粉煤灰基防渗注浆材料配比优选及其性能试验研究

苗贺朝，王 海，王晓东，王 皓，许刚刚

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

0 引 言

“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了在未来30～50 a，煤炭仍然是我国最主要的能源[1-2]。煤炭作为发电、供暖的主要原料，在燃烧时会带来大宗固体废弃物，如粉煤灰等。有关资料估计，到2020年底我国粉煤灰的总堆积量为30亿t左右[3]。固废的不妥善处理，随意堆放等不仅会占用大量土地，还会对大气、水源、土壤等造成污染。粉煤灰本身具有一定潜在的化学活性，若能将其进行合理利用，不但能有效地解决环境污染问题，还可以创造更多的经济价值[4]。

目前，我国粉煤灰利用的最主要方式是将其用于建筑工程材料，如筑路、制砖、做水泥和混凝土的掺合料。随着对粉煤灰性能认识的不断深入，其综合利用正逐步延伸到农业发展(改良土壤、生产肥料等)、环境保护(废液、废气治理)、深度分离、陶瓷生产、化工等领域[5]。相对来讲，国外对粉煤灰的综合利用研究起步较早，除了在建筑材料、环境保护、化工生产等领域应用以外，部分学者还尝试一些新途径和新工艺拓展粉煤灰利用渠道，如：Groszowice水泥厂用碱溶法从粉煤灰中提取氧化铝，Kim Chul-Hwan和Sumio Horiuchi等学者将粉煤灰作为一种提高纸张抗拉强度和内部黏结强度的造纸原料等[6-7]。近年来，随着建材市场逐渐饱和、农用土壤标准提高，国内外粉煤灰综合利用率均受到一定程度影响，且常年累月的积累使得粉煤灰余量较高。目前地下工程水害防治每年消耗大量水泥浆液，如果在水泥浆液中掺入适量粉煤灰，不仅能够有效缓解粉煤灰存放带来的环保压力，提高粉煤灰综合利用附加值，还可以改善水泥浆液的工程性能，同时可大幅减少水泥用量，节约工程成本。而针对粉煤灰基防渗注浆材料性能的系统研究较少，因此有必要开展该方面的工作。

笔者主要针对矿山、隧道和城市地下空间等工程在防治涌水、塌方等地质灾害[8-10]时，着眼于工程安全可靠，力图寻求经济高效的注浆防渗材料的需求而开展的试验研究工作。采用正交试验方法[11-12]测试粉煤灰基防渗注浆材料在不同因素水平下几项关键指标的基本特性，进而为注浆工程提供更优的配合比及方案。

1 粉煤灰基防渗材料性能试验方案

1.1 试验材料

粉煤灰基防渗材料性能试验材料包括水泥、粉煤灰、外加剂和水，各材料基本情况如下：

1)水泥：采用P.O 42.5水泥，各项性能指标详见表1。

表1 普通硅酸盐水泥性能指标

2)粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰，细度为9%；需水量比为91%；烧失量为1.6%，游离氧化钙质量分数为0.2%。

3)外加剂：外加剂选用某激发剂D。

4)水：拌制浆液用水为自来水，PH值7.2。

1.2 试验仪器

为开展粉煤灰基防渗注浆材料配比优选及其性能试验，选用的试验仪器及设备主要有：电子秤、水泥净浆搅拌机、泥浆比重计、水泥稠度试模(截锥圆模)、亚克力板、钢尺、玻璃片、恒温恒湿养护箱、维卡仪、量筒等。

1.3 试验内容及方法

1)流动度试验: 采用截锥圆模、亚克力板及钢尺测试。

2)密度试验：采用泥浆比重计测试。

3)结石率试验：取体积V0的均匀混合浆液，置于密闭容器内，并将其放于恒温恒湿箱中，待初凝后，用排液法[13-14]测出结石体的体积V1,然后根据η=V1/V0×100%计算结石率η，其中，V0为混合浆液体积。

