粉煤灰在黔中水利枢纽一期 工程中的试验研究

曾永军 刘小沛 徐 蒙

（1.贵州省黔中水利枢纽工程建设管理局，贵州贵阳，550000； 2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083）

水泥作为注浆工程中的主要材料，应用广泛，但这种浆液易离析和沉淀，稳定性较差。此外，由于普通水泥的颗粒较粗，使浆液难以注入岩土层的细小裂缝或孔隙中，超细水泥的开发虽然克服了这些缺点，但价格较高。各种化学浆液的开发在一定程度上能满足微细裂缝注入的要求，但化学浆液一般有毒且价格又昂贵、胶凝强度不高，随着环保呼声的日益高涨，许多国家已声明禁止使用大部分化学浆液[1]。粉煤灰是具有一定活性的火山灰质混合材料，掺入普通水泥作为注浆材料使用，既可以改善水泥的某些性能，而且还有利于环境保护，同时可以降低工程造价。

1 粉煤灰的化学组成及特点

粉煤灰是火力发电厂燃煤粉锅炉排出的废渣。国内外各电厂粉煤灰的化学成分基本相近，主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃尽的炭[2]，其中活性氧化铝和活性二氧化硅是粉煤灰活性的来源，它们的含量越高，粉煤灰活性就越高，品质也越好；此外，CaO也有利于提高粉煤灰的活性；Fe2O3能起溶剂的作用，促使玻璃体形成，同样有助于提高粉煤灰的活性，而未燃尽的炭则会使粉煤灰品质下降[3]。

加入粉煤灰后的水泥浆液，其特点主要表现在以下几个方面。

（1）易于泵送和灌注：粉煤灰的主要颗粒是含球形玻璃体等粒子的结合体，并具有光滑而致密的外壳，有较好的润滑减阻特性，从而在施工中提高了浆液的可注性和可泵性[1]。

（2）可以降低泌水和沉降：粉煤灰与水泥共同使用时，具有理想的颗粒级配，能够使浆液在泵送和注浆过程中减少分离和沉降作用，同时降低泌水。此外，粉煤灰的比重小于水泥比重，也可降低沉降作用。

（3）提高了抗化学侵蚀能力：在单液水泥浆中，水泥水化释放出的Ca(OH)2对化学侵蚀十分敏感，以致影响了材料的抗化学侵蚀能力。对于粉煤灰-水泥浆而言，由于粉煤灰中的活性氧化物（SiO2和Al2O3）能与Ca(OH)2反应生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而提高了注浆材料的强度和抗化学侵蚀能力。

（4）早期强度偏低，但是后期强度大幅度增长：粉煤灰的球形玻璃体比较稳定，表面又相当致密，不易水化，在水泥中掺入粉煤灰后会降低体系的水化活性，生成的水化产物颗粒之间的连接不够紧密，使得粉煤灰水泥早期强度普遍偏低，但是在后期，粉煤灰颗粒表面水化逐渐加快，大量生成水化硅酸钙凝胶体，从而形成很好的粘结强度[2]。

（5）减少了浆液硬化后的收缩量：由于粉煤灰中含有不规则的多孔玻璃体及未燃炭粒，可以吸收浆液中的部分多余水分，因此水泥-粉煤灰浆液的含水量能很快达到平衡状态，从而减少了材料的收缩值[1]。

（6）具有流动性能好、便于施工、减少施工设备磨损和提高抗渗性等优点。

2 粉煤灰掺量的工程应用

黔中水利枢纽工程是贵州省西部大开发的标志性工程，一期水源工程左岸帷幕灌浆工程地质条件复杂，大坝水头高，帷幕灌浆工程量大，针对地层条件并为了节约成本，根据设计要求，在帷幕灌浆生产性试验前进行了浆材配比试验，即在水泥中加入不同掺量的粉煤灰，对比其对水泥物理力学性能的影响，最终选出粉煤灰的最佳掺量，为粉煤灰在黔中水利枢纽一期工程帷幕灌浆中的大量应用提供科学依据。

