煤矸石-粉煤灰-水泥基煤田含水层注浆材料性能实验研究

李秋英 吴昊泽 董辰光 张 晨

（1.山东省水泥质量监督检验站， 山东 德州 253000；2.山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250000）

0 引言

21 世纪是地下工程的世纪，随着地下工程规模的增大，地下灾害的规模也随之上升，注浆工程广泛地应用于各类地下灾害的治理，具有施工简便，加固效果见效快的优点。煤矸石是煤矿在建井、开拓掘进、采煤或洗选过程中排放出的固体废弃物的总称[1-2]。煤矸石一般石化程度较高，含有机质较低，可作为低热量值燃料和建筑材料加以利用，一般占原煤产量的10%～20%[3-5]。粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，由于粉煤灰的滚珠效应、微集料效应与火山灰效应，粉煤灰作为掺合料被广泛地应用于混凝土的制作中[6-8]。

目前已有一些学者对粉煤灰及煤矸石在水泥类材料中的应用进行了研究。其中，潘永灿等人对粉煤灰在海工结构混凝土中的应用进行了可行性研究，并提出在混凝土中掺加一定量的粉煤灰可以提高结构的抗渗性能与抗冻性能[9]；张金喜等人将煤矸石作为细集料掺入混凝土中，发现一定量煤矸石的掺入并没有明显的降低其耐久性与抗渗性能，并提出了使用煤矸石作为细集料的几个关键条件[10]。但未有学者研究粉煤灰和煤矸石复合对注浆材料的影响，为降低矿区注浆材料生产成本，方便矿区就地消化煤矸石，并发挥固废的协同作用，本文对大掺量煤矸石-粉煤灰注浆材料进行了系统的实验，力求以最合理的方式最大程度的利用煤矸石与粉煤灰。

1 试验

1.1 原材料

所用天然煤矸石是在邱集煤矿矸石山中随机取样。矸石测试的密度为1.76g/cm3，呈棕黑色。煤矸石具有以下特点：①硅含量高，SiO2的含量在59%左右，CaO 含量较低，活性较低；②铝含量高，Al2O3含量高达17%以上，说明煤矸石组分较为稳定；③碱度低，煤矸石(CaO+MgO+K2O+Na2O)/(SiO2+P2O5）较低，属低碱度矿物。

粉煤灰来自济宁发电厂，密度为1.53g/cm3，含水量为0.87%。原材料化学组成如表1 所示。

表1 原材料化学组成

1.2 试验方法

实验步骤参考《GB175-2007 通用硅酸盐水泥》、GB/T 1345-2005《水泥细度检验方法筛析法》、《GB T 176-2008 水泥化学分析方法》、《GB/T2419-2005 水泥胶砂流动度测定》、《GB/T 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》等。实验具体过程如下：

流动度：注浆材料流动度采用计时测量浆液扩散直接表示，借鉴建材GB∕T2419-2005 水泥胶砂流动度测定标准。选用L=600mm 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抹平。缓慢提起试模并同时开始计时，在30s 时从三个不同方向记录下浆液扩散开度，求其平均值即为浆液的有效扩散开度。流动度是在室温25℃条件下进行测试的。

析水率：采用静置方法，测试浆液在重力作用下的析水率。浆液配置过程中先采用电动搅拌机搅拌2min，再采用250mL 的塑料量筒进行浆液静置析水实验，静置时间为2h。

凝结时间：试件养护30 分钟时进行第一次测定，将试件放到试针下，使试针与浆液表面接触。拧紧螺丝1s～2s 后，突然放松，试针沉至底板4±1mm 时，水泥达到初凝状态。在完成初凝时间测定后，立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板上取下，翻转180°，直径大端向上，小端向下放在玻璃板上，再放入养护箱中养护，临近终凝时间时，每隔15 分钟测定一次，当试针沉至试体0.5mm 时，即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时，为浆液达到终凝状态。

抗压强度：借鉴水泥胶砂强度试验国标GB/T17671-1999，对本项目材料结石体进行抗压强度测试。

1.3 配合比

本实验的水泥基注浆材料成型配比如表2 所示。实验设计了不同粉煤灰、煤矸石掺量以及粉煤灰和煤矸石复掺对注浆材料影响，其中煤矸石和粉煤灰的掺量为20%-80%，水灰比为1:1。

