大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究.pdf
第32卷第4期2002年7月东南大学学报(自 然 科 学 版)JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(Natural Science Edition)Vol132 No14July 2002大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究童立元 潘 石 邱 钰 宣国良 刘松玉(东南大学交通学院,南京210096)摘要:为了解大掺量粉煤灰的水泥粉煤灰注浆材料的物理力学性能,通过室内试验,探讨了在大掺量粉煤灰情况下,不同水灰质量比、固相质量比及不同外加剂用量与硬化体抗压强度、浆体凝结时间、流动度、粘度、结石率之间的相互关系.试验表明,随粉煤灰掺量的增加,硬化体抗压强度、浆体流动度降低,而凝结时间延长,结石率和粘度增大;硬化体早期强度较低,后期强度有较大增长(120 d后仍有所增长);适量水玻璃的掺入(水玻璃占水泥质量分数不大于3%)使凝结时间缩短,结石率增大,但导致硬化体抗压强度降低,浆体流动性变差;浆体凝结时间较长,水灰质量比(0.71.0)1.0,粉煤灰掺量质量分数为60%90%时,初凝一般大于12 h,终凝一般大于20 h.关键词:大掺量粉煤灰;注浆充填法;水灰质量比;固相质量比;采空区中图分类号:TU502 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2002)0420643205Experimental research on grouting material with large volume fly ashTong LiyuanPan ShiQiu YuXuan GuoliangLiu Songyu(Transportation College,Southeast University,Nanjing 210096,China)Abstract:Experiments on cement and fly2ash grouting material with large volume fly2ash were carried outin laboratory in order to understand the correlation between different water cement ratio,solid phase propor2tion,additive proportion and setting time,viscidity,fluidity,hardening rate,and concretion strength.Theresults show that with the increase of fly ash proportion the concretion strength and serumfluidity decrease,while setting time,hardening rate and viscidity increase.The early strength of concretion is low while thelate strength increases remarkable even after 120 d.With soluble glass mixed(3%),setting time de2creases and hardening rate increases,but at the same time the concretion strength and fluidity decrease.Thesetting time is quite long,when the water cement ratio is(0.7-1.0)1 and the proportion of fly ash is60%-90%,the early setting time is longer than 12 hours and the last setting time is longer than 20 hours.Key words:large volume fly ash;grouting method;water cement ratio;solid phase proportion;mined2out region 收稿日期:2001211226.作者简介:童立元(1975),男,博士生;刘松玉(联系人),男,博士,教授,博士生导师.随着我国高速公路建设的飞速发展,涌现出一系列的技术难题亟待解决,其中如何成功穿越矿区采空塌陷区,充分利用采空区地表技术,已成为矿区高速公路建设的重要问题之一.已建的晋 焦、乌 奎、石 太高速公路及在建的京福高速公路等都遇到了该类问题1.目前国内高速公路路基下伏采空区治理主要采用注浆充填法,注浆材料以水泥粉煤灰为主,也有水泥黄土或水泥粘土浆液1,2.注浆充填法的实质3是利用液压或气压,通过钻孔将浆液注入采空区冒落带、裂隙带及弯曲变形带中裂隙部位,利用水泥粉煤灰之间所发生的一系列物理化学反应,硬化成具有一定强度、水稳定性及整体性的硬化体,充填空洞和裂隙,从而达到改善地基物理力学性能的目的.