4)析水率试验：用带有刻度的量筒取搅拌均匀的混合浆液V0，盖上玻璃板，并将其放置于恒温恒湿箱中养护。每隔 5 min读取上部澄清水与下部沉淀胶体之间刻度V，直至读数达到稳定为止，稳定标准为连续3个读数完全相同，最后根据δ=(V0-V)/V0×100%计算析水率δ。

5)凝结时间试验：参考水泥浆液凝结时间测试方法，即采用维卡仪测试其初、终凝时间[15-16]。按照设计配比制好浆液，倒入截锥圆形试模，在恒温恒湿箱中养护。从胶凝材料全部加水至维卡仪初凝试针沉至距玻璃底板3～5 mm时所需时间为初凝时间。初凝后，立即将试模连同结石体以平移的方式从玻璃板取下，翻转180°，直径大端向上小端向下放在玻璃板上，放入恒温恒湿箱中继续养护，当维卡仪终凝试针沉入试体0.5 mm时，即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时，浆液达到终凝状态。从胶凝材料全部加水至终凝状态的时间为浆液的终凝时间。

1.4 方案设计

为了既能充分反应各因素、水平对胶凝材料特性的影响，同时尽量减少试验工作量，采取正交试验设计方法。影响因素设计有水固比A、固相比B、激发剂D、温度G，每个因素有4种取值水平，见表2。根据正交试验设计方法，选用L16(45) 型试验表。

表2 注浆材料正交试验因素水平

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

粉煤灰基防渗注浆材料正交试验结果见表3，其包含了6项指标分别在不同因素及不同水平下的测试结果。

表3 注浆材料正交试验结果

2.2 结果分析

根据粉煤灰基防渗注浆材料正交试验数据，对流动度、密度、结石率、析水率、初凝时间和终凝时间进行直观分析(极差分析)与方差分析[17]。

1)极差分析：分别计算6项指标在各因素水平下均值的极差，根据极差大小确定影响因素的主次顺序，极差越大表明该因素对试验结果影响越大。为了更直观起见，用各因素的水平作横坐标，指标均值作纵坐标，做出均值主效应图(图1—图6)。Rj的计算式如下：

(1)

2)方差分析：将总变差平方和分解为各因素的变差平方和与误差平方和，然后构造F统计量，将各因素F与其临界值Fα进行大小比较，检验各因素是否对试验指标具有显著性影响，显著性水平α取0.01，0.05，0.10这3种。总变差平方和ST、总自由度fT和各因素统计量Fm计算公式分别如下所示：

ST=SA+SB+SD+SG+Se

(2)

fT=fA+fB+fD+fG+fe

(3)

(4)

式中：ST为总变差平方和，SA、SB、SD、SG分别为因素A、B、D、G的变差平方和，Se为误差的变差平方和；fT为试验的总自由度，fA、fB、fD、fG分别为因素A、B、D、G的自由度，fe为误差的自由度；Fm为各因素的F值，m可取A、B、D、G；

其中，Fm>F0.01(f1,f2)表示该因子水平的改变对试验结果有高度显著的影响；F0.01(f1,f2)>Fm>F0.05(f1,f2)表示该因子水平的改变对试验结果有显著的影响；F0.05(f1,f2)>Fm>F0.10(f1,f2)表示该因子水平的改变对试验结果有一定的影响；Fm

表4 注浆材料试验6项指标方差分析

续表

2.2.1 流动度

流动度随水固比、固相比、激发剂掺量和温度4个因素的变化如图1所示，由图1可知，浆液流动度具有如下规律：

1)流动度随着水固比的增大而增大。这是由于水的掺入使得胶凝材料细微颗粒更为分散，浆液稠度降低、扩散更远。

2)随着粉煤灰掺入比例增大、水泥掺入比例减小，浆液的流动度呈减小趋势。这是因为试验所用粉煤灰为二级灰，相较于粉煤灰而言，水泥的磨圆度更好，粒度更细且均匀，因此粉煤灰掺量的增加减弱了浆液的流动性。

