水泥-粉煤灰煤矿含水层复合注浆材料性能研究

贺敬平，武善元，云 明，周志浩

（1.临沂矿业集团有限责任公司邱集煤矿，山东 德州 251100；2.山东大学岩土与结构工程研究中心，济南 250002）

粉煤灰作为煤燃烧后烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰的硅含量高，具有火山灰效应，可以有效地提升结石体后期强度。此外，粉煤灰还具有滚珠效应与微集料效应，是一种可以与水泥协同互补的工业废渣。当前，大掺量粉煤灰形成的水泥-粉煤灰（C-FA）复合注浆材料体系尚未得到有效评估，亟待明确相应性能，以便在煤矿含水层注浆改造工程中得到推广[1-3]。

本试验以粉煤灰为掺合料，研究了大掺量粉煤灰水泥-粉煤灰复合注浆材料体系的性能影响。测试指标主要包括流动度、析水率、凝结时间及力学强度等[4-5]。为了更好地分析粉煤灰对复合注浆材料的作用机理，本文还进行了描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）、压汞孔结构等测试分析，将宏观与微观相结合，对水泥-粉煤灰复合注浆材料进行了系统的研究。

1 试验

1.1 原材料

粉煤灰、水泥均来自邱集煤矿，试验中采用的是二级灰，所用水泥为425#，对比水泥为325#。邱集煤矿水泥样品、粉煤灰样品平均比表面积分别约为348 m2/kg和350 m2/kg，可以满足工程需要。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

水泥-粉煤灰（C-FA）复合注浆材料体系中，粉煤灰比例分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%。先将不同质量粉煤灰与425#水泥混合均匀，按水灰比1.0（注浆常用水灰比）进行加水，搅拌均匀，使浆液中水泥颗粒充分分散，参照水泥净浆成型步骤，将搅拌均匀的浆液倒入20 mm×20 mm×20 mm的成型模具中，试块24 h脱模，脱模后于水中养护，养护温度为20 ℃±1 ℃，养护龄期为3 d、7 d和28 d。

1.2.2 流动度

注浆材料流动度采用浆液扩散直径表示，借鉴《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005）。选用边长为600 mm的方形玻璃板，放置于水平桌面，用水使其表面均匀湿润。在玻璃板中心位置放置浆液试模，将搅拌好的浆液倒入并抹平。缓慢提起试模并同时开始计时，在30 s时从三个不同方向记录下浆液扩散开度，求其平均值，即浆液的有效扩散开度。

1.2.3 析水率与结石率

取试样浆液装满250 mL量筒中，将量筒上口加盖封好，测定3 h后析水量，离析水的体积除以原填灌浆液高度即为析水率，计算公式如下：析水率=（初始静置浆液体积-静置3 h后浆体体积）/初始静置浆液体积×100%，计算结石率（1-析水率=结石率）。

1.2.4 凝结时间

水泥-粉煤灰复合注浆材料凝结时间测试参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346—2011）进行。凝结时间测试方法如下：采用凝结时间测定仪，测定几种水泥基注浆材料不同温度下的初凝时间、终凝时间。一是初凝时间的测定。试件养护一定时间后，将试件放到试针下，使试针与浆液表面接触，拧紧螺丝1～2 s后，突然放松，试针沉至底板4 mm±1 mm时，水泥达到初凝状态。二是终凝时间的测定。临近终凝时间时，每隔15 min测定一次，当试针沉至试体0.5 mm时，即环形附件开始不能在试样上留下痕迹时，浆液达到终凝状态。

1.2.5 微观结构测试分析

选取养护一定龄期的结石体，取块状样储存于无水乙醇中，终止水化，并在80 ℃下干燥24 h，然后进行微观结构测试。结石体微观结构分析采用美国赛默飞Quattro S扫描电子显微镜（SEM）。结石体的孔径分布与孔隙率分析采用美国康塔PoreMaster-60型压汞仪（MIP）

2 结果与讨论

2.1 流动度

流动度体现了注浆材料扩散性能，是浆液和易性的重要衡量参数，现场施工要求浆液具有良好的流动度与和易性，不易离析分层。

图1中，浆液水灰比均为1∶1。由图1可知，325水泥浆流动度均低于大掺量（≥40%）粉煤灰的425水泥-粉煤灰浆液体系；随着粉煤灰含量增大，浆液流动度总体呈现二次增大趋势；粉煤灰掺量介于45%～55%、65%～70%时，425水泥-粉煤灰浆液流动度相对较大。试验表明，45%～55%、65%～70%掺量的粉煤灰对浆液流动性具有相应增强作用。

