水泥CFB灰渣在采空区的研究应用

谢俞超，郎利鹏

（1.山西路桥再生资源开发有限公司，山西 太原 030006；2.山西路桥集团试验检测中心有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

山西煤炭业经历了长足发展，带来的后果就是采空区增多和大量地表沉降。采空区不仅危及到地表建（构）筑物及公共设施的安全，甚至还有可能诱发更大的地质灾害[1-3]。同时，随着传统资源不断消耗，亟需用工业固废代替传统集料。结合CFB灰渣的基本特性，提出利用CFB灰渣取代粉煤灰制备采空区注浆材料的技术构想，一则利用CFB灰渣吸水率强的特点，可降低注浆充填材料的泌水率，提高其结石率；二则利用CFB灰渣钙硫含量高、膨胀特性，通过原材料硫含量控制，在注浆充填材料中引入微膨胀以补偿收缩，提高注浆填充密实度，为工业固废CFB灰渣应用于采空区注浆提供理论依据。基于上述背景及技术构想，依托山西吕梁209国道40万m3下伏采空区工程，开展了CFB灰渣注浆充填材料的组成设计与关键性能前期研究。研究CFB灰渣对注浆充填材料工作性能、力学性能的影响，为环境保护及公路下伏采空区治理提供一定的参考。

1 试验原材料

该项目采用的水泥来自国金水泥厂32.5矿渣水泥，脱硫灰渣来自国金电厂，水泥、脱硫灰渣物理指标、化学组成见表1～表3。

表1 水泥熟料化学成分 %

表2 水泥性能指标

表3 脱硫灰渣的化学成分

2 试验方案、试验方法及结果

2.1 试验方案

a）注浆充填材料的制备。按照表4配合比制备注浆液。

b）流动度 参照《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB T50448—2015）采用截锥流动度试验进行浆液流动度测定。

c）抗压强度 参照《工业固废CFB灰渣注浆充填采空区施工技术指南（DB14/T2120—2020）中立方体抗压强度试验方法测定：采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试模，检测7 d、28 d的抗压强度。

d）SEM微观形貌检测 试样养护至规定龄期，取横截面积小于等于5 mm2的试样，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场发射扫描电子显微镜仪进行形貌观察。

2.2 试验方法

配合比设计见表4。

表4 注浆液比例

2.3 试验结果

按照表4配合比制备的注浆液，流动度、经时流动度、7 d及28 d抗压强度均满足设计要求。

3 试验结果讨论

3.1 流动度

表5、图1看出掺量相同的CFB灰渣初始流动度比CFB飞灰的初始流动度要大，CFB灰渣浆液的1 h后流动度损失比CFB飞灰大，其中CFB灰渣浆液的1 h后流动度损失最大值为7 mm，CFB飞灰浆液的1 h后流动度损失为3 mm。这是因为CFB灰渣颗粒表面疏松多孔，决定了其蓄水量较大，同时失水量较大。CFB飞灰颗粒较小，具有微填充效应，可以置换出部分水，因此初始及经时流动度均小于CFB灰渣。

图1 浆液流动度

表5 试验结果

3.2 强度

表5、图2看出CFB灰渣浆液与CFB飞灰浆液抗压强度均较高，这是因为CFB灰渣本身具有自硬性，同时CFB灰渣本身具有活性物质，在水泥水化后的碱性环境中与Ca(OH)2发生活性反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等物质。在上述两方面作用下，注浆液具有较高的抗压强度；同时与CFB飞灰浆液强度相比，CFB灰渣卡亚强度均高于CFB飞灰，因为CFB灰渣不仅含有活性物质，在碱性环境下发生反应，而且CFB灰渣类似于中粗砂，具有一定的颗粒级配。

图2 浆液强度

4 微观机理分析

对CFB灰渣注浆试件进行7 d、28 d龄期取样，采用电镜扫描仪（SEM）观察浆液7 d、28 d龄期的微观形貌与水化产物，从微观方面去说明其产生强度的原因。从图3a看出，CFB灰渣浆液水化产物是纤维状或簇状的CSH（水化硅酸钙凝胶）、针棒状的AFt（钙矾石）和片状的CH（氢氧化钙）等水化产物把未水化水泥颗粒聚集在一起[4]，相互搭接，使得CFB灰渣浆液产生一定的强度，但由于浆液前期水化产物较少且结构疏松，因此前期强度较低[5-6]。观察图3b，随着养护龄期延长，28 d龄期水化产物增多，产生大量的片状CH物质及簇状CSH凝胶，结构更加紧密，宏观表现为后期强度增大。从表5、图2看出，7 d、28 d CFB灰渣注浆液强度均高于CFB飞灰注浆液强度，这是因为CFB灰渣呈颗粒状，在浆液中充当集料，起到一个骨架作用；而CFB飞灰颗粒较细，起一个填充作用，因此强度较CFB灰渣注浆液强度低。

图3 CFB灰渣注浆液不同龄期的SEM图像

5 结语

a）掺量相同的CFB灰渣初始流动度比CFB飞灰的初始流动度要大。

b）CFB灰渣浆液1 h后的流动度损失比CFB飞灰大，但均满足技术要求。

c）CFB灰渣浆液各个龄期抗压均高于CFB飞灰。d）CFB灰渣用于采空区注浆是可行的。