CN113735514A - 一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的制备及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高掺量粉煤灰‑水泥注浆材料的制备及应用，属于采矿技术领域，具体组分级质量配比为：粉煤灰5～6份，水泥4～5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1：1.0～1：1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的1～4％。本发明采用高掺量粉煤灰替代部分水泥制备注浆材料，所使用的原材料均易于获得，且注浆材料制备较为方便，工艺简单，实用性强；不仅能够极大降低成本，而且在保证强度达到要求的前提下能够提高注浆材料固结体的不透水性和结实性，降低注浆材料内的颗粒分离和析水特性。采用本方案制备的注浆材料相比水泥料浆每立方可降低200～300元，对矿山而言具有较大的经济效益和社会效益。

Description

一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的制备及应用
技术领域
本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的制备及应用。
背景技术
矿山开采滞留了大量采空区，进行采空区充填是绿色矿山发展的必然趋势。当前采空区处理的主要手段是废石或尾砂充填，充填后进行注浆接顶，注浆材料主要以水泥为主。而注浆的目的主要是固结充填体和确保充填体接顶，对强度要求并不高；根据矿山充填采矿技术规范，确定矿山胶结体3d、7d的抗压强度不小于1MPa、2MPa。
矿山采用水泥注浆的成本过高，对资源造成了大量的浪费，因此提出了采用粉煤灰替代部分水泥作为注浆材料。粉煤灰是指电厂中燃料燃烧所产生烟气灰分中的细微固体粉末，在高倍电子显微镜下呈现为球状细小颗粒，在球状颗粒上附着有玻璃相物质，是粉煤灰产生胶凝活性的主要物质。
粉煤灰-水泥注浆材料具有较好的高后期强度、低干缩量及耐久性，一方面可以减少生产水泥所消耗的材料和降低环境污染，另一方面在保证安全的同时能够降低成本。由于粉煤灰价格远低于水泥价格，在现场实际中倾向于采用高掺量粉煤灰替代水泥作为注浆材料，该情况下可能会造成注浆材料固结体早期强度不够和离析性较大，工程质量难以保证。因此，需确定粉煤灰-水泥注浆材料的合理配比，使之在功能需求和经济合理性方面均满足矿山要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的制备及应用。本发明以粉煤灰、水泥、液体水玻璃、海水为主要原料，进行不同配比组合测试，通过初终凝测试、析水率测试、结实率测试、孔隙度测试、抗压强度测试，得到不同配比下逐渐材料的变化规律，进而选择出早强、吸水率低、结实率高、孔隙度小、抗压强度高的粉煤灰-水泥注浆材料。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，其特征在于，原料包括粉煤灰、水泥、液体水玻璃、海水，按质量分数计算各组材料包括：粉煤灰5～6份，水泥4～5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1～1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的1～4％。
进一步地，所述粉煤灰采用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰；所述Ⅰ级粉煤灰平均粒径≤30nm，Ⅱ级粉煤灰平均粒径≤40nm，粉煤灰中SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3总质量分数≥90％。
进一步地，所述水泥采用市售P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥中SiO2、Al2O3和CaO总质量分数≥90％。
进一步地，所述液体水玻璃采用市售普通水玻璃，作为注浆材料的速凝剂，水玻璃模数为2.5，液体水玻璃密度为1.526g/cm3，液体水玻璃中SiO2含量为31.98％，液体水玻璃中Na2O含量为13.31％。
进一步地，所述海水取自渤海海域，就近原则取海水作为水化反应的反应物，海水PH值≥7.5，海水中氯离子浓度大于15000mg/l。
一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的制备，包括如下步骤：
步骤1)将发电厂获取的各级粉煤灰进行烘干、筛分处理，按量称取所需粉煤灰；按量称取所需水泥；将两者混合均匀获取反应物A；
步骤2)于渤海海域获取海水，进行过滤后按量称取所需海水，得到反应物B；
步骤3)按量称取所需液体水玻璃，得到反应物C；
步骤4)进行反应物A、反应物B、反应物C按比例混合后机械均匀搅拌即可到注浆材料。
进一步地，所述步骤1)、步骤2)、步骤3)并无先后次序之分。
进一步的，通过获取的注浆材料分别进行初终凝测试、析水率测试、结实率测试、孔隙度测试、抗压强度测试。
进一步的，初终凝测试采用维卡仪进行，每组均需重复3次，取平均值作为采用数据。
进一步的，析水率测试需使注浆材料在玻璃量筒中静置6h后得到。
进一步的，均需将注浆材料制备为70.7mm×70.7mm×70.7mm标准立方体养护2d后进行结实率测试，每组均需重复3次，取平均值作为采用数据。
进一步的，将制备好注浆材料放入φ50mm×80mm玻璃瓶，待注浆材料到达终凝时间后进行孔隙度测试，孔隙度测试采用苏州纽迈MesoMR23-060H-I分析仪进行。
进一步的，注浆材料制备为70.7mm×70.7mm×70.7mm标准立方体后分别养护3d、7d、14d、28d，进行室内单轴压缩试验获取抗压强度，试验采用YAW微机控制抗压试验机进行。每组均需重复3次，取平均值作为采用数据。
