采煤沉陷區充填治理粉煤灰-建筑骨料漿液性能研究

何 騫

（1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工鑫融科技創新發展有限公司，山東 濟寧 272000；3.中煤科工循環產業研究院（山東）有限公司，山東 濟寧 272000）

隨著我國對生態環境的日益重視，生態修復已成為當下各行業關注的熱點[1-2]，我國是煤炭大國，煤炭開采后大面積采煤沉陷區土地已成為生態修復及治理的焦點[3-4]。對于城市近郊沉陷區土地，已嚴重限制資源枯竭型城市的發展，此外采煤沉陷區也影響著道路交通安全[5]，所以對沉陷區土地進行治理具有迫切性，既可以保障道路安全，又可以優化城市土地空間格局，實現沉陷區土地再利用。

對于采煤沉陷區治理，注漿充填是行之有效的方法[6-8]，而注漿材料是各類注漿工程的基礎。當前，針對各類注漿材料，國內外學者從宏觀、微觀角度已有較多研究。鄒友平[9]、劉音等[10]通過研究大摻量粉煤灰漿液的流變特性及優選配比，得到了適宜于“三下”及采空區注漿的合理漿液配比；孫國文等[11]、張開誠等[12]研究了添加外加劑對水泥粉煤灰漿液物理力學特性的影響，得出激發劑能夠有效激發粉煤灰的活性，對漿液結石體前期強度有積極作用；XU Jun 等[13]以礦渣、粉煤灰為注漿材料，通過試塊抗壓強度試驗及掃描電鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）等手段，發現堿性激發劑及礦渣摻量對注漿材料性能有顯著影響，并得到滿足注漿條件的最優配比；CUI J Y 等[14]以水泥、粉煤灰、礦渣為注漿材料進行試驗研究，得出礦渣摻量對結石體前期強度有強化作用，粉煤灰摻量對漿液結石體后期強度有積極作用。此外，諸多學者以水泥粉煤灰漿液為基礎，添加黃土、風積砂等骨料，研究膏體注漿材料[15-17]，為實際工程應用提供重要依據，同時擴大了漿液應用范圍、節省工程造價。

以上研究為注漿充填提供了良好的理論及實踐基礎，但其均從粉煤灰、水泥、礦渣、風積砂等材料出發。近些年，國家對沙子的采銷有嚴格的限制，故其作為骨料進行充填治理有諸多不便。而隨著城市化進程不斷加速，每年產生大量固體廢物，嚴重污染環境。據統計，全國每年產生近15 億t 的建筑固廢，僅上海市2018 年全年就產生7 600 萬t 的建筑固廢[18-19]，城市建筑固廢處理難問題限制了城市發展進程。此外，經濟高速發展消耗大量電力，電廠發電產生的粉煤灰也成為近些年固廢利用的重點[20-22]。而將粉煤灰和建筑固廢相結合，相關漿液性能及應用于沉陷區充填治理的研究較少。

因此，為落實固廢利用政策，將沉陷區充填治理和固廢資源化利用結合，以粉煤灰、建筑固廢為原料制成充填漿液，利用宏觀、微觀等手段研究漿液長期強度及物理特性，并應用于注漿充填中，為建筑垃圾及粉煤灰等各類固廢處理提供有效途徑。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗材料為水泥、粉煤灰以及由建筑固廢制成的再生骨料。水泥取自山東濟寧當地水泥廠PF32.5 粉煤灰硅酸鹽水泥，粉煤灰也為濟寧本地電廠所產，級別為三級干灰。試驗前對粉煤灰理化性能進行測試，粉煤灰物理性能測試結果見表1，粉煤灰主要化學成分測試結果見表2。

表1 粉煤灰物理性能測試結果Table 1 Test results of physical properties of fly ash

表2 粉煤灰主要化學成分測試結果Table 2 Test results of main chemical components of fly ash

再生骨料為自主研發的多級破碎系統，破碎建筑固廢而得，其主要成分為磚、混凝土及少量的土（其中磚占比約56%～65%、混凝土占比約25%～34%、土的含量小于5%），是注漿工程良好的骨料材料。本次研究取粒徑小于1 mm 的再生骨料進行試驗，屬于細料集，再生骨料顆粒級配圖如圖1。