3)激发剂掺量增减、温度变化对浆液的流动度的影响很微弱。

由极差与方差综合分析结果可知，以流动度为指标，在该试验条件下时，水固比因素的极差最大，表明水固比对浆液流动度的影响最大。各因素影响程度大小依次为：A(水固比)、B(固相比)、G(温度)、D(激发剂)，且A、B两项因素对浆液流动度均具有高度显著的影响。从注浆操作方便性来讲，以流动度为指标时的最佳组合为A4B1DjGj，即：水固比取第4种水平，为1∶1；固相比取第1种水平，为40∶60；激发剂掺量在其水平j范围(0～3%)内取值均可；温度在其水平j范围(5～20 ℃)内取值均可。

图1 各因素对流动度均值的影响Fig.1 Influence of various factors on the mean value of fluidity

2.2.2 密 度

密度随水固比、固相比、激发剂掺量和温度4个因素的变化如图2所示，由图2可知，浆液密度具有如下规律：

1)随着水固比的增大，浆液密度在逐渐减小。即水固比增大时浆液被逐步稀释，密度就减小。

2)随着粉煤灰掺入比例增大、水泥掺入比例减小，浆液的密度略微减小。这是由于水泥的密度大于粉煤灰的密度，故不同固相比的浆液在体积相同时，粉煤灰掺入比例越大，浆液密度越小。

图2 各因素对密度均值的影响Fig.2 Influence of various factors on the mean value of density

3)激发剂掺量改变、温度变化对浆液的密度影响比较微弱。

以密度为指标，在该试验条件下时，水固比因素的极差最大，表明水固比对浆液密度的影响最大。各因素影响程度大小依次为：A(水固比)、B(固相比)、G(温度)、D(激发剂)，其中，A因素对浆液密度具有高度显著影响，B因素对浆液密度具有显著影响。从结石体强度及耐久性来讲，以密度为指标时的最佳组合为A1B1DjGj，即：水固比取第1种水平，为0.7∶1；固相比也取第1种水平，为40∶60；激发剂掺量在其水平j范围(0～3%)内取值均可；温度在其水平j范围(5～20 ℃)内取值均可。

2.2.3 结石率

结石率是指浆液凝固后结石体的体积占原浆液体积的百分比[18]。结石率随水固比、固相比、激发剂掺量和温度4个因素的变化如图3所示，由图3可知，结石率具有如下规律：

1)随着水固比增大，浆液结石率在逐渐减小。水固比增大时，单位体积的浆液里固相材料掺入量就会减小，因此凝固后结石体就减小。

2)粉煤灰(水泥)掺入比例改变对浆液的结石率影响很小。说明适量掺入粉煤灰部分取代水泥，对注浆充填率影响不大。

3)激发剂掺量增加时，浆液结石率略微减小，说明该激发剂促进了材料的水化反应程度，对结石体起到了致密作用。

4)随着温度增加，浆液结实率有小幅增长。这是由于在5～20 ℃范围内时，温度越高，浆液早期水化速率越快，硬化结石体中越容易产生孔隙。以结实率为指标，在该试验条件下时，水固比因素的极差最大，表明4个因素中水固比对浆液结石率的影响最大。各因素影响程度大小依次为：A(水固比)、G(温度)、B(固相比)、D(激发剂)，其中，A因素对浆液结石率具有显著影响，G因素对浆液结石率具有一定影响，B、D因素对浆液结石率无显著影响，从有效充填或加固效果来讲，以结石率为指标时的最佳组合为A1BjDjG4，即：水固比取第1种水平，为0.7∶1；固相比在其水平j范围(40∶60～10∶90)内取值均可；激发剂掺量在其水平j范围(0～3%)内取值均可；温度取第4种水平，为20 ℃。

图3 各因素对结石率均值的影响Fig.3 The influence of various factors on the mean value of concretion rate

图4 各因素对析水率均值的影响Fig.4 Influence of various factors on the mean value of water precipitation rate

2.2.4 析水率

析水率是指浆液在静止状态下由于颗粒的沉淀作用而析出水的比率，主要用于表征浆液的稳定性[19-20]。析水率随水固比、固相比、激发剂掺量和温度4个因素的变化如图4所示，由图4可知，析水率具有如下规律：