图1 粉煤灰掺量对流动度的影响

2.2 析水率

注浆材料浆液的析水率是注浆工程中重要的性能参数之一，尤其是对于长距离的浆液泵送尤为重要。如果浆液析水率过大，在输送过程中会产生离析现象，变稠后膏体极易形成相互接触的黏结状态，引起管道堵塞事故。因此，须对浆液析水率进行测试，以选择稳定性良好的浆液。此外，如果料浆析水率比较严重，会影响工作面的环境，造成浆液充填不密实，干扰注浆加固效果。

如图2所示，粉煤灰含量增大能增加浆液流动度，但随着粉煤灰含量（40%～70%）增大，浆液呈现析水率增大、结石率降低的现象，这说明粉煤灰含量增多更易导致浆液泌水分层，因此从控制浆液析水分层角度来看，粉煤灰产量不宜过多。结合图1，粉煤灰掺量介于40%～45%时，浆液结石率大于80%；粉煤灰掺量为50%时，浆液结石率接近80%；粉煤灰掺量为60%～70%时，浆液结石率接近75%。粉煤灰样品加入后，浆液析水率增加，说明掺入量过多易导致注浆工程中堵管等问题。因此，从控制浆液析水分层及结石率角度来看，粉煤灰掺量宜为40%～60%，以确保浆液结石体接近或大于80%，并确保浆液不易分层离析、不易堵管。

图2 粉煤灰对析水率与结石率的测试结果影响（水灰比1∶1）

2.3 凝结时间

注浆材料初、终凝时间决定注浆材料的可操作性与可泵性，很大程度上影响注浆工艺的选择，同时也决定注浆扩散范围。

2.4 微观结构分析

2.4.1 未水化原材料SEM分析

如图3所示，未水化邱集煤矿粉煤灰样品钙元素含量相对较多，硅元素含量相对较少，此粉煤灰样品与普通粉煤灰样品存在一定差别，具有潜在火山灰效应的二氧化硅玻璃体存在较少。

图3 未水化邱集煤矿粉煤灰样品SEM-EDS测试结果

2.4.2 水化3 d浆液结石体SEM分析

试验过程还对325水泥、C425-FA复合浆液结石体水化7 d的微观结构进行了测试，分别为325水泥、40%FA、50%FA、60%FA、70%FA、80%FA所对应的7 d结石体微观结构，水灰比均为1∶1。

随着粉煤灰掺量增多，浆液结石体微观结构致密度显著降低，这也验证了图7抗压强度测试结果。由于所测样品为水化7 d结石体的微观结构，SEM结果表明，球形粉煤灰相应矿物未进行有效水化。含50%粉煤灰结石体水化龄期为7 d时，结石体中针状AFt矿物与水化硅酸钙矿物进一步减少，取而代之，相应未参与水化胶凝及火山灰反应的粉煤灰矿物数量进一步增加，空隙率进一步增多，存在较多数量的较大空隙；含60%～70%粉煤灰结石体水化龄期为7 d时，结石体中针状AFt矿物与水化硅酸钙矿物进一步减少，相应地，存在较多与未水化粉煤灰相似的矿物，未参与水化胶凝及火山灰反应的粉煤灰矿物数量最多，空隙率进一步增多，较大空隙数量多，微观结构疏松，不利于宏观强度；含80%粉煤灰结石体水化龄期为7 d时，存在大量未反应球形粉煤灰，空隙率很大，较大空隙数量最多，微观结构最疏松，非常不利于提升宏观强度。

3 结论

本文从流动度、析水率、凝结时间、抗压强度及微观结构角度出发，系统分析了影响机理，得到以下结论。随着粉煤灰掺量的增加，流动度呈现增大趋势，随着粉煤灰含量增大，浆液呈现析水率增大、结石率降低现象，从控制浆液析水分层及结石率角度，粉煤灰掺量宜为40%～60%，以确保浆液结石体≥80%，并确保浆液不易分层离析、不易堵管。初终凝时间随着粉煤灰掺量增大而明显增大，水灰比对凝结时间的影响更显著。当粉煤灰大于70%时，凝结时间出现过长现象；掺量50%～70%时，浆液凝结时间仍很长；为避免大掺量粉煤灰的过长凝结现象，建议掺量为40%～60%。

随着粉煤灰掺量增多，粉煤灰样品对强度具有比较明显的降低作用，结石体微观结构致密度显著降低，粉煤灰掺量为40%～50%时，强度与密实度均较好。综合考虑注浆工程成本、浆液试验性能、结石体试验性能、含水层改造效果等方面，建议矿井含水层注浆改造工程中粉煤灰掺量≤60%，超过60%时强度降低作用变得非常明显，且超过60%时微观结构、孔隙分布均变得非常不利。