黄土物理特性对防治水注浆浆体的影响

王学伟，秦大健

（1.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北 邢台 054000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3.河北充填采矿技术有限公司，河北 邢台 054000）

0 引 言

防治水注浆技术是将水泥、粘土、水玻璃等具有胶结性能的材料与水按一定比例混合均匀后配成注浆浆体，在采掘活动开始前，利用高压注浆设备，通过远离采区的地面上大面积均匀布置的钻孔注入到地层的裂隙、孔隙或孔洞中。待浆液凝结、固化后，达到对裂隙进行封堵截断下部地下水到煤层的通道，防止在采掘过程中发生水害事故的目的。注浆材料是影响注浆效果的重要因素，目前防治水注浆材料分为无机和有机注浆材料，其中无机注浆材料中的水泥类注浆材料因其具有良好的流动性、凝结时间可调、适应性强，施工工艺简单方便等优点，在煤矿开采中被广泛的应用。但是，水泥类注浆材料存在一些缺点，在一些对含水层进行局部注浆改造的矿井中，注浆量最多的能达到数十万吨，价值数千万。另外，水泥生产需要煅烧，生产工艺复杂，水泥工业碳排放量仅次于电力行业，增加了温室气体，资源消耗和生态问题突出。黄土是一种分布广、开采难度低、成本低廉的材料。因此，对黄土进行注浆性能研究，用黄土替代水泥作为新型注浆材料。

1 原 料

水泥选用冀中能源股份公司葛泉矿注浆水泥，黄土取自山西介休，各原材料化学成分见表1。

表1 原料化学成分Table 1 Chemical components of raw materials

2 粘度试验

浆液的粘度与浆液的性质、浓度、温度有关。对于水泥类浆液而言，粘度对于浆液流动性影响很大，粘度致使浆液在管道及岩土空隙中流动的注浆压力沿程损失。粘度试验分2 组进行，第一组试验保持水灰比1∶1 固定不变，黄土的掺加量从小到大按一定比例依次增加，记录浆液流出500 mL 时所需的时间，结果如图1 所示。第二组试验保持黄土水泥比为2∶3 固定不变，水灰比从小到大按一定比例依次增加，记录浆液流出500 mL 时所需的时间，结果如图2 所示。

图1 粘度随黄土水泥比的变化Fig.1 Variation of viscosity with loess cement ratio

图2 粘度随水灰比的变化Fig.2 Variation of viscosity with water cement ratio

2.1 试验方法

实验仪器：马氏漏斗粘度计。操作方法如下。

（1） 校正马氏漏斗粘度计，在水温20 ℃条件下流出500 mL 纯水时间为15±0.5 s。

（2） 用一只手握住漏斗呈直立位置，食指堵住漏斗下部的流出口。

（3） 用另一只手拿起量筒量取700 mL 的钻井液样品经筛网注入干净并直立的漏斗中。

（4） 将手中的量筒500 mL 端向上放置于漏斗流出口下方，启动秒表，同时把食指移开出口管口，使钻井液流入量筒。记录流出500 mL 时所需的时间。

（5） 测试完毕将零部件洗净擦干，应特别注意对导流管的保护。

（6） 按顺序将各部件放入规定部位，测试结束。

2.2 实验结果

由图1 可以看出，浆液的粘度随黄土水泥比的增大而增大，说明黄土的掺加量对浆液的粘度影响很大，实际应用中应选取合适的黄土水泥比才能满足工程对浆液稳定性的要求。由图2 可以看出，水灰比对浆液粘度的敏感性影响比黄土水泥比要大，是注浆物理性能中流动性最大的影响因素。在实际应用中要特别注意水灰比的变化对浆液粘度的影响。

3 凝固时间试验

按黄土与水泥2∶3 的比例制备粉体材料做正交试验，按照《GB/T 1346-2011 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中凝结时间检测方法，检测材料标准稠度用水量及凝固时间（表2）。

由表2 可以看出，水泥中加入黄土后，标准稠度用水量与水泥基本相同，凝固时间稍有增加，其中初凝时间比水泥增长22 min，终凝时间比水泥增长5 min。

表2 标准凝固时间Table 2 Standard solidification time

4 结石体强度试验

注浆浆液在流经岩土层后，经过渗透、填充等作用与岩土体挤压、粘结成的一个整体被称为结石体，结石体强度是评价注浆材料性能的一个重要指标，因为结石体的存在可以显著提高岩土层的整体性，提高岩土层的抗渗性和抗破坏能力，它是对岩土层加固防渗的关键，是判断注浆浆液优劣性能的重要指标。

