水泥CFB灰渣在采空區的研究應用

謝俞超，郎利鵬

（1.山西路橋再生資源開發有限公司，山西 太原 030006；2.山西路橋集團試驗檢測中心有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

山西煤炭業經歷了長足發展，帶來的后果就是采空區增多和大量地表沉降。采空區不僅危及到地表建（構）筑物及公共設施的安全，甚至還有可能誘發更大的地質災害[1-3]。同時，隨著傳統資源不斷消耗，亟需用工業固廢代替傳統集料。結合CFB灰渣的基本特性，提出利用CFB灰渣取代粉煤灰制備采空區注漿材料的技術構想，一則利用CFB灰渣吸水率強的特點，可降低注漿充填材料的泌水率，提高其結石率；二則利用CFB灰渣鈣硫含量高、膨脹特性，通過原材料硫含量控制，在注漿充填材料中引入微膨脹以補償收縮，提高注漿填充密實度，為工業固廢CFB灰渣應用于采空區注漿提供理論依據。基于上述背景及技術構想，依托山西呂梁209國道40萬m3下伏采空區工程，開展了CFB灰渣注漿充填材料的組成設計與關鍵性能前期研究。研究CFB灰渣對注漿充填材料工作性能、力學性能的影響，為環境保護及公路下伏采空區治理提供一定的參考。

1 試驗原材料

該項目采用的水泥來自國金水泥廠32.5礦渣水泥，脫硫灰渣來自國金電廠，水泥、脫硫灰渣物理指標、化學組成見表1～表3。

表1 水泥熟料化學成分 %

表2 水泥性能指標

表3 脫硫灰渣的化學成分

2 試驗方案、試驗方法及結果

2.1 試驗方案

a）注漿充填材料的制備。按照表4配合比制備注漿液。

b）流動度 參照《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB T50448—2015）采用截錐流動度試驗進行漿液流動度測定。

c）抗壓強度 參照《工業固廢CFB灰渣注漿充填采空區施工技術指南（DB14/T2120—2020）中立方體抗壓強度試驗方法測定：采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模，檢測7 d、28 d的抗壓強度。

d）SEM微觀形貌檢測 試樣養護至規定齡期，取橫截面積小于等于5 mm2的試樣，浸泡在酒精中，放入60℃真空干燥烘箱中烘干至恒重，采用Hitachi S-4800場發射掃描電子顯微鏡儀進行形貌觀察。

2.2 試驗方法

配合比設計見表4。

表4 注漿液比例

2.3 試驗結果

按照表4配合比制備的注漿液，流動度、經時流動度、7 d及28 d抗壓強度均滿足設計要求。

3 試驗結果討論

3.1 流動度

表5、圖1看出摻量相同的CFB灰渣初始流動度比CFB飛灰的初始流動度要大，CFB灰渣漿液的1 h后流動度損失比CFB飛灰大，其中CFB灰渣漿液的1 h后流動度損失最大值為7 mm，CFB飛灰漿液的1 h后流動度損失為3 mm。這是因為CFB灰渣顆粒表面疏松多孔，決定了其蓄水量較大，同時失水量較大。CFB飛灰顆粒較小，具有微填充效應，可以置換出部分水，因此初始及經時流動度均小于CFB灰渣。

圖1 漿液流動度

表5 試驗結果

3.2 強度

表5、圖2看出CFB灰渣漿液與CFB飛灰漿液抗壓強度均較高，這是因為CFB灰渣本身具有自硬性，同時CFB灰渣本身具有活性物質，在水泥水化后的堿性環境中與Ca(OH)2發生活性反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等物質。在上述兩方面作用下，注漿液具有較高的抗壓強度；同時與CFB飛灰漿液強度相比，CFB灰渣卡亞強度均高于CFB飛灰，因為CFB灰渣不僅含有活性物質，在堿性環境下發生反應，而且CFB灰渣類似于中粗砂，具有一定的顆粒級配。

圖2 漿液強度

4 微觀機理分析

對CFB灰渣注漿試件進行7 d、28 d齡期取樣，采用電鏡掃描儀（SEM）觀察漿液7 d、28 d齡期的微觀形貌與水化產物，從微觀方面去說明其產生強度的原因。從圖3a看出，CFB灰渣漿液水化產物是纖維狀或簇狀的CSH（水化硅酸鈣凝膠）、針棒狀的AFt（鈣礬石）和片狀的CH（氫氧化鈣）等水化產物把未水化水泥顆粒聚集在一起[4]，相互搭接，使得CFB灰渣漿液產生一定的強度，但由于漿液前期水化產物較少且結構疏松，因此前期強度較低[5-6]。觀察圖3b，隨著養護齡期延長，28 d齡期水化產物增多，產生大量的片狀CH物質及簇狀CSH凝膠，結構更加緊密，宏觀表現為后期強度增大。從表5、圖2看出，7 d、28 d CFB灰渣注漿液強度均高于CFB飛灰注漿液強度，這是因為CFB灰渣呈顆粒狀，在漿液中充當集料，起到一個骨架作用；而CFB飛灰顆粒較細，起一個填充作用，因此強度較CFB灰渣注漿液強度低。

圖3 CFB灰渣注漿液不同齡期的SEM圖像

5 結語

a）摻量相同的CFB灰渣初始流動度比CFB飛灰的初始流動度要大。

b）CFB灰渣漿液1 h后的流動度損失比CFB飛灰大，但均滿足技術要求。

c）CFB灰渣漿液各個齡期抗壓均高于CFB飛灰。d）CFB灰渣用于采空區注漿是可行的。