圖1 再生骨料顆粒級配圖Fig.1 Grain grading diagram of recycled aggregate

從圖1 可知：1.18 mm 通過率為100%，0.6 mm以下占比87.6%，0.3 mm 以下占比60.3%，0.15 mm以下占比42.9%，0.075 mm 以下占比24.3%，各層級比例較均勻。

1.2 試驗方法

漿液配比方案見表3。

表3 漿液配比方案Table 3 Proportioning schemes for slurry

試驗先設計不同配比的粉煤灰水泥漿液，研究不同配比下漿液流動度、結石率以及不同齡期結石體強度特性，測試方法按照SL 62—2014 標準、JGJ/T 70—2009 標準方法進行。在以上各組結果的基礎上，綜合選擇1 組配比作為基礎漿液，加入不同量的再生骨料，研究再生骨料漿液各類特性。此外，利用掃描電鏡（SEM）辨識粉煤灰水泥漿液及再生骨料漿液反應后結石體微觀形貌及產物，認識產物形態特征、連接方式及分布狀態，深化對反應機理的進一步研究。

2 試驗結果

2.1 漿液物理力學特性

2.1.1 漿液流動度

流動度是漿液性能最重要參數之一，流動度的大小決定著漿液的擴散范圍，對于地層加固及注漿分析較為關鍵。漿液流動度試驗結果如圖2。

圖2 漿液流動度試驗結果Fig.2 Test results of slurry fluidity

從圖2 可看出：隨著水固比的減小，3 組漿液流動度均呈下降趨勢，這是因為隨著固相的增多，漿液體系需水量增加，而且更多的水參與到水泥及粉煤灰的物理化學反應中，使得流動度總體降低；隨著粉煤灰比例的增加，各組漿液流動度降低，當水泥∶粉煤灰=3∶7 時，在各水固比下流動度保持在22.3～35.3 cm，而當水泥∶粉煤灰=2∶8、水固比為1∶1.3 時，流動度僅為18.6 cm。出現上述結果原因為：本次采用的粉煤灰需水量比較大，達到110%，且該粉煤灰采用的是循環流化床鍋爐排放工藝，顆粒本身保持原煤顆粒外形[23]，該粉煤灰較多顆粒呈棱角狀，不利于漿液流動。

從圖2 中結果總體可知，除1#漿液1.4 組流動度過小，其他各種配比下漿液流動度在合理范圍內，可用于對漿液擴散范圍有不同要求注漿充填工程中。

2.1.2 漿液結石率

漿液結石率的高低對注漿充填治理效果有著重要影響，在強度滿足要求的情況下，結石率越高漿液進入充填范圍內析水后體積收縮小，充填越密實、效果越好。各組漿液結石率試驗結果如圖3。

圖3 漿液結石率試驗結果Fig.3 Test results of slurry stone rate

從圖3 漿液結石率結果可看出：固相比、水固比變化對結石率均有影響，但水固比變化對漿液結石率影響大，隨著水固比的減小，3 組漿液的結石率基本呈增加趨勢，尤其是當水固比從1∶1 減小到1∶1.1時，增加現象特別明顯。此外，從圖中可知：結石率最小值也達到93.7%，且除1#漿液1.1 組、2#漿液2.1 組外，其余各組結石率均達到95%以上，完全滿足實際工程對結石率的要求。