4.1 试验方法

按试验方案制备的料浆倒入40 mm×40 mm×160 mm 的特制双层可拆卸三联试模中（下层为标准三联试模，上层为无底座三联试模，即取2 个标准三联试模，将其中一个去掉底座后放置于下层三联试模顶部），待泌水完成后，静置6 h，再将上层无底座三联试模移除，使用刮平尺将试块刮平，放入恒温恒湿养护箱中养护（温度20±1℃，相对湿度大于等于90%），每组龄期试块3 块，养护3 d后，拆除试模，使用YAW4605 微机控制电液伺服压力机测定3 d 试块强度，将剩余7、14、28 d 龄期试块放入恒温恒湿养护箱中养护，试块达到龄期后，按照相同方法测定相应龄期试块的抗压强度与抗折强度。

抗压强度是在YAW4605 微机控制电液伺服压力机的单向受压条件下，试块破坏时的峰值压应力，用P 表示，单位为MPa。抗压强度公式如下：

式中：F 为峰值压力；A 为受力面积。

抗折强度是将试块的2 个光滑面放在DKZ5000电动抗折机的支撑柱上，另一面与加载面接触，三点作用，缓慢施压，直至破坏。抗折强度用R 表示，单位为MPa。抗折强度公式如下：

式中：F 为试块折断后，施加在试块中部的载荷；L 为支撑圆柱体之间的距离，棱柱体正方形界面的边长。

结石体试验分2 组进行，第一组试验保持水灰比1∶1 固定不变，黄土的掺加量从小到大按一定比例依次增加，各龄期试块按要求进行破碎并做好记录，结果如图3 和图4 所示。第二组试验保持黄土水泥比为2∶3 固定不变，水灰比从小到大按一定比例依次增加，各龄期试块按要求进行破碎并做好记录，结果如图5 和图6 所示。

图3 不同组分不同龄期的抗折强度（组分1～4）Fig.3 Flexural strength of different components at different ages（Components 1～4）

图4 不同组分不同龄期的抗压强度（组分1～4）Fig.4 Compressive strength of different components at different ages（Components 1～4）

图5 不同组分不同龄期的抗折强度（组分5～9）Fig.5 Flexural strength of different components at different ages（Components 5～9）

图6 不同组分不同龄期的抗压强度（组分5～9）Fig.6 Compressive strength of different components at different ages（Components 5～9）

4.2 试验结果

由图3 和图4 可以看出，在浓度不变的情况下，随着黄土掺加量的增加，试块的强度也不断降低，当物料中加入20%黄土时，3 d 强度降低23.1%，28 d 强度降低24.1%；在不同浓度浆液中，随着加水量的不断增加，试块的强度也不断降低。

5 黄土水泥注浆液的固化机理

通过水泥类注浆材料中掺加黄土，与水拌和均匀后，形成了一种具有自身特征的新型注浆浆液黄土水泥浆。黄土水泥浆液改变了黄土的自身特性，除黄土有胶结成分外，水泥也具有胶结作用，因而其固化过程较水泥和黄土浆更复杂。这与水泥和黄土的物理性质和化学成分及矿物成分和水关系很大。为此，对于黄土水泥浆的固化机理主要从2 个方面进行分析。

5.1 水泥的水化反应

硅酸三钙和硅酸二钙是组成水泥的主要化合物，当水泥与水拌和后会发生水化反应，生成的多种固溶体形成连续网状结构填充于颗粒空间，相互粘结，直至水化结束，最终使水泥能够快速的凝结硬化。研究分析发现，水泥水化产生的Ca(OH)2可以与黄土中的石英与粘土矿物起反应，生成不溶于水的稳定结晶矿物，使黄土水泥浆固结硬化产生强度。方程式如下：

5.2 离子交换作用

当黄土溶于水后，因离子交换和含K+无机盐的溶解使得黄土中Na+、Ca2+、K+、Mg2+等离子迅速得到释放。此时，胶体颗粒表面会大量吸附黄土中的低价阳离子，如Na+，K+被水泥水化生成的Ca（OH）2中的Ca2+进行了当量吸附置换，基于这种盐基交换，浆液中细小的颗粒会凝聚起来，形成新的较大的凝聚体。同时，伴随着黄土中SiO2缓慢的释放，生成多种次生矿物，这种次生矿物的生成使得在岩土层中的注浆浆液固化后表现出较强的抗风化能力。

6 结 语

通过对黄土水泥注浆浆液物理性能指标的分析可知，掺加黄土量的多少对注浆浆液的凝固时间影响较小，黄土的掺加量和浓度对注浆浆液的粘度影响较大。在浓度不变的情况下，随着黄土掺加量的增加，试块的强度也不断降低。在不同浓度的浆液中、随着加水量的不断增加，试块的强度也不断降低。实际应用中，应进一步确定材料配比和浓度，以达到降低注浆成本的目的。本文以实验室试验为基础，根据试验结果对黄土水泥浆固化机理做了初步分析，黄土水泥作为防治水注浆材料的可行性还需进一步研究。