大摻量粉煤灰高水充填材料的研制

孫道勝，胡梅梅，王愛國，劉開偉，管艷梅

(安徽建筑大學安徽省先進建筑材料重點實驗室，合肥　230022)

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大摻量粉煤灰高水充填材料的研制

孫道勝，胡梅梅，王愛國，劉開偉，管艷梅

(安徽建筑大學安徽省先進建筑材料重點實驗室，合肥230022)

文章研究了不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料凝結時間、懸浮性、強度和水化放熱量等性能的影響，研制出大摻量粉煤灰高水充填材料，并分析了其經濟成本。研究表明：在同一水固比條件下，高水充填材料的凝結時間隨著粉煤灰摻量的增加會延長，其強度和反應溫升會有所降低，而對析水率和結實率的影響不大。研制的粉煤灰摻量為60%的高水充填材料，在水固比為1∶1時，凝結時間為11 min、1 d和7 d抗壓強度分別為2.1 MPa、2.8 MPa，其反應溫升較對比組(不摻粉煤灰)降低了22.9%，且成本降低了54.6%。

高水充填材料； 粉煤灰； 凝結時間； 抗壓強度； 反應溫升

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膠結材料[1,2]，由于其具有凝結時間快、早期強度高和施工工藝簡單等特點[3,4]，被廣泛應用于礦山井下充填、地下注漿、道路和地基建設等領域[5-7]。但目前在實際應用過程中還存在著一些問題，例如反應速度快，凝結時間過短，在輸送過程中易堵管；使用的特種水泥成本高；反應時放熱量大，反應溫升高，對煤礦安全有隱患，故其性能還有待于進一步改善[8]。粉煤灰是火力發電廠以煤粉作燃料而從煙囪中排出的灰塵顆粒[9,10]，由于其具有形態效應、火山灰效應和微集料效應，被廣泛用于水泥基材料當中[11,12]。本文利用粉煤灰特性開發研制一種新型高水充填材料，針對不同水固比條件，探究粉煤灰摻量對高水充填材料凝結時間、析水率和結實率、強度和反應溫升等性能的影響，優化高水充填材料的配比，并分析其經濟成本。

2　實　驗

2.1原材料

表1　原材料的化學組成

圖1　原材料的XRD圖譜(a)硫鋁酸鹽水泥;(b)石膏;(c)消石灰;(d)粉煤灰Fig.1　XRD patterns of raw materials

圖2　高水充填材料的制備工藝流程圖Fig.2　Preparation process flow diagram of High water filling material

(1)硫鋁酸鹽水泥(CAS)，產地為河南某特種水泥廠；(2)石膏，由山東濟南迅達利化工有限公司提供；(3)消石灰，來自湖南益佳消石灰廠生產的一級消石灰粉；(4)粉煤灰(FA)，由淮南某電廠提供的二級灰；(5)其他材料(促凝劑、緩凝劑和懸浮分散劑等)均為市購工業品。表1和圖1分別給出了主要原材料的化學組成和XRD圖譜。

2.2實驗方法

(1)高水充填材料的制備

按照以下高水充填材料的制備工藝流程圖(見圖2)及配合比表(見表2)來制備高水充填材料。

表2　高水充填材料的配合比

(2)初凝時間

將制得的高水充填材料漿體倒入250 mL燒杯中，輕輕震動數下，使漿體表面平整，每隔3 min將燒杯傾斜一次，傾斜角度為45°，接近初凝時為每隔1 min傾斜一次，直至漿體完全失去流動時為初凝。

(3)析水率、結實率

將混合均勻后的漿體到入250 mL量筒中，記下初始刻度，然后再記錄2 min、5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min和40 min下量筒中漿液的刻度，并按式(1)計算析水率。待量筒內的漿液在室溫下靜置24 h，記下量筒內結石體體積H24，并按式(2)計算結實率。

(1)

(2)

式(1)中：W-析水率(%)；H-量筒內漿液初始刻度，通常取量筒的量程為250 mL；ht-各時刻時記錄的漿液液面刻度。式(2)中：d-結實率(%);H24-漿液靜置24 h后液面高度。

(4)抗壓強度

將甲、乙料按1∶1稱量，在不同水固比條件下分別攪拌3 min制得甲料單漿和乙料單漿，再混合攪拌1.5 min，然后注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模中成型，置濕度為90%，溫度為(20±2) ℃的養護室中，養護1 h后脫模，然后用塑料袋將試塊密封放入養護室中養護，分別測其1 d、7 d和28 d的抗壓強度。

(5)反應溫升

利用南京葛南實業有限公司的分布式模塊自動測量單位儀器測定高水充填材料內部的溫度變化。按照表2給出的實驗配比將攪拌均勻的漿體注入直徑φ=75 mm的PVC圓柱形容器內，并將溫度傳感器置入漿體中部，連接儀器開始測量，電腦實時自動采集數據。

3　結果與討論

3.1粉煤灰摻量對高水充填材料初凝時間的影響

圖3　不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料初凝時間的影響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

圖3顯示了粉煤灰摻量對高水充填材料初凝時間的影響。由圖可知，在水固比分別為1∶1、1.5∶1和2∶1條件下，高水充填材料初凝時間均隨著粉煤灰摻量的增加而延長，摻有60%粉煤灰相對于未摻粉煤灰的高水充填材料，其初凝時間分別延長了70%、90%和60%。在粉煤灰摻量相同的情況下，高水充填材料的初凝時間均隨著水固比的增大而延長，水固比為2∶1較水固比為1∶1的高水充填材料，其初凝時間分別延長了1.3倍、2倍和1倍。可能是由于粉煤灰摻量的增大，高水充填材料中水泥、石膏、石灰等摻量就會相對減小，早期參與水化反應的顆粒減少，進而影響其凝結時間。當水固比增大，其顆粒之間的接觸幾率就會減小，進而影響其凝結時間。可見，可以通過改變不同水固比下粉煤灰的摻量來調控高水充填材料的初凝時間。