采空区注浆技术不同于通常岩土体注浆,后者主要以加固和防渗为主,而对于高速公路下伏采空区而言,主要以充填采空区及其上覆岩土体裂隙为目的,加固机理以充填和压密为主,对注浆材料的强度及细度方面要求相对较低,而且对采空区这种大面积充填注浆,浆材的成本已上升为一个重要因素,因此,根据“安全”、“经济”的原则,可因地制宜,使用大掺量粉煤灰的水泥粉煤灰浆液或水泥粘土浆液等.根据国内目前注浆的研究和应用情况,大掺量粉煤灰的水泥粉煤灰注浆材料应用不广,其配合比设计尚无标准,也没有定型的施工技术,只能参照水泥粘土浆、水泥砂浆、水泥混凝土等相关规范进行4.另外由于粉煤灰活性较低,大掺量粉煤灰水泥浆液硬化体早期强度不高,后期强度有一定增长(28 d后强度仍有增长),但对粉煤灰掺量质量分数超过30%的水泥粉煤灰浆液硬化体的后期强度仍存在怀疑5,因此,有必要通过室内试验了解大掺量粉煤灰的水泥粉煤灰浆材的物理力学性能,并寻求最佳浆液配合比.本文结合某高速公路下伏采空区注浆充填法治理工程,对其进行了试验研究.1 试验方法和原料1.1 试验原料 试验所用水泥为425#普通硅酸盐水泥.粉煤灰由当地电厂提供.水玻璃为一般市场销售产品,液态,模数为2.43.4,质量浓度为3045Be/.粉煤灰化学成分及性能测试指标如表1所示,颗粒组成如表2所示.表1 粉煤灰化学成分及性能指标测试结果%烧失量w(SiO2)w(Al2O3)w(Fe2O3)w(CaO)w(MgO)w(SO3)w(K2O)w(Na2O)细度(0.08 mm方孔筛筛余)标准稠度需水量质量比6.2251.7529.127.604.020.840.151.020.2570124表2 粉煤灰颗粒组成表粒径/mm 2.02.01.01.00.50.50.250.250.1 0.1含量/%9.63.57.712.030.536.7 从 表1中 知,粉 煤 灰 细 度 达 不 到 标 准G B15961991中三级灰的要求(0.08 mm方孔筛筛余量不大于25%),但考虑到采空区注浆的特殊性(主要是充填空洞及大裂隙),细度要求可适当降低,其他检测项目符合G B15961991中三级粉煤灰的要求.1.2 配合比设计试验采用不同的水灰比(水与固体质量之比)、固相质量比(水泥与粉煤灰质量比)及不同数量的水玻璃掺量(水玻璃占水泥的质量分数)进行对比试验,试验配合比设计见表3.表3 配合比试验方案配方水灰质量比固相质量比(水泥 粉煤灰)水玻璃占水泥质量分数/%水+水泥+粉煤灰;水+水泥+粉煤灰+水玻璃0.71.01.01.01090;2080;3070;4060091.3 试验内容试验时测定各种配方浆液的初凝和终凝时间、结石率(硬化体体积与浆液体积之比)、流动度及粘度.试件成型采用70.7 mm70.7 mm70.7 mm试模,浇筑一天后脱模,20 水中养护,测定其7 d,14d,28 d及部分试样的120 d无侧限抗压强度.2 试验结果的分析与讨论不同配方的水泥粉煤灰混合浆液及硬化体试验结果分析及讨论如下:1)浆液硬化体抗压强度硬化体抗压强度受到固相质量比、水灰质量比及水玻璃掺量等因素的影响,它们之间的关系如图1和图2所示.可以得到:图1 抗压强度与粉煤灰掺量、水灰质量比及龄期关系A,B,C 固相质量比为37;水灰质量比分别为0.7,0.8,1.0D,E,F 固相质量比为28,水灰质量比分别为0.7,0.8,1.0G,H,I 固相质量比为19,水灰质量比分别为0.7,0.8,1.0当固相质量比相同、水灰质量比不同时,随水灰质量比增大(浆液质量浓度减小),硬化体抗压强度降低;当固相质量比不同、水灰质量比相同时,随粉煤灰掺量(粉煤灰占固相质量分数)的增加,硬化体抗压强度降低.446东南大学学报(自然科学版)第32卷图2 抗压强度与水玻璃掺量、龄期关系D,G 水灰质量比为1.0;固相质量比为37;龄期分别为7,28,120 dE,H 水灰质量比为0.8;固相质量比为28;龄期分别为7,28,120 dF,I 水灰质量比为0.7;固相质量比为19;龄期分别为7,28,120 d水灰质量比、固相质量比相同时,随龄期增长,硬化体抗压强度增大.浆材早期强度较低,但后期强度增长较大,120 d的强度仍比28 d有所增长.硬化体28 d抗压强度与7 d抗压强度相比,增长率在1倍以上,120 d强度较28 d强度增长率一般在50%以上.这主要与硬化体强度形成机理有关,水泥的硬化和粉煤灰的火山灰反应是强度形成的2种作用,早期以水泥硬化过程为主,后期以火山灰反应为主6,7,其中后者将随时间的延长而缓慢地进行,硬化体后期强度也就相应增长.当水灰质量比、固相质量比不变时,随水玻璃掺量的增加,同一龄期浆液硬化体强度,总体上呈降低趋势.浆液硬化体早期强度较低,试验各配比硬化体7 d抗压强度一般低于1.0 MPa,特别是粉煤灰掺量不小于80%时,其7 d抗压强度一般低于0.5MPa,这样就导致对硬化体早期强度要求较高的加固工程不能使用该种浆材.而采空区注浆,对浆材早期强度提出要求主要是考虑注浆时后序次注浆不致将前序次注浆形成的硬化体冲开,注浆时使用粉煤灰掺量为70%的浆液,并适当控制注浆压力,可以避免硬化体被冲开的现象.2)浆液初凝和终凝时间浆液凝结时间既要满足注浆作业时间的要求,又要求尽快硬化成具有一定强度的硬化体.分析图3和图4,可以得:固相质量比不同、水灰质量比相同时,浆液的凝结时间随粉煤灰掺量的增加而延长;水灰质量比不同、固相质量比相同时,随水灰比的增大,凝结时间延长;图3 凝结时间与水灰比、固相质量比的关系固相质量比、水灰质量比相同时,掺入适量的水玻璃(水玻璃占水泥质量分数不大于3%),有明显的速凝效果,但水玻璃掺量过大,初终凝时间都将延长,而且将使硬化体强度降低.