2.1.3 結石體強度特性

采煤沉陷區注漿充填后，漿液凝結形成的結石體能夠對地層破碎巖體加固，且能改善煤柱應力，增強煤柱強度，提高地層承載力，從而使上覆巖層至地表保持穩定狀態。所以，注漿漿液結石體抗壓強度是其自身力學性能的宏觀表征，反映其進入地層或采空區凝固后的加固強度，是配比優選及工程應用中最重要的指標。當前，諸多研究僅針對漿液結石體中短期強度[24-25]，而漿液的長期強度才是工后檢測及工程質量的保證，只有長期強度達標且穩定，才能保證覆巖長期穩定。故本次試驗漿液結石體養護齡期分別為7、28、90 d，從短期及長期多角度開展研究。1#漿液、2#漿液、3#漿液結石體7、28、90 d 抗壓強度試驗結果如圖4～圖6。

圖4 漿液結石體7 d 抗壓強度值Fig.4 7-day compressive strength of slurry stone body

從圖4 可知：當養護齡期為7 d 時，3 組漿液結石體抗壓強度值均較小，相同水固比條件下粉煤灰占比較大時7 d 強度值小，當水固比為1∶1、水泥∶粉煤灰為2∶8 時，1#漿液結石體強度僅為0.11 MPa，當水固比為1∶1.3、水泥∶粉煤灰為3∶7 時，3#漿液結石體抗壓強度已達到1.18 MPa。

從圖5 中可知：當養護齡期為28 d 時，只有1#漿液1.1 組結石體抗壓強度未達到2 MPa，其余各組在不同水固比及固相比條件下，結石體強度均大于2 MPa，滿足規范要求，其中最小值為2.11 MPa，最大值已達到3.95 MPa。此齡期時水泥水化程度大，粉煤灰活性部分被激發，發生火山灰反應，因此漿液結石體強度值較7 d 時有較大幅度增長。

圖5 漿液結石體28 d 抗壓強度值Fig.5 28-day compressive strength of slurry stone body

由圖6 可知：當養護齡期為90 d 時，此階段水泥水化已基本完成，粉煤灰活化在后期強度中起到重要作用。1#漿液1.1 組結石體抗壓強度為2.66 MPa，其余各組漿液結石體抗壓強度都大于3 MPa。計算水固比為1∶1、90 d 時3 組漿液結石體強度均值為3.48 MPa，水固比為1∶1.3、90 d 時3 組漿液結石體強度均值為6.29 MPa。

圖6 漿液結石體90 d 抗壓強度值Fig.6 90-day compressive strength of slurry stone body

分析圖4～圖6 總體趨勢可知：隨著水固比減小，7、28、90 d 抗壓強度值都呈隨之增加的趨勢，特別當水固比小于1∶1.1 時，強度值增加明顯，大于線性增長；當水固比小于1∶1.2 時，3 組漿液結石體28 d 強度值基本大于3 MPa，90 d 強度值全部大于3.71 MPa，最大已達8.15 MPa。

固相比變化時結石體抗壓強度增長率如圖7。

圖7 固相比變化結石體抗壓強度增長率Fig.7 Growth rate of compressive strength of stone body with solid phase change

結合圖4～圖7 可看出：當水泥∶粉煤灰從2∶8 增長到2.5∶7.5 時，結石體強度在7、28、90 d 平均增長率分別為199.1%、12.1%、32.5%；當水泥∶粉煤灰從2.5∶7.5 增長到3∶7 時，結石體強度在7、28、90 d 平均增長率分別為45%、4%、27.45%。根據以上結果可知：①水泥比例的增加促使漿液結石體抗壓強度值增長，在強度形成的前期增加效果非常明顯；②水泥比例從20%增加到25%時，各齡期結石體抗壓強度增長率，大于水泥比例從25%增加到30%的強度增長率，說明隨著水泥比例增加到一定程度其對結石體抗壓強度（尤其是長期強度）的影響作用減弱。

分析各齡期結石體抗壓強度值發現，結石體28 d 強度相對7 d 強度增長速率明顯大于90 d 強度相對于28 d 強度增長速率，說明漿液強度的形成前期較為關鍵，此結果對注漿工程有重要意義：實際注漿過程中，當注漿量達到一定程度時，給予適當的間歇期，減少對漿液前期強度增長過程的擾動，確保漿液強度的形成，從而保證地層得到有效加固與充填，減少跑漿或防止漿液擴散距離過大等各類情況。

