高掺量粉煤灰水泥注浆材料电学性能研究

张刚艳

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 )

高掺量粉煤灰水泥注浆材料电学性能研究

张刚艳

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 )

采用无电极电阻率测定仪测定了多组分高掺量粉煤灰水泥注浆材料的电阻率，建立了高掺量粉煤灰水泥注浆材料的典型电阻率曲线，并对其早期结构形成的不同阶段进行了电学描述，为分析其早期性能的发展提供了新的方法。

粉煤灰；水泥；注浆材料；电阻率

近年来，许多学者在高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能试验方面做了大量工作[1-5]，涉及到诸如高掺量粉煤灰水泥的强度、变形性能、水化性能等许多方面，且已在实际工程中大量应用了高掺量粉煤灰水泥注浆材料[6-8]。国内外有关高掺量粉煤灰水泥注浆材料电学性能方面的研究鲜见报道，本文以高掺量粉煤灰水泥注浆材料的电学性能为研究对象，采用无电极电阻率测定仪测定多组分高掺量粉煤灰水泥注浆材料的电阻率，以揭示高掺量粉煤灰水泥注浆材料的早期形成结构特征。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥 采用P.I型硅酸盐水泥，性能满足GB8076 -2008附录A要求，化学组成见表1，基本性能见表2。

表1 基准水泥矿物组成及化学成分分析结果 %

表2 基准水泥物理力学性能指标

粉煤灰 I级粉煤灰，比表面积461m2/kg，7d和28d活性指数分别为70%和84%。其他性能满足GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

速凝剂 所用速凝剂为市售液态水玻璃，初始模数为2.4，初始容重为1.82N/m3。

1.2试验方法

水泥是一种具有很强胶凝性质的材料，其与水接触后会立即水化形成水泥浆悬浮体，并且逐渐凝聚和硬化，这个过程就是水泥水化结构的形成过程[9]。这一过程伴随着一系列的物理化学反应，不同离子在孔隙中溶出、运移及转化行为，水化产物不断填充各种孔隙的复杂过程，水泥浆体的电阻率则与浆体水固比、溶液离子特征(离子浓度类型)、孔隙特征(尺寸、孔隙分布及连通性)等因素有很大的关系。因此，电阻率方法在水泥水化结构形成及发展的描述上具有适应性和独特性。

试验设备为香港科技大学研制的无电极电阻率测定仪。该仪器由信号发生器、信号放大器、信号感应装置、数据采集系统等组成。其测试原理见图1，首先信号发生器产生频率为1000Hz的交流电流，当在初级线圈上施加一个电压时，在作为变压器次级线圈的试样上就会产生一个环形电流，这种环形电流主要与试样水化时的孔隙率和离子浓度有关，而且可由电流计即时捕捉，因此，根据试样的几何尺寸和欧姆定律，就可在线计算出设定水化龄期间隔内的电阻率。

图1 无电极电阻率测试原理

电阻率ρ的计算如式(1)所示，式(1)中各参数详见图2。

(1)

式中，h为试样高度，mm，在测试时取不同部位的高度平均值；r1为(104-0.0917h)mm；r2为104mm；r3为141mm ；r4为(141+0.0917h)mm；V为通过试样环的输入电压；I为通过试样环的输入电流。

图2 试样几何尺寸

该仪器采用非接触的方法，可消除传统电极接触法出现的诸如消除接触电阻、接触电容对测量的影响等问题，具有精度高、在线测量、非破损测试、多用途等特点，且通过计算机控制和利用精确解析得到的电阻率时间关系曲线精度高，重演性好。

2 试验结果与分析

电阻率参数在水泥基材料已经得到成熟的应用，主要运用在分析水泥或粉煤灰、硅灰等辅助性胶凝材料及化学外加剂对早期水化进程的影响[10-11]。虽然粉煤灰水泥注浆体系在材料角度上与水泥基材料有着许多相似之处，但其低胶材用量、高用水量的特点与水泥基材料有着很大的不同。因此，本文利用前述的非接触式电阻率测试仪来分析高掺量粉煤灰水泥注浆材料体系的电学特征，以期为无损、非破坏评价其性能打下基础。