表2 水泥基注浆材料成型配比

2 结果及讨论

2.1 流动性

流动度体现了注浆材料扩散性能，是浆液和易性重要衡量参数，现场施工要求浆液具有良好流动度与和易性，不易离析分层。不同配比注浆材料流动度测试结果如图1 所示。

图1 流动度测试结果

图1 是不同配合比注浆材料的流动度，浆液水灰比为1:1，由图1 中1#～7#可知，随着水泥-煤矸石体系中，矸石含量增大，流动度降低，这预示着实际注浆工程中煤矸石含量过多浆液流动性降低，可能易导致堵管现象；结合图1 中1#～7#与8#～14#可知，掺入粉煤灰相对于相同掺量的煤矸石的流动度高，粉煤灰能够提高浆液流动性，但随着粉煤灰掺量的增加，注浆材料的流动度也不断减小，这是因为煤矿的注浆量大，未降低成本使用的粉煤灰并不是传统球状的粉煤灰；由图1中15#～24#可知，煤矸石和粉煤灰协同能够确保浆液流动度保持在较高水平，且复掺时水泥的用量低，最高仅为40%。18#、19#、20#、23#、24#具有良好的浆液流动度，但煤矸石掺入量超过45%后较明显地降低复合体系浆液的流动性能。由于煤矸石较细，并且颗粒棱角多，加入煤矸石显著的降低注浆材料的流动度，不利于注浆材料的长距离泵送，粉煤灰由于密度小，对于注浆材料的流动较小，两者协同可以改善煤矸石对流动度的影响。

2.2 浆液析水率

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粘结状态，引起管道堵塞事故。因此，须对浆液析水率进行实验测试，以选择稳定性良好的配比。此外，如果浆液析水率比较严重，一方面会影响工作面环境，另一方面会造成浆液充填不密实，影响注浆加固效果。粉煤灰和煤矸石对浆液析水率与结石率的影响（水灰比1:1）如图2 所示。

图2 析水率与结石率测试结果分析（水灰比1:1）

如图2 所示，煤矸石由于颗粒较细，具有一定的吸水性，掺入煤矸石后体系种的自由水减少，浆液的泌水率降低，同时浆液的结石率增加，利于灰岩充填封堵加固，但需注意煤矸石粉对流动性不利，易产生堵管现象；粉煤灰加入后浆液泌水率较大，导致结石率较低。 16#、18#、21#、24#浆液析水率较低、结石率较高，说明煤矸石粉与粉煤灰协同后，能够保证较低的泌水率与较高的结石率，可以满足像灰岩含水层这样特殊地层的注浆改造工程需求。

2.3 凝结时间

注浆材料初、终凝时间决定了注浆材料可操作性与可泵性，很大程度影响了注浆工艺选择，同时也一定程度决定了注浆扩散范围。

表3 注浆材料初凝及终凝时间测试结果

如表3 所示，选取典型煤矸石（50%、60%）加入量进行初凝、终凝的测试。不同水灰比1:1 条件下，初、终凝时间随着不同组分变化而变化，加入粉煤灰的凝结时间最长，说明粉煤灰最不利于浆液凝结，其次是煤矸石，考虑煤矸石的加入有利于浆液结石，煤矸石对浆液凝结时间降低程度比粉煤灰低，而16#、21#水泥-煤矸石-粉煤灰复掺的初凝、终凝能够满足对凝结时间的要求，粉煤灰和煤矸石复掺可以改善粉煤灰对于凝结时间不利的影响。

2.4 结石体抗压强度

6#、7#、13#、14#、17#、21#、22#、23#成型后放入水中养护产生崩解，未能有效在水中成块，崩解的组分如表4 所示。

表4 水泥基注浆材料成型配比

水中崩解的试块说明浆液早期强度较低或不适用于富水环境，当煤矸石、粉煤灰分别超过70%时，结石体早期强度较低或不适用于富水环境；复掺时，矸石超过50%或粉煤灰+矸石超过70%时，结石体早期强度较低或不适用于早期富水环境。其余试块的的强度如图3 所示。

