４ 西部探矿工程 ２０１３年第６期 水泥一粉煤灰浆液试验及其在采空区注浆中的应用 曹晓毅 ，刘小平，武博强 （中煤科工集团西安研究院，陕西西安７１００７７） 摘要：结合贵州黔桂天能煤焦化扩建项目采空区治理工程，通过室内试验对施工中所用水泥粉煤灰 浆液性能做了研究，分析了不同水固比，不同粉煤灰掺量下浆液的粘度、初终凝时间、结石率及结石体 强度的变化规律，确定了施工合理的注浆浆液配比，为采空区注浆充填治理提供了依据。 关键词：水泥一粉煤灰浆液；采空区；注浆 中图分类号：ＴＶ５３２．１ 文献标识码：Ｂ文章编号：１０Ｏ４—５７１６（２Ｏ１３）Ｏ６一。００４一Ｏ４ 粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，为 燃煤电厂排出的主要固体废物，是我国当前排量较大的 工业废渣之一。据统计，１９９５年粉煤灰排放量达 ｌ－２５×１０ ｔ，２０００年约为ｌ＿５×１０ ｔ，到２００９年达到 ３．７５×１０。ｔ。因此，粉煤灰的充分再利用非常重要［１］。 黔桂天能焦化有限责任公司１３０×１０ ｔ／ａ循环经 济型煤焦化扩建项目采空区治理工程，拟采用充填注浆 进行治理，通过注浆泵将浆液送至钻孔中，注入采空区 冒落带，利用水泥粉煤灰之间发生的物理化学反应，形 成具有一定强度的结石体，阻止采空区变形。 本工程注浆量约为１．０×１０ ｒｎ３。为了在施工中大 量利用黔桂发电责任公司电厂产生的粉煤灰，减少水泥 用量，降低工程成本，同时满足设计文件中浆液可灌性、 结石率、初凝、终凝时间、抗压强度等要求，取得较好的 处治效果，对水泥一粉煤灰浆液进行了试验研究，所得 数据及规律可供同类工程参考。 １试验用原材料及其品质性能 （１）粉煤灰。粉煤灰来自贵州黔桂发电有限责任公 司电厂，试验中采用的是三级灰。相关参数如表１和表 ２所示，从表中数据可以看出，粉煤灰细度略大于三级 灰标准（４５ ），但由于此工程为充填注浆，对细度要求 较低，因此，电厂生产的三级灰可满足本工程需要。 表１粉煤灰的化学成分 表２粉煤灰的物理性能 表３水泥的物理性能 （２）水泥。水泥采用贵州黔桂三合水泥有限责任公 司生产的Ｐ．Ｃ ３２．５复合硅酸盐水泥，其物理力学性能 见表３。 浆液，固体材料中，水泥与粉煤灰的比例分别为１：９、 ２：８、３：７、４：６、５：５。每一种配比下浆液配置过程均 ２试验方案 ２．１浆液配置 为先将粉煤的灰中注水，充分搅拌均匀，再投入水泥，边 投边搅，使水泥颗粒充分分散，粘裹在粉煤灰上，加速水 分别配置水固比１：１、１：１．１、１：１．２、１：ｌ＿３的 ＊收稿日期：２０１２－１１—２７修回日期：２０１２—１２—０３ 第一作者简介：曹晓毅（１９８５一），女（汉族），陕西西安人，助理工程师，现主要从事工程地质研究工作。 ２０１３年第６期 西部探矿工程 ５ 化反应。试验中，采用ＮＪ一１６０Ａ小型搅拌机连续搅拌 不同水灰比、不同粉煤灰掺入量下浆液的试验结果 如表４所示。 ３试验数据分析 ３￣５ｍｉｎ，直至浆液趋于胶体状态。 ２．２试验数据 表４不同配合比下浆液物理力学性能 ３．１粘度 水固比增大，初终凝时间延长。 ３．３结石率 试验中，采用ＹＴ８２１漏斗式粘度计测试浆液粘度。 粘度反映了浆液的流动性，是采空区注浆中重要指标， 试验中，将一定配比浆液灌入１０００ｍＬ量筒中，待 浆液沉淀稳定后，测得浆液结石率。结石率指标反映了 采空区的充填效果Ｅ 。从表３和图３可以看出，水固比 关系到施工的难易程度［２］，决定着注浆压力及流量等参 数。从表３和图１可以看出，水灰比相同的情况下，随 着粉煤灰掺人量的加大，粘度降低；粉煤灰掺人量相同 时，随着水固比增大，浆液的粘度降低，流动性增强。同 时，试验过程中发现，浆液的粘度随时间发生变化，随着 时间延长，浆液粘度增大明显。 ３．２初终凝时间 浆液初终凝时间参考ＧＢ／Ｔ１３４６—２００１水泥凝结 相同的情况下，随着粉煤灰掺人量的加大，结石率变大； 粉煤灰掺人量相同时，随着水固比增大，结石率增大。 ３．４浆液结石体抗压强度 将浆液装入７０．７ｍｍＸ ７０．７ｍｍ×７０．