2.1 注浆材料典型电阻率曲线的建立

利用CCR-2型非接触无电极电阻率测试仪对高掺量粉煤灰水泥注浆材料进行了测试，结果如图3所示。

图3 高掺量粉煤灰水泥的典型电阻率曲线

由图3可知，电阻率迅速下降最低点到一个平衡期；第Ⅲ与第Ⅳ阶段存在水化产物生成对离子的“接纳”需求与水泥水化对离子释放能力的平衡；在第Ⅴ阶段内，随着水化反应的不断进行，各种水化不断生成，导致电阻率稳步上升。

2.2 注浆材料早期结构特征分析

为了更加清晰地分析注浆材料早期的结构形成特征，根据水泥的水化特点，结合不同水固比试样的电阻率参数及其发展趋势，对图3的电阻率曲线进行微分处理，结果如图4至图7所示。

图4 水固比0.91注浆材料的早期结构形成分阶段电学特征

图5 水固比0.77注浆材料的早期结构形成分阶段电学特征

图6 水固比0.71注浆材料的早期结构形成分阶段电学特征

图7 水固比0.67注浆材料的早期结构形成分阶段电学特征

根据图4至图7的特征，对注浆材料的早期结构形成特征进行分阶段建立。

第Ⅰ阶段 离子快速溶解期，水泥和水混合，离子大量融入水中，浓度增加，电阻率迅速降低。

第Ⅱ阶段 水化加速期，离子浓度达到一定后开始水化反应，消耗溶液离子，并且消耗的速度大于离子增加的速度，电阻率增加且增加速度加快。

第Ⅲ阶段 初始结构形成期，离子经过反应浓度降低，反应速度逐渐下降，且粉煤灰和水泥反应水化产物逐渐密实，结构形成，阻碍水化反应的持续进行，电阻率增加速度减弱。

第Ⅴ阶段 结构发展期，随着水化进行，多余的水和CaSO4的产生，促进剩余的未水化水泥继续进行反应，水也逐渐蒸发在空气中，电阻率缓慢增加。

3 结论

(1)采用无电极电阻率测定仪测定了多组分高掺量粉煤灰水泥注浆材料的电阻率，获得了粉煤灰水泥注浆材料的典型电阻率曲线。电阻率迅速下降最低点到一个平衡期；第Ⅲ与第Ⅳ阶段存在水化产物生成对离子的“接纳”需求与水泥水化对离子释放能力的平衡；在第Ⅴ阶段内，随着水化反应的不断进行，各种水化不断生成，导致电阻率稳步上升。

(2)将高掺量粉煤灰水泥注浆材料早期结构形成按电阻率变化规律分为了5个阶段，并对不同阶段进行了电学的描述，为分析其早期性能的发展提供了新的方法。

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[责任编辑：施红霞]

ElectricalPropertiesofHigh-contentFly-ashandCementGroutingMaterial

ZHANG Gang-yan

(Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Applying non-electrode resistivity meter to measuring electrical resistivity of multi-group high-content fly-ash and cement grunting material, typical electrical resistivity curve of high-content fly-ash and cement grouting material was obtained.Different phrases of its initial structure formation were made electricity description.This is a new method for analyzing initial properties development of high-content fly-ash and cement grouting material.

fly-ash; cement; grouting material; electrical resistivity

2013-12-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.027

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05064)天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金：示踪注浆材料及其检测研究(KC-QCX-2012-03)

张刚艳(1975-)，男，湖北鄂州人，副研究员，主要从事“三下”采煤、采空区治理等方面的研究工作。

张刚艳.高掺量粉煤灰水泥注浆材料电学性能研究[J].煤矿开采，2014，19(4)：92-94.

TD350.4

A

1006-6225(2014)04-0092-03