1)随着水固比增大，浆液析水率在增大。这是由于胶凝材料数量及外部条件确定时，参与水化反应所需水量也基本不再增大。

2)粉煤灰(水泥)掺入比例、激发剂掺量的改变对浆液的析水率影响很微弱。说明适量掺入粉煤灰、激发剂基本没有改变胶凝材料混合浆液的稳定性能。

3)随着温度增加，浆液析水率有小幅减小。主要是由于温度的提升促进了胶凝材料在浆液中的水化反应速率，且使得水化反应更加充分，参与水化反应所需水量也会增多。

以析水率为指标，在该试验条件下时，水固比因素的极差最大，表明4个因素中水固比对浆液析水率的影响最大。各因素影响程度大小依次为：A(水固比)、G(温度)、B(固相比)、D(激发剂)，其中，A、G因素对浆液析水率具有高度显著影响，B因素对浆液析水率具有显著影响，D因素对浆液析水率无显著影响。以析水率为指标时，应使析水率尽量降低，故最佳组合同样为A1BjDjG4，代表的实际意义同上。

2.2.5 初凝/终凝时间

初凝和终凝时间随水固比、固相比、激发剂掺量和温度4个因素的变化分别如图5和图6所示，由图5与图6可知，在该试验条件下，初凝/终凝时间具有如下规律：

1)随着水固比增大，浆液初凝/终凝时间都在延长。产生这一现象主要是由于该胶凝材料属于水硬性材料，当水灰比较小时，则胶凝材料颗粒间距离较小，容易形成骨架结构；当水灰比增大时，材料颗粒间距离增大，浆液凝结时需要水化产物填充的结构孔隙也增多，故将造成凝结硬化时间的延长。

2)随着粉煤灰掺入比例增大、水泥掺入比例减小，浆液初凝/终凝时间都有较大延长，两者变化幅度基本一致。这是由于水泥与粉煤灰的主要化学成分存在差异，水泥中可参与水化反应的有效成分更多，其参与水化反应更易形成凝聚网状结构。故水泥掺量较多时浆液凝结时间较短；反之，则会延长浆液凝结时间。

图5 各因素对初凝时间均值的影响Fig.5 Influence of various factors on the mean value of initial setting time

图6 各因素对终凝时间均值的影响Fig.6 Influence of various factors on the mean value of final setting time

3)随着激发剂掺量增加，浆液初凝/终凝时间都在缩短。主要是由于激发剂促进了浆液的水化反应速率，增加了水化产物数量，加快了水化产物凝聚速率。

4)随着温度升高，浆液初凝/终凝时间都在缩短。说明温度升高改善了浆液的水化环境，提高了水化速率，促进了浆液凝结硬化。

凝结硬化时间长短主要由胶凝材料水化产物产生速度和数量决定，水化产物凝聚后将形成网状结构，使得浆体塑性降低并逐步硬化[21]。

以初凝/终凝时间为指标，固相比因素的极差最大，表明4个因素中固相比对浆液凝结时间的影响最大。各因素影响程度大小依次为：B(固相比)、G(温度)、A(水固比)、D(激发剂)，且4个因素对浆液初凝时间均具有高度显著影响；B、G对终凝时间具有高度显著影响，A、D对终凝时间具有显著影响。以凝结时间为指标时，既要考虑浆液的施工可操作性，还需兼顾注浆施工进度，即要求凝结时间不宜过短也不能太长，故最佳组合为A1B1D3G4，即：水固比取第1种水平，为0.7∶1；固相比取第1种水平，为40∶60；激发剂掺量取第3种水平，为2%；温度取第4种水平，为20 ℃。

2.2.6 综合平衡法分析

利用综合平衡法[17]对6项指标的条件综合比较，找出兼顾每项指标并满足注浆工程要求的最优方案。试验中要考察的指标有：①流动度：越大越易于施工；②密度：越大越利于工程质量；③结石率：越大越好，一般要求不低于85%；④析水率：越小越好，这样浆液性能更稳定；⑤初凝/终凝时间：根据某注浆工程施工现场要求，初凝时间不得小于12 h，终凝时间不得超过48 h。