７ｍｍ的试模 中，试件成型２ｄ后脱模，置于标准养护室中养护，采用 压力机测试试块的无侧限抗压强度。从表３和图４可 以看出，水固比相同的情况下，随着粉煤灰掺人量的加 时间，采用维卡仪测定浆液的初凝时间和终凝时间。施 工中，浆液既不能凝结太快也不能凝结太慢。凝结太 快，浆液的扩散半径无法保证；凝结太慢，浆液存在被地 下水或后续浆液冲开的危险，影响灌浆质量。从表３和 图２可以看出，水固比相同的情况下，随着粉煤灰掺人 量的加大，初终凝时间延长；粉煤灰掺入量相同时，随着 大，抗压强度降低；粉煤灰掺人量相同时，随着水固比增 大，抗压强度降低。比较表３中相同水灰比相同粉煤灰 掺量下的７ｄ和２８ｄ无侧限抗压强度可以看出，粉煤灰 掺量大于８Ｏ９／６后，随着龄期增大，抗压强度增长较缓 慢，粉煤灰含量７Ｏ 之内，抗压强度增长明显。水泥一 ６ 西部探矿工程 ２０１３年第６期 粉煤灰浆液的强度，早期由水泥硬化产生，后期主要是 火山灰中的ＳｉＯ２ Ａｌ２ ｏ３与水泥水化产生的Ｃａ（ＯＨ）２ 进行反应，而且随着时间增长，火山灰反应消耗掉多余 的水，浆体强度进一步增长。粉煤灰掺量过大时，水泥 水化作用产生的Ｃａ（ＯＨ）ｚ很少，粉煤灰活性得不到充 分发挥，所以后期抗压强度增长较小 引。 图１粘度与水灰比、固相比的关系 ７０％糊煤灰掺入量 ８Ｏ％粉煤灰掺入量 ９０％粉煤灰掺入蚩 ６ｏ％粉煤灰掺入量 ５ｏ％粉爆灰掺人世 图２初凝时间与水灰比、固相比的关系 —Ｉ】 一５０％粉煤灰掺入量 ２ 一Ｏ一６０％粉煤从撂入量 厘 曾 一０—７０％粉煤灰掺入量 一瑚 Ｏ－－８ｏｏ／￣灰掺入量 －Ｄ一９∞ 煤灰掺入量 图３终凝时间与水灰比、固相比的关系 ４工程应用 根据上述试验结果可以看出，粉煤灰掺量大于７Ｏ 时，结石体７ｄ抗压强度均小于０．８ＭＰａ，粉煤灰掺量大 于８Ｏ 后，结石体抗压强度只有０．４ＭＰａ左右。同时， 结石体２８ｄ抗压强度在７Ｏ ９／６粉煤灰掺量下增长较快， 因此施工过程中，选择７０ 的粉煤灰掺人量。采空区 施工设计文件要求初凝时间不小于１２ｈ，终凝时间不大 图４结石率时间与水灰比、固相比的关系 图５抗压强度（７ｄ）与水灰比、固相比的关系 图６抗压强度（７ｄ）与水灰比、固相比的关系 于３６ｈ，从表４可以看出，７Ｏ 的粉煤灰掺量下的浆液 基本满足要求。根据以往实践经验，浆液在较大水灰比 下具有较好的流动性，粘度在２５～３５ｓ之间较利于施 工［ 。 基于上述，黔桂采空区治理工程施工中，选择１：１ 和１：１＿２两种配比浆液。施工现场设置两级搅拌池， 每池搅拌量大于４．５ｍ。，单池搅拌时问３￣５ｍｉｎ，注浆 泵排量２００Ｉ ／ｍ。，注浆压力１．５～２ＭＰａ，当泵量小于 ５０１ ／ｍｉｎ稳定１Ｏ～１５ｍｉｎ，注浆结束。注浆开始前，采 用清水洗孔约ｌＯｍｉｎ，先注入１：１的稀浆，注入量约为 单孔注浆量的３０ ９／５，之后注入１：ｌｌ ２的浆液直至终 孑Ｌ。 ５结论 ２０１３年第６期 西部探矿工程 ７ 在黔桂采空区治理工程中，大量掺入粉煤灰，在解 决了该企业电厂多余的三级灰的同时，降低了治理工程 Ｉ－４］《地基处理手册》编写委员会．地基处理手册Ｉ－Ｍ］．中国建 筑工业出版社，１９９３． 造价，取得了较大的社会、经济效益。通过对室内试验 分析，结合工程实际，得出了以下结论： （１）浆液密度、初终凝时间、粘度及结石体强度均与 浆液配合比有关，为了保证治理效果、节约工程造价、提 ｒ－ｓ］雷风．水泥一粉煤灰浆液的实验及其应用［Ｊ］．煤炭科学技 术，２００１，２９（９）：１２—１３． ［６］钟维昭，陈阳．水泥一粉煤灰浆液试验及其在隧洞回填灌 浆中的应用－Ｊ］．建井技术，２Ｏ０３，２４（６）． １１１ｅ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｃｅｍｅｎｔ Ｆｌｙ Ａｓｈ Ｇｒｏｕｔ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｏａｆ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ 高施工效率，应在工程注浆前进行试验，确定合理的配 合比。 （２）本工程施工过程中，采用Ｉ：１和ｌ：１＿２两种 配合比浆液，粉煤灰掺人量７Ｏ ，完全可行且满足设计 要求。 （３）由于水泥一粉煤灰浆液早期抗压强度较低，特 ＣＡＯ Ｘｉａｏ—ｙｉ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ－Ｐｉｎｇ，ＷＵ Ｂｏ－ｑｉａｎｇ （Ｘｉ ａｎ ＲＰ５ 口ｒｃ＾Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐ，Ｘｉ＇ａｎ Ｓｈａｎｘｉ ７１００７７，Ｃｈｉｎａ） 别是大掺量粉煤灰的情况下，在特殊要求的注浆工程 中，应进行掺人外加剂的实验研究。 参考文献： Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｑｉａｎ— Ｇｕｉ Ｔｉａｎｎｅｎｇ ｃｏａｔ ｃｏｋｉｎｇ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， ｗｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｆｌｙ ａｓｈ ｇｒｏｕｔ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｓｅｒｏｕｓ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ，ｉｎｉｔｉａｌ—ｆｉｎａｌ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ， ［１］程骁，等．土建注浆施工与效果检测ＥＭ］．上海：同济大学 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Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｍｉｃｒｏｚｏｎａｔｉｏｎ，Ｓｅａｔｔｌｅ，ＵＳＡ，１９８２，２：１１０１－１１０７． Ｅ３３］苗天德，方南山．滑坡发育的突变模型［Ｊ］．兰州大学学 报：自然科学版，１９９８，２４（４）：４５—５０． Ｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｗ Ｐｌａｓ— ，１４４］ Ｐｒａｋａｓｈ，Ｓ，Ｓａｎｄｏｖａｌ，Ｊ．八．ＬｉＥ３４＂］龙辉，秦四清，万志清．降雨触发滑坡的尖点突变模型 Ｉ－Ｊ－］．岩石力学与工程学报，２００２，２１（４）：５０２—５０８． ｔｉｃｉｔｙ ＳｉｌｔｓｆＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｅａｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９２，７１（７）：３７３—３９７． Ｅ３５］房营光．土质边坡失稳的突变性分析ｆＪ－］．力学与实践， ２０００，２６（４）：２４－２７． Ｅ４５］ 白铭学，张苏民．高烈度地震时黄土地层的液化移动［Ｊ］． 工程勘察，１９９０，１７（６）：１－５． ［３６］姜永东，鲜学福，易俊．边坡失稳的尖点突变模型研究 ＥＪ－］．重庆建筑大学学报，２００８，３０（１）：４０—４３． 龚晓南．黄土显微结构特征与湿陷性的研究现状 Ｅ４６－］ 陈东佐，及发展［Ｊ］．地基处理，１９９４，５（２）：５５—６２． 刘悦．高速黄土滑坡蠕、滑动液化机理的进一步 ［４７－］ 王家鼎，，１３７］毛彦龙，胡广韬，赵法锁，毛新虎．地震动触发滑坡体滑动 的机理＿Ｊ］．西安工程学院学报，１９９８，２０（４）：４５—５２． ［３８］黄雅虹．地震作用下黄土斜坡的稳定性分析预测＿Ｊ］．西 北地震学报，１９９８，２０（３）：５２—５８． 研究ＥＪ］．西北大学学报：自然科学版，１９９９，２９（１）：７９—８１． ［４８］ 王兰民，刘红枚，李兰，孙崇绍．饱和黄土液化机理与特性 的试验研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０００，２２（１）：８９—９４．