2.2 粉煤-建筑骨料漿液

考慮漿液結石體抗壓強度、漿液流動度及結石率、漿液綜合經濟指標，結合實際經驗，選擇2#漿液第2.2 組（水固比1∶1.1、固相比2.5∶7.5）作為基礎漿液，添加再生骨料，進行骨料漿液相關研究。

為了探究與實際條件更貼合的結果，從而更好指導工程實踐，本次骨料添加比例為其占基礎漿液的體積比。骨料漿液配比方案見表4。

表4 骨料漿液配比方案Table 4 Aggregate slurry proportioning schemes

2.2.1 骨料漿液流動度及結石率

骨料漿液流動度及結石率試驗結果如圖8。

圖8 骨料漿液流動度及結石率試驗結果Fig.8 Test results of aggregate slurry fluidity and stone rate

從圖8 可知：隨著骨料比例的增加漿液流動度呈近似線性降低趨勢、結石率呈增長趨勢；當骨料添加比例為50%時，流動度值仍有22.9 cm；當添加量在40%以內時，漿液流動度在24.2 cm 以上，具有一定的擴散性能；結石率最小值達95.8%，完全滿足注漿工程要求。

上述結果原因為，因骨料比例逐漸增加，單位漿液中固相成分不斷增多，使更多的水分參與反應或被吸收，所以漿液的黏稠度升高而流動度逐漸減小，漿液反應固化后的結石體比例在升高，結石率增加。

2.2.2 骨料漿液結石體抗壓強度

骨料漿液結石體抗壓強度試驗結果如圖9。圖中從下往上3 條虛線分別對應基礎粉煤灰水泥漿液7、28、90 d 抗壓強度值。

圖9 骨料漿液結石體抗壓強度Fig.9 Compressive strength of aggregate slurry stone body

分析圖9 可知：當養護齡期為7 d 時，隨著骨料比例的增大漿液結石體抗壓強度值呈小幅增長，骨料添加量小于30%時，其抗壓強度與基礎漿液抗壓強度接近，當骨料添加量大于30%時，其抗壓強度增加較快，且明顯大于0.35 MPa；當養護齡期為28 d 時，隨著骨料比例的增加，抗壓強度值總體增長趨勢不變，添加量為20%、50%時略有小幅減小，但其在各添加量條件下，結石體抗壓強度均明顯大于基礎粉煤灰水泥漿液抗壓強度值，當骨料添加量分別為30%、40%時，其抗壓強度值相比基礎漿液分別增幅54.7%、89.7%；當養護齡期為90 d 時，隨著骨料比例增加，結石體長期抗壓強度呈近似線性增加，當骨料添加量為40%時抗壓強度已達到5.69 MPa；此外，28 d 結石體抗壓強度值相比7 d 強度值，增幅較大，最小增長值為2.93 MPa，最大增長為值3.61 MPa，此結果與前期粉煤灰水泥漿液研究結果相似，說明建筑骨料的添加未明顯改變粉煤灰水泥漿液的強度增長規律，只是作為惰性成分加入漿液中，改善漿液性能、拓展應用范圍。

根據以上研究結果可知，骨料漿液各項物理力學性能良好，在各比例下結石率均較高、流動度適宜，同時結石體中長期抗壓強度在基于粉煤灰水泥漿液基礎上有較大提升。

2.3 漿液結石體微觀特性

為驗證結石體強度特性分析結果，進一步探究粉煤灰水泥漿液及再生骨料漿液體系水化機理及結石體微觀結構，采用掃描電鏡（SEM）對反應7、28 d的結石體試樣進行微觀形貌測試。養護齡期為7、28 d 粉煤灰水泥漿液結石體SEM 如圖10 和圖11。