一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的应用，所述高掺量粉煤灰-水泥注浆材料主要是将配置好的注浆材料进行采空区充填，实现采空区的注浆接顶。
对于普通的P.O 42.5硅酸盐水泥，其主要成分为3CaO·SiO2和2CaO·SiO2，发生水化反应后主要生成物有水化硅酸钙(C-S-H)和Ca(OH)2，粉煤灰中的主要成分有SiO2、Al2O3与CaO，在水化反应过程中，粉煤灰中的Si-O、Al-O键断裂后在OH-的作用下，与Ca2+反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝性产物。胶凝性产物均不溶于水，形成后会立即以胶体状态析出，并逐渐凝聚而成为胶凝体。
粉煤灰也可与水泥中生成的Ca(OH)2发生二次反应，降低注浆材料的含碱量，近一步增加料浆的抗渗性。另一方面，粉煤灰作为反应物具有较强的微集料效应，即粉煤灰细微颗粒均匀的分布于料浆中，有助于料浆中孔隙的填充与细化，进一步降低注浆材料的孔隙率，使生成物的强度得到改善。
水玻璃主要成分为Na2O·nSiO2，属于强碱弱酸盐，采用水玻璃作为水化反应速凝剂，发生水解反应生成强碱NaOH，强碱再与SiO2反应生成胶体硅酸钠，进而产生水化硅酸钙(C-S-H)，加速了水化反应的生成。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明采用高掺量粉煤灰替代部分水泥制备注浆材料，不仅能够极大降低成本，而且在保证强度达到要求的前提下能够提高注浆材料固结体的不透水性和结实性，降低注浆材料内的颗粒分离和析水特性。
本发明所使用的原材料均易于获得，且注浆材料制备较为方便，工艺简单，实用性强。
本发明所采用的粉煤灰实为工业废料，粉煤灰的有效利用解决了我国面临的工业固废处理问题，对国家环境保护和矿山绿色开采均具有较好的指导性意义。目前市面上水泥的单价为500～600元/t，而粉煤灰单价为100～150元/t，采用高掺量粉煤灰替代部分水泥制成注浆材料每立方可降低200～300元，对矿山而言具有较大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本申请原料Ⅱ级粉煤灰的电镜扫描图。
具体实施方式
一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，原料包括粉煤灰、水泥、液体水玻璃、海水，按质量分数计算各组材料包括：粉煤灰5～6份，水泥4～5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1～1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的1～4％。
粉煤灰采用Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰；对Ⅱ级粉煤灰进行电镜扫描，球状颗粒上附着的玻璃相物质，为粉煤灰胶凝活性的主要物质。
Ⅰ级粉煤灰平均粒径≤30nm，Ⅱ级粉煤灰平均粒径≤40nm，粉煤灰中SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3总质量分数≥90％；
水泥采用市售P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥中SiO2、Al2O3和CaO总质量分数≥90％；
液体水玻璃采用市售普通水玻璃，作为注浆材料的速凝剂，水玻璃模数为2.5，液体水玻璃密度为1.526g/cm3，液体水玻璃中SiO2含量为31.98％，液体水玻璃中Na2O含量为13.31％；
海水取自渤海海域，就近原则取海水作为水化反应的反应物，海水PH值≥7.5，海水中氯离子浓度大于15000mg/l；
本发明一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料制备方法，具体步骤包括：
步骤1)将发电厂获取的各级粉煤灰进行烘干、筛分处理，按量称取所需粉煤灰；按量称取所需水泥；将两者混合均匀获取反应物A；
步骤2)于渤海海域获取海水，进行过滤后按量称取所需海水，得到反应物B；
步骤3)按量称取所需液体水玻璃，得到反应物C；
步骤4)进行反应物A、反应物B、反应物C按比例混合后机械均匀搅拌即可到注浆材料。
在具体步骤中，步骤1)、步骤2)、步骤3)并无先后次序之分。
本发明一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料应用，主要是将配置好的注浆材料进行采空区充填，实现采空区的注浆接顶。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例1
取Ⅰ级粉煤灰6份，水泥4份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的2％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
实施例2
取Ⅰ级粉煤灰5份，水泥5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的1％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
实施例3
取Ⅰ级粉煤灰5份，水泥5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1.2，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的4％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
实施例4