对于采空区注浆,为加快工程进度,在边缘孔注浆时,为尽快形成堵漏帷幕,可加入适量水玻璃,以利于中间注浆孔的施工,但同时要注意控制在一定范围内,以免硬化体强度过低,影响充填效果.采空区注浆施工,工程经验是初凝时间不小于12 h,终凝时间不大于36 h.对于大掺量粉煤灰注浆材料,当水灰质量比为0.71.01.01.0,粉煤灰掺量为60%90%时,凝结时间普遍较长,初凝时间一般在12 h以上,满足采空区注浆作业时间需求,但终凝时间多在20 h以上,有些配比的浆液终凝时间甚至达到4 d以上.从试验知,水灰质量比为0.81.0,粉煤灰掺量为60%70%或水灰质量比为0.71.0,粉煤灰掺量为80%时,浆液初凝时间稍大于12 h,终凝时间在36 h左右,而其他配比浆液凝结时间或偏长或偏短,因此,从凝结时间这方面来说,上述浆材较适合采空区注浆.546第4期童立元等:大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究图4 凝结时间与水玻璃掺量的关系3)流动度和粘度流动度和粘度是注浆材料的重要性能指标,直接关系到注浆施工难易程度.注浆材料必须具有良好的流动性,才能保证浆液的可注性,如果粘度过大,会导致浆液流动困难,不能很好地充满空洞和裂隙,影响注浆充填效果,因此,对于大掺量粉煤灰注浆材料,流动度和粘度是重要控制指标之一.从图5和图6可以看到:固相质量比相同、水灰质量比不同,随水灰质量比增大,流动度增大,粘度降低;水灰质量比相同、固相质量比不同,随粉煤灰掺量增加,流动度降低,粘度升高;水玻璃的掺入,使流动度降低,粘度增大;大掺量粉煤灰浆液在大水灰质量比(0.81.01.01.0)时具有较好的流动性,而当水灰质量比较小时(如0.71.0),流动性相对较差,不利于施工时泵送.另外掺入水玻璃虽然使浆液结石率升高,但导致流动性变差,因此,水玻璃掺量应适当.4)浆液结石率及泌水性结石率和泌水性的大小,关系到注浆充填效果.分析图7和图8可知:图5 流动度与水灰质量比、固相质量比的关系图6 流动度与水玻璃掺量的关系图7 结石率与粉煤灰掺量、水灰质量比的关系固相质量比相同,随水灰质量比增大,结石率降低(即泌水率增大);水灰质量比相同,随粉煤灰掺量增加,结石率增大;加入水玻璃后,浆液结石率提高,泌水性降低.646东南大学学报(自然科学版)第32卷图8 结石率与水玻璃掺量的关系3 结 论1)硬化体抗压强度,随浆材中粉煤灰比例的提高而降低,随龄期的增长而增长,特别是120 d后期强度仍有所增长,硬化体后期强度可以得到保证.当水灰质量比在(0.71.0):1.0范围内,粉煤灰掺量为90%时,硬化体28 d抗压强度一般小于0.5 MPa;粉煤灰质量分数为70%80%时,硬化体28 d抗压强度大于1 MPa,能满足采空区注浆的要求.2)不同龄期硬化体抗压强度,随水灰质量比的增大而降低.稀浆(水灰质量比1.01.0)流动性能良好,但其硬化体强度较低,加固效果较差;而浓浆(水灰质量比0.71.0)硬化体强度高,充填加固效果较好,但流动性相对较差,不易泵送.3)水泥粉煤灰浆材凝结时间较长,初凝一般达到12 h以上,终凝20 h以上,且随粉煤灰掺量的增大而延长,随水灰质量比的增大而延长.4)适量水玻璃的掺入(水玻璃占水泥的质量分数不大于3%),可以起到速凝的效果,提高结石率,但导致浆液流动性变差,硬化体强度降低,其水玻璃掺量应严格控制在一定量之内.5)水泥粉煤灰浆材流动度随粉煤灰掺量的加大而降低,同时粘度增大,结石率升高.6)水灰质量比、固相质量比的选择应综合采空区注浆工程在硬化体抗压强度、浆液凝结时间及现场施工对浆液粘度、流动度的要求,通过室内与现场试验相结合来确定最优配方.7)水泥粉煤灰浆材的研究与应用,有利于变废为宝,开发新的注浆材料,扩大粉煤灰的应用领域,带来较大社会、经济及环保效益.参考文献(References)1杜广印,童立元,刘松玉.高速公路下伏多层煤矿采空区处治方法研究J.东南大学学报(自然科学版),2001,31(3A):115118.Du Guangyin,T ong Liyuan,Liu songyu.Methods of treatingmulti2layer mined2out areas under expresswayJ.Journal ofSoutheast University(Nature Science Edition),2001,31(3A):115118.(in Chinese)2张志沛.高速公路煤矿采空区地基注浆加固治理技术J.中南公路工程,1996(1):2328.Zhang Zhipei.The grouting technical treating coal mined2outregion under expressway J.Middle2South Highway Engi2neering,1996(1):2328.(in Chinese)3地基处理手册编委会.地基处理手册S.北京:中国建筑工业出版社,1994.263264.Manual committee Ground improvement manualS.Beijing:China Architecture and Building Press,1994.263264.(inChinese)4蒋天华.水泥粉煤灰灌浆的探索与应用J.浙江水利水电专科学校学报,2000(1):3738.Jiang Tianhua.Research and application of cement 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