圖10 漿液結石體7 d SEM 圖Fig.10 SEM of slurry stone body of 7 days

圖11 漿液結石體28 d SEM 圖Fig.11 SEM of slurry stone body of 28 days

當養護齡期為7 d 時，圖10 各組均已生成水化硅酸鈣（C－S－H）凝膠，圖10（a）中產物形貌可看出其分布在一平面上，呈絮狀，部分C－S－H 凝膠包裹著粉煤灰顆粒，但各相之間較松散，未有效連接，因此組粉煤灰摻量大，占固相成分的80%，此時大部分粉煤灰還未發生反應，各成分之間靠水泥水化產物連接，故此組抗壓強度很小，7 d 時僅0.11 MPa；從圖10（b）可以看出水泥水化產生的氫氧化鈣（CH）及粉煤灰顆粒被凝膠包裹，部分CH 析出，少量CH 參與了粉煤灰火山灰反應，圖中部分組分之間已相互連接，致密性比圖10（a）中較好，因圖10（b）與圖10（a）水固比相同，圖10（b）水泥添加比例大，水化更快、產物更多，但仍有較多產物、顆粒之間未形成三維結構，充填不密實，此點也可從前期抗壓強度間接反應；圖10（c）其相對圖10（b）致密性進一步加強，產生了大量絮凝狀、網狀凝膠，將各產物相互連接，形成了近似三維的網狀結構，從抗壓強度結果也可知此時抗壓強度已經達到1.18 MPa。

當養護齡期為28 d 時，由前期研究結果可知此時結石體已達到一定強度，從圖11（a）整個結石體產物內部已形成立體網狀結構，各組分基本相互連接，水泥水化產生的CH 與粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3不斷發生反應，因此結石體強度得到有效提高，但從圖中分析也可知各網絡之間有較多孔隙，致密性一般，這是由于此組漿液本身水泥摻量小，水化產物少，一定比例的粉煤灰處于未激發狀態不參與反應；而圖11（b）產物中生成大量鈣礬石（AFt）、CH 及網絮狀凝膠，結構致密，其中氫氧化鈣一部分參與粉煤灰火山灰反應，生成更多凝膠產物填充在體系中增加體系的強度，另一部分以晶體狀析出，因其本身有較高的硬度故使得結石體強度進一步加強，所以根據前期結果顯示此組結石體28 d抗壓強度已經達2.27 MPa；此外，因圖11（c）與圖11（b）有相同固相比，圖11（c）組總固相成分增加30%，圖11（c）組中結石體內部致密性極好，各產物及原始組分充分結合呈現出整體結構，僅表面部分凝膠呈似蜂窩狀結構，漿液系統反應仍在不斷進行，此時結石體強度已達到3.95 MPa。

骨料漿液D 組（骨料比例40%）7、28 d 微觀電鏡如圖12。

圖12 骨料漿液結石體7、28 d SEM 圖Fig.12 SEM of aggregate slurry stone body of 7 days and 28 days

從7 d SEM 圖可清晰地觀察到諸多再生骨料及少量粉煤灰被形成的絮凝狀凝膠包裹，有一定致密度，但物料及產物之間未完全構成三維結構，部分物料仍單獨存在；再對比28 d SEM 圖可知，片層狀的氫氧化鈣晶體（CH）、針棒狀的鈣礬石（AFt）、再生骨料及部分粉煤灰交錯分布于體系中，通過凝膠產物相連，形成致密的三維結合體，此時結石體抗壓強度為4.61 MPa，強度較高。

從以上結果可知，通過掃描電鏡試驗結果與前期抗壓強度分析結果相互驗證，認識到漿液結石體微觀結構、組成及各組分之間連接方式、狀態，深化對漿液反應機理的認知，從而能夠更好地將本研究漿液應用到實踐中。

3 工程應用

山東濟寧某礦采區巷道如圖13，藍色區域均為巷道，受托對該巷道進行充填注漿。因地面房屋未完全拆遷，同時受城市道路影響，無法采用垂直鉆孔直接施工，故采用定向鉆探技術對該區域進行治理。