取Ⅰ级粉煤灰5份，水泥5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的2％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
实施例5
取Ⅱ级粉煤灰6份，水泥4份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的2％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
实施例6
取Ⅱ级粉煤灰5份，水泥5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的1％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
实施例7
取Ⅱ级粉煤灰5份，水泥5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1.2，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的4％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
实施例8
取Ⅱ级粉煤灰5份，水泥5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的2％，混合后机械搅拌5min，即可制备注浆材料。利用压力泵和注浆管将注浆材料输送至采空区即可进行注浆材料应用。
对实施例1～8制备的注浆材料进行性能测试，主要测试包括初终凝测试、析水率测试、结实率测试、孔隙度测试、抗压强度测试。
所述初终凝测试采用维卡仪进行，每组均需重复3次，取平均值作为采用数据。
所述析水率测试采用玻璃量筒进行，向玻璃量筒内注入100mL逐渐材料静置6h后作为测试结果。
所述结实率测试均需将注浆材料制备为70.7mm×70.7mm×70.7mm标准立方体养护2d后进行测试，每组均需重复3次，取平均值作为采用数据。
所述孔隙度测试需将制备好注浆材料放入φ50mm×80mm玻璃瓶，待注浆材料到达终凝时间后进行孔隙度测试，孔隙度测试采用苏州纽迈MesoMR23-060H-I分析仪进行。
所述抗压强度测试需将注浆材料制备为70.7mm×70.7mm×70.7mm标准立方体后分别养护3d、7d、14d、28d，采用YAW微机控制抗压试验机进行室内单轴压缩试验获取抗压强度。每组均需重复3次，取平均值作为采用数据。
具体测试结果如下表：
Figure BDA0003252601110000071
从表中可以看出，本发明所制备的高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，不仅能够极大降低成本，而且在保证强度达到要求的前提下能够提高注浆材料固结体的不透水性和结实性，降低注浆材料内的孔隙率、颗粒分离和析水特性。
应注意：以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，其特征在于，原料包括粉煤灰、水泥、液体水玻璃、海水，按质量分数计算各组材料包括：粉煤灰5～6份，水泥4～5份，海水与粉煤灰、水泥质量和之比为1:1～1.4，液体水玻璃为粉煤灰、水泥质量和的1～4％。
2.根据权利要求1所述一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，其特征在于，所述粉煤灰采用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰；所述Ⅰ级粉煤灰平均粒径≤30nm，Ⅱ级粉煤灰平均粒径≤40nm，粉煤灰中SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3总质量分数≥90％。
3.根据权利要求1所述一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，其特征在于，所述水泥采用市售P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥中SiO2、Al2O3和CaO总质量分数≥90％。
4.根据权利要求1所述一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，其特征在于，所述液体水玻璃采用市售普通水玻璃，作为注浆材料的速凝剂，水玻璃模数为2.5，液体水玻璃密度为1.526g/cm3，液体水玻璃中SiO2含量为31.98％，液体水玻璃中Na2O含量为13.31％。
5.根据权利要求1所述一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料，其特征在于，所述海水取自渤海海域，就近原则取海水作为水化反应的反应物，海水PH值
≥7.5，海水中氯离子浓度大于15000mg/l。
6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的制备，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)将发电厂获取的各级粉煤灰进行烘干、筛分处理，按量称取所需粉煤灰；按量称取所需水泥；将两者混合均匀获取反应物A；
步骤2)于渤海海域获取海水，进行过滤后按量称取所需海水，得到反应物B；
步骤3)按量称取所需液体水玻璃，得到反应物C；
步骤4)进行反应物A、反应物B、反应物C按比例混合后机械均匀搅拌即可到注浆材料。
7.根据权利要求6所述一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的制备，其特征在于，所述步骤1)、步骤2)、步骤3)并无先后次序之分。
8.一种高掺量粉煤灰-水泥注浆材料的应用，其特征在于，所述高掺量粉煤灰-水泥注浆材料主要是将配置好的注浆材料进行采空区充填，实现采空区的注浆接顶。
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