3.2粉煤灰摻量對高水充填材料析水率和結實率的影響

圖4分別顯示了不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料析水率的影響。由圖可知，在水固比分別為1∶1、1.5∶1和2∶1條件下，高水充填材料的析水率雖然均隨著粉煤灰摻量的增加而增大，摻有60%粉煤灰相對于未摻粉煤灰的高水充填材料，其析水率的增大幅度并不是很大，僅分別增大了8.8%、0.8%和0.4%。在粉煤灰摻量分別為0%、20%、40%和60%的情況下，高水充填材料的析水率均隨著水固比的增大而增大，水固比為2∶1較水固比為1∶1的高水充填材料，其析水率分別增大了9.2%、3.0%、4.6%和0.6%。

圖4　不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料析水率的影響(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

圖5　不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料結實率的影響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

圖5顯示了粉煤灰摻量對高水充填材料結實率的影響。由圖可知，在水固比分別為1∶1、1.5∶1和2∶1條件下，高水充填材料的結實率雖然均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，摻有60%粉煤灰相對于未摻粉煤灰的高水充填材料，其結實率的變化幅度并不是很大，僅分別減小了8.8%、0.8%和0.4%。在粉煤灰摻量分別為0%、20%、40%和60%的情況下，高水充填材料的結實率均隨著水固比的增大而減小，水固比為2∶1較水固比為1∶1高水充填材料，其結實率分別減小了9.2%、3.0%、4.6%和0.6%。可見，改變粉煤灰摻量對不同水固比條件下高水充填材料析水率和結實率的影響并不是很大。

3.3粉煤灰摻量對高水充填材料抗壓強度的影響

圖6顯示了不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料抗壓強度的影響。由圖可知，在相同水固比的條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，材料強度有明顯的降低。而在相同粉煤灰摻量的條件下，高水充填材料的強度隨著水固比的減小而增大。在粉煤灰摻量為40%，水固比為1.5∶1和粉煤灰摻量為60%，水固比為1∶1的兩組，與粉煤灰摻量為0%，水固比為2∶1的空白組相比，其強度相當。可見，可以通過調整不同水固比條件下粉煤灰摻量來設計高水充填材料的抗壓強度。

圖6　不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料強度的影響(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粉煤灰摻量對高水充填材料反應溫升的影響

表3是選擇了以上實驗中凝結時間、析水率和結實率以及強度均相當的的四組(第1，2，7，12組)進行反應溫升測試的配合比及其性能的參考。

表3　高水充填材料反應溫升實驗的配合比及性能參考

圖7顯示了在凝結時間、析水率和結實率及強度相當的情況下粉煤灰的摻量對其反應溫升的影響。由圖可知，高水充填材料的最大放熱量基本上都是在成型后1.5～2 h之間。在水固比為2∶1時，摻20%粉煤灰相對于未摻粉煤灰的高水充填材料，溫度有明顯降低，降低了15.3%；粉煤灰摻量為60%，水固比為1∶1與空白組(即粉煤灰摻量為0%，水固比為2∶1)相比，溫度降低了22.9%。可見，通過調整不同水固比條件下粉煤灰摻量來調控高水充填材料反應溫升。降低高水充填材料的反應溫升，將有助于消除煤礦安全的隱患，擴大其應用范圍。

3.5經濟成本分析

比較以上實驗組的各項性能差異，選擇了表3中材料的配合比，在填充體積為1 m3所需的材料的質量作為最后的經濟分析。圖8顯示了粉煤灰摻量對高水充填材料經濟成本的影響。分析總結得出，這幾組在凝結時間、析水率和結實率、強度、反應溫升這幾項性能均相當的情況下，第2、7、12組的成本分別比空白組降低了23.6%，42.4%，54.6%。可見，通過改變粉煤灰摻量可以有效降低高水充填材料的經濟成本。

圖7　不同水固比條件下粉煤灰摻量對高水充填材料反應溫升的影響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

圖8　各組分單價(a)及填充1 m3 所需材料的總價(b)Fig.8　Unit price of raw materials and total price of materials needed to fill 1 m3

4　結　論

(1)研制出了一種大摻量粉煤灰高水充填材料。當粉煤灰摻量為60%，在水固比為1∶1時，其凝結時間為11 min、1 d和7 d抗壓強度分別為2.1 MPa、2.8 MPa，其反應溫升較對比組(不摻粉煤灰)降低了22.9%(對煤炭安全生產有利)，且成本降低了54.6%;

(2)在水固比相同的條件下，高水充填材料初凝時間隨粉煤灰摻量的增加而延長，在粉煤灰摻量相同的條件下，其初凝時間隨水固比的增大而增加;

(3)不同水固比條件下，粉煤灰摻量對高水充填材料的析水率和結實率影響不大。

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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

淮南礦業集團科研項目計劃;安徽省高等教育人才項目和安徽省高校優秀青年骨干人才國外訪學研修項目(gxfxZD2016134)

孫道勝(1963-),男，博士，教授.主要從事水泥基材料方面的研究.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1074-06