的条件下，高水充填材料的强度随着水固比的减小而增大。在粉煤灰掺量为40%，水固比为1.5∶1和粉煤灰掺量为60%，水固比为1∶1的两组，与粉煤灰掺量为0%，水固比为2∶1的空白组相比，其强度相当。可见，可以通过调整不同水固比条件下粉煤灰掺量来设计高水充填材料的抗压强度。

图6　不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料强度的影响(a)水固比 2∶1;(b)水固比 1.5∶1;(c)水固比 1∶1Fig.6　Effect of the dosage of fly ash on the compressive strength of high water filling material in the system of different water-cement ratio

3.4粉煤灰掺量对高水充填材料反应温升的影响

表3是选择了以上实验中凝结时间、析水率和结实率以及强度均相当的的四组(第1，2，7，12组)进行反应温升测试的配合比及其性能的参考。

表3　高水充填材料反应温升实验的配合比及性能参考

图7显示了在凝结时间、析水率和结实率及强度相当的情况下粉煤灰的掺量对其反应温升的影响。由图可知，高水充填材料的最大放热量基本上都是在成型后1.5～2 h之间。在水固比为2∶1时，掺20%粉煤灰相对于未掺粉煤灰的高水充填材料，温度有明显降低，降低了15.3%；粉煤灰掺量为60%，水固比为1∶1与空白组(即粉煤灰掺量为0%，水固比为2∶1)相比，温度降低了22.9%。可见，通过调整不同水固比条件下粉煤灰掺量来调控高水充填材料反应温升。降低高水充填材料的反应温升，将有助于消除煤矿安全的隐患，扩大其应用范围。

3.5经济成本分析

比较以上实验组的各项性能差异，选择了表3中材料的配合比，在填充体积为1 m3所需的材料的质量作为最后的经济分析。图8显示了粉煤灰掺量对高水充填材料经济成本的影响。分析总结得出，这几组在凝结时间、析水率和结实率、强度、反应温升这几项性能均相当的情况下，第2、7、12组的成本分别比空白组降低了23.6%，42.4%，54.6%。可见，通过改变粉煤灰掺量可以有效降低高水充填材料的经济成本。

图7　不同水固比条件下粉煤灰掺量对高水充填材料反应温升的影响Fig.7　Effect of the dosage of fly ash on the internal temperature of high water filling material in the system of different water-solid ratio

图8　各组分单价(a)及填充1 m3 所需材料的总价(b)Fig.8　Unit price of raw materials and total price of materials needed to fill 1 m3

4　结　论

(1)研制出了一种大掺量粉煤灰高水充填材料。当粉煤灰掺量为60%，在水固比为1∶1时，其凝结时间为11 min、1 d和7 d抗压强度分别为2.1 MPa、2.8 MPa，其反应温升较对比组(不掺粉煤灰)降低了22.9%(对煤炭安全生产有利)，且成本降低了54.6%;

(2)在水固比相同的条件下，高水充填材料初凝时间随粉煤灰掺量的增加而延长，在粉煤灰掺量相同的条件下，其初凝时间随水固比的增大而增加;

(3)不同水固比条件下，粉煤灰掺量对高水充填材料的析水率和结实率影响不大。

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Research and Preparation of High Water Filling Material with High Dosage of Fly Ash

SUNDao-sheng,HUMei-mei,WANGAi-guo,LIUKai-wei,GUANYan-mei

(Anhui Key Laboratory of Advanced Building Materials,Anhui Jianzhu University,Hefei 230022,China)

The paper studies the influence of the dosage of fly ash on the setting time, suspension, strength and internal reaction temperature of high water filling material is studied in different water-solid ratio system, optimize the ratio of high water filling material and analyze the economic cost. The results show that in the same water-solid ratio system, the setting time of high water filling material can be prolonged with the increase of the dosage of fly ash, the strength and internal reaction temperature will have a certain reduction, but the water content and seed setting rate are little influenced. At the water-solid ratio of 1∶1, Fly ash dosage is 60%, its various performance is as much as the blank group, Its setting time is 11 mins, the compressive strength of 1 d and 7 d are 2.1 MPa and 2.8 MPa respectively, But the reaction temperature is 22.9% lower than the blank group, and the cost is reduced by 54.6%.

high water filling material;fly ash;setting time;compressive strength;reaction temperature

淮南矿业集团科研项目计划;安徽省高等教育人才项目和安徽省高校优秀青年骨干人才国外访学研修项目(gxfxZD2016134)

孙道胜(1963-),男，博士，教授.主要从事水泥基材料方面的研究.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1074-06