结合图1—图6，综合考察6项指标可以看出：4个因素各水平都满足初凝时间要求；满足终凝时间的各因素水平取值分别为水灰比0.7∶1与0.8∶1，固相比40∶60与30∶70，激发剂掺量2%，温度15 ℃与20 ℃。考察结石率发现，满足终凝时间的各因素水平，都可以保证浆液具有85%以上的结石率。考察流动度与密度可知，水固比从0.7∶1调整为0.8∶1时，浆液密度稍有降低，而流动度却有较大改善，因此水固比取值0.8∶1更为合理；进一步考察流动度则有，固相比从40∶60调整为30∶70时，浆液流动度及密度虽都减小，但减小幅度较小，且固相比为30∶70时浆液各项指标均满足工程需求，兼顾工程经济性，宜提高粉煤灰的掺入量，因此固相比的最佳取值为30∶70。由结石率与终凝时间可以看出，养护温度越高，越有利于浆液性能改善。经过上述综合平衡分析后，得到兼顾浆液性能及成本的最佳方案为：水固比取0.8∶1，固相比取30∶70，激发剂掺量取2%，温度尽量在15 ℃以上，即施工作业尽量挑选在合适的季节及天气较好的时段，或采取其他保温措施。

3 工程应用

某露天矿位于内蒙古东部草原区，自2017年以来，矿坑水位保持在较高水平，矿坑疏排水量远大于初步设计方案预计的水量，其严重影响着煤矿的稳定运行。将地质勘探数据、疏排水试验及水位观测结果等资料综合分析，结果表明：矿坑疏排水量主要来源为海拉尔河通过第四系砂砾石层，沿煤层隐伏露头形成补给[22]，砂砾石层平均埋深在地表以下6 m，最大厚度约37 m。本工程旨在通过封堵煤层露头处砂砾石层渗流补给通道，从根本上解决矿区水害威胁问题。针对矿区截排减渗的需求，利用前文试验优选方案，于2019年在该矿区开展了地下连续墙防渗注浆工程，帷幕注浆深度为21～56 m。工期内当地平均气温为15～25 ℃，地层温度梯度按照每向下延伸100 m，地层温度升高3 ℃。由此可得，浆液浇筑后的环境温度在15～27 ℃，该浆液初始温度对浆材浇筑后性能影响较小。在注浆结束后7、28和90 d，采用钻孔取芯力学测试、围井抽水试验及超声波检测等手段对墙体防渗效果进行验证，注浆体在3个龄期对应抗压强度分别为2.7、5.9和8.5 MPa，渗透系数分别为9.8×10-6、1.2×10-6和8.6×10-7cm/s，测试结果表明防渗墙体连续、完整。工程实施后矿坑疏排水量显著减少，该方案既满足便捷施工的要求，又保障了煤矿的安全运行，同时节约了工程成本，在相关工程领域中可推广应用。

4 结 论

1)通过正交试验手段开展了粉煤灰基防渗注浆材料性能室内试验，采用极差与方差方法分析了浆液6项关键性能指标在4个因素4个水平下的变化规律，利用综合平衡法优选出一种既能兼顾浆液各项指标又可以满足注浆工程要求的配比及方案：水固比取0.8∶1，固相比取30∶70，激发剂掺量取2%，施工温度尽量保持在15 ℃以上。

2)将粉煤灰基防渗注浆材料优选后，应用于露天煤矿地下连续墙防渗工程中，保障了矿区的安全稳定运行，减轻了粉煤灰堆存造成的环境问题，节约了注浆工程成本，对矿山水害防治、隧道不良地质处理、地下空间基础改良等类似工程起到了一定的指导作用。

3)水固比对粉煤灰基注浆材料的工程性能影响很大，固相比主要影响浆液流动度及凝结时间，掺加适量的外加剂可以促进浆液凝固、提升浆液性能，做好注浆工程保温防控措施有利于缩短凝结时间、增大结石率及减小析水率。在开展注浆防渗工程时，可以结合实际情况，灵活调整这几项关键因素、水平的取值，以期满足工程需求。