图3 抗压强度随各组分的变化图

煤矸石对于结石体强度的影响较小，7d 结石体的强度稳定在2.7MPa 左右，1～4#的7 天强度总体超过2.5MPa。在粉煤灰小掺量结石体的抗压强度较大8#、9#试块强度最高，对应组分为20%-30%粉煤灰的试样，但粉煤灰掺量增加时强度降低明显，不利于通过大掺量粉煤灰降低注浆材料成本，单掺20%～50%粉煤灰时，结石体7 天强度大于2MPa；当进行大量复掺时，24#、16#、20#的7 天强度分别大于3.5MPa，此时结石体的强度较为稳定，且水泥用量低，强度高于相同水泥掺量下单掺粉煤灰和煤矸石的强度。因此，40%水泥+30%矸石+30%粉煤灰、30%水泥+50%矸石+20%粉煤灰、20%水泥+30%矸石+50%粉煤灰具有较高的强度，且水泥的用量较大，可明显降低注浆材料成本。

2.5 结石体微观结构分析

试验对不同煤矸石掺量浆液结石体水化7d 的微观结构进行了测试， 4#（50%煤矸石）、5#（60%煤矸石）SEM 分别如图4.1-4.4 所示。

图4 50%水泥+50%矸石7d 结石体SEM 图

图5 40%水泥+60%矸石7d 结石体SEM 图

图6 50%水泥+50%粉煤灰7d 结石体SEM 图

图7 40%水泥+60%粉煤灰7d 结石体SEM 图

图9 20%水泥+30%矸石+50%粉煤灰

图10 40%水泥+30%矸石+30%粉煤灰

如图4、5 所示所示，随着煤矸石掺量增多，浆液结石体微观结构致密度显著降低，这也验证了图3 中结石体抗压强度随着矸石量增大强度降低的测试结果。由于所测样品为水化7d 结石体的微观结构，SEM 结果表明，煤矸石相应矿物未进行有效水化。图6、7 分别为粉煤灰掺量50%、60%所对应的结石体7d 微观结构。如图6、7 所示，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3 中结石体抗压强度随着粉煤灰增大强度降低的测试结果。

图9、10 是粉煤灰和煤矸石复掺结石体微观结构，从SEM 图中可以看出在水泥掺量为40%时粉煤灰和煤矸石复掺明显由于单掺，这可能时粉煤灰和煤矸石复掺丰富了注浆材料的粒度组成，改善了浆液的性能，提高了结石体的密实度；即使在水泥掺量为20%时，30%矸石和50%粉煤灰复掺结石体的微观结构也较为致密，这说明在水泥掺量较低时，通过粉煤灰和煤矸石的复掺也可以得到较好的性能。

3 结语

（1）煤矸石能够一定程度降低浆液流动性，降低浆液泌水率；粉煤灰粉煤灰加入能够提高浆液流动性，但不宜加入过多，防止泌水率过大；水泥-煤矸石-粉煤灰复掺时，煤矸石加入量超过45%后能较明显地降低水泥-煤矸石-粉煤灰复合体系浆液的流动性能。加入大量粉煤灰的凝结时间最长，说明粉煤灰最不利于浆液凝结，其次是煤矸石；16#、21#水泥-煤矸石-粉煤灰复掺的初凝、终凝能够满足对凝结时间的要求。

（2）当煤矸石、粉煤灰分别超过70%时，结石体早期强度较低或不适用于富水环境；复掺时，矸石超过50%或粉煤灰+矸石超过70%时，结石体早期强度较低且不适用于早期富水环境。单掺20%～60%煤矸石、单掺20%～50%粉煤灰时，结石体7 天强度大于2MPa；从强度角度出发，24#、16#、20#的7 天强度分别大于1MPa，采用40%水泥+30%矸石+30%粉煤灰、30%水泥+50%矸石+20%粉煤灰、20%水泥+30%矸石+50%粉煤灰组分强度较好。

（3） 粉煤灰虽能够较大降低含水层注浆改造成本，但随着其加入量的增大，其负面影响也变得非常明显；工程应用时，亦可尝试用其他固废与粉煤灰共用（黏土、赤泥等），以确保注浆效果同时，较显著降低注浆工程成本。