根据国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）规定，水泥中粉煤灰的掺加量按重量百分比不得少于20%或超过40%。故本试验主要针对粉煤灰掺量分别为20%、30%、40%时的水泥性能进行研究。测试的浆液性能参数包括比重、粘度、稳定性、凝结时间、析水率、沉淀速度、弹性模量、结石强度、孔隙率、容重和抗渗性能等，每组浆液中均加入占胶凝材料重量0.8%的高效减水剂，水胶比采用3个比级1：1、0.7：1、0.5：1 。

2.1 试验所用原材料

（1）粉煤灰。采用安顺电厂粉煤灰，粉煤灰性能检测结果见表1。

（2）水泥和减水剂。试验采用普通硅酸盐水泥P·O42.5（批号：50254），水泥的技术指标见表2，从表2看，水泥指标符合水泥国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）及《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T5148-2001）要求。减水剂采用UNF-2A型高效减水剂。

（3）水。室内配制浆液采用工地现场生活用水。

2.2 试验方法及结果

将粉煤灰按不同的掺加量加入到相同强度等级的水泥熟料中，混磨后根据《水泥标准稠度用水量凝结时间安全性检测方法》（GB1346-2001）进行水泥标准稠度需水量、 凝结时间、 安定性测定，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T50081-2002）测试各试件的相应力学参数。

试验结果如表3和表4所示。

表1 粉煤灰性能检测

表2 水泥技术指标

表3 浆液物理性能指标检测

表4 浆液力学性能指标检测

3 结 论

通过对试验成果的分析，得出以下结论。

（1）比重与凝结时间：掺粉煤灰后浆液比重降低，凝结时间受水灰比影响不是很大，主要是受粉煤灰掺量的影响，且随着粉煤灰掺量增加，浆液凝结时间延长。

（2）析水率：粉煤灰掺量越大，析水率下降量越大，说明在粉煤灰-水泥浆液中粉煤灰能降低浆液的析水率。

（3）塑性粘度：在水胶比为1：1及0.7：1时，掺粉煤灰与不掺粉煤灰的塑性粘度变化不大，在水胶比为0.5：1时，掺粉煤灰后塑性粘度明显降低，粉煤灰掺量越低，下降量越大，其中掺粉煤灰20%时下降量达到30.2%。

（4）粘结力、劈裂抗拉强度及弹性模量：在胶凝材料相同的条件下，随着水胶比的降低，粘结力、劈裂抗拉强度及弹性模量增大；掺粉煤灰后浆液粘结力、劈裂抗拉强度及弹性模量均有所降低。

（5）渗透系数：随着水胶比的降低，渗透系数变小，此外，粉煤灰在浆液中更多的表现为填充料的性质，它也可以明显提高浆液的抗渗性能。

（6）综合以上分析，为节约水泥，且既要保证硬化后浆液具有一定的粘结力和劈裂抗拉强度，又要提高其防渗性能，最终选取3个比级的水胶比1：1、0.7：1和0.5：1，粉煤灰最佳掺量为30%。

[1] 罗永忠.水泥-粉煤灰浆液试验及工程应用[J].公路交通技术, 2005(2)：26-30

[2] 沈威.水泥工艺学[M].武汉：武汉理工大学出版社,2005

[3] 江学荣,林介东,莫乾凯,江潮全.粉煤灰综合利用现状及发展方向[J].电力环境监督,2002(3)：55-57

[4] 曹红葵.不同掺量粉煤灰对水泥性能的影响[J].试验研究,2005(3)：3-5

[5] 邓汝锋.粉煤灰在混凝土中掺量的研究[J].山西建筑,2009(17)：147-148

[6] 陈爱玖,亢景富,霍洪媛,等.大掺量粉煤灰混凝土性能的试验研究[J].水利水电工程,2002(8)：3-4