圖13 采區巷道及注漿鉆孔布置圖Fig.13 Layout of roadway and grouting drilling in mining area

圖中共2 個鉆場，鉆場一包含DX1 及DX2 2 組鉆孔，利用此組鉆孔分別向圖示位置定向鉆進，總計4 個分支，每個分支打完后及時注漿。圖中DX2-2分支成孔后，先注入本研究的2#2.2 組漿液約450 m3，后換1#1.3 組漿液，注入約500 m3后壓力無變化，進行骨料漿液試注，先后注入B 組骨料漿液300 m3、E 組骨料漿液470 m3后，壓力上升到2.2 MPa，此時轉換為粉煤灰水泥漿液3#3.2 組，注入約290 m3，孔口起壓達到結束標準。DX2-1 分支總計注入粉煤灰水泥漿、骨料漿570 m3，正常起壓。

DX1-2 分支分2 次注漿：第1 次注入2#2.2 組漿液700 m3，B 組骨料漿液200 m3，注E 組骨料漿液約340 m3時突然起壓，經技術分析，未達到注漿標準；二次掃孔后注3#3.1 組粉煤灰水泥漿液400 m3后，換E 組骨料漿液注入約220 m3時，壓力表壓力在0～1 MPa 跳動，經技術分析，可繼續注骨料漿液，但需降低濃度，故換A 組骨料漿液，注入約230 m3，壓力升高到1.8 MPa，及時更換為粉煤灰水泥漿，注2#2.2 組漿液到350 m3時壓力上升較快達到3.1 MPa，為更好符合設計標準，換3#3.1 組漿液，帶壓注入約160 m3時，達到結束標準，停止注漿。DX1-1 分支，連續注入B 組骨料漿液710 m3，壓力上升，換3#3.1 組粉煤灰水泥漿液進行閉漿，注入約40 m3達到結束標準。

鉆場二DX3 鉆孔總計4 個分支，結合前期的注漿效果，采用交叉成孔的方式，相繼成功定向到DX3-2、DX3-1、DX3-3、DX3-4 各靶點。DX3-2 分支注入粉煤灰水泥漿730 m3、骨料漿液190 m3、DX3-1分支注入粉煤灰水泥漿700 m3、骨料漿430 m3、DX3-3、DX3-4 分支總計注入粉煤灰水泥漿約910 m3 后，經現場技術分析該巷道充填良好，結束注漿。

注漿治理工程完成3 個月后，進行工后檢測，從取心中可以看出漿液對裂隙充填良好，結石體完整，經抗壓強度測試其強度在4.2～9.3 MPa 之間，完全滿足規范要求，經評價治理效果良好。

4 結 語

1）1#、2#、3#號粉煤灰水泥漿液流動度隨水固比減小及粉煤灰占比增加，漿液流動度呈減小趨勢，粉煤灰本身結構及性質對流動度有重要影響，實際工程注漿前，應對材料本身性能進行先導性研究。水固比變化對漿液結石率的影響規律性強，尤其當水固比從1∶1 減小到1∶1.1 時，結石率增加現象明顯，各組漿液結石率最小值可達93.7%。

2）漿液結石體7、28、90 d 長期抗壓強度均隨水固比減小而增加；當水泥占比增加，結石體強度增加明顯，但隨著水泥比例增加到一定程度，其對結石體抗壓強度影響作用減弱。漿液結石體抗壓強度前期增長速率大，實際注漿過程應減少對漿液前期強度形成的擾動，利于充填加固效果的提升。

3）研究的粉煤灰-建筑骨料漿液具有適宜的流動度及較高的結石率。骨料漿液結石體抗壓強度高于粉煤灰水泥基礎漿液抗壓強度值，尤其中長期強度增加明顯。

4）隨著養護齡期增長，漿液結石體結構由低密度、疏松性向密實性、完整的三維網狀結構發展，凝膠生成量逐漸增多，且伴隨Ca（OH）2及AFt 的生成。骨料的加入使得漿液結石體內部密實性進一步加強，從宏觀上表現出抗壓強度的增加。研究所配漿液應用于實際注漿工程，各項性能及應用效果良好。

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