粉煤灰基注浆材料的研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()山西焦煤集团有限责任公司横向项目()作者简介:魏芳()女宁夏固原人在读硕士研究生师从宋慧平教授主要从事固废基注浆灭火材料的研究工作 电话:.通信作者:宋慧平()女山西文水人教授博士生导师主要从事固废资源化利用 电话:.粉 煤 灰 基 注 浆 材 料 的 研 究 进 展魏芳宋慧平周建军段德丹刘倩成怀刚(.山西大学 资源与环境工程研究所山西 太原.黄河流域资源增效减碳教育部工程研究中心山西 太原.山西焦煤集团有限责任公司山西 太原)摘 要:综述了粉煤灰基注浆材料的研究现状并对粉煤灰基注浆材料的工程应用进行了总结 针对提高注浆材料中粉煤灰的利用率进行了粉煤灰活化方式的评估对改善粉煤灰基注浆材料各项性能的方法进行了论证和建议以期为固体废弃物的规模化应用提供理论支撑关键词:粉煤灰注浆材料激发活化凝结时间流动性力学性能中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:据统计全球每年粉煤灰的产量约为.亿 但在世界范围内粉煤灰的资源化利用率仅为 近年来我国粉煤灰堆积量超过 亿 对当地的土壤、水体、大气等造成严重影响 研究表明我国对于粉煤灰、矿渣等固废的利用率仅为 左右因此固废的合理高效利用成为了近年来研究热点传统的粉煤灰应用主要包括复掺进混凝土改善和易性、流动性以及建筑材料预制品制备等粉煤灰是一种由微小颗粒组成的物质主要包括玻璃体及结晶体物质等化学组成主要有、等其中 含量较高 等研究发现将粉煤灰应用于注浆材料中替代部分水泥在提高工业固废利用率的同时降低生产成本 因此将粉煤灰应用于注浆材料具有一定的可行性 注浆材料分类常见的注浆材料根据化学组成一般分为有机注浆材料、有机无机复合注浆材料以及无机注浆材料三类 有机注浆材料具有初始黏度低、柔韧性优异、渗透性强、固化稳定性良好等优点但价格较为昂贵 有机无机复合注浆材料应用也较为广泛但有机无机原料界面相容性较差成为了一大难点无机注浆材料一般是利用水泥、黏土、黄土、高岭土等作为主体材料再配以其他激发剂、外加剂等由于主体材料中富含硅铝等元素在外加剂和激发剂 等 的 作 用 下 产 生、等凝胶结构使得注浆材料具有一定的胶凝性能但由于原材料的来源受限水泥作为原料之一生产时碳排放量大导致传统注浆材料不利于大规模的应用 因此本文将利用固体废弃物粉煤灰作为主体材料按照不同类型进行划分主要从粉煤灰的活化方式、粉煤灰基注浆材料的性能评价以及工程应用等方面对粉煤灰基注浆材料的研究进展进行综述为固废制备注浆材料相关研究提供参考由于注浆材料需求量大、性能要求较高针对应用化工第 卷以上各种材料的特点研究人员提出将固废应用于注浆材料中既解决原有的材料成本高、固结后性能差、材料相容性差等问题又可以大规模处理固废、减轻环境负担 其中主要用到的固废包括粉煤灰、矿渣、赤泥等 本文提到的将粉煤灰应用于注浆材料利用其富含硅铝元素的特点解决粉煤灰堆存问题的同时制备出性能较好的注浆材料 粉煤灰基注浆材料.原料活化方式粉煤灰中含有大量、等具有火山灰效应的玻璃态物质这些物质一般以莫来石形式与水反应只能微弱进行 但激发活化后可以较大程度地释放内部活性大幅提高利用效率 常见活化方式主要包括物理激发、化学激发和热活化激发等.物理激发活化粉煤灰的物理激发指的是利用物理手段向粉煤灰中输入能量来提高其反应活性 常见的方法包括机械活化、超声激发等机械活化用到的设备包括破碎机、球磨机等利用机械力对颗粒形状较大的粉煤灰颗粒进行破碎或球磨并通过控制球磨时间来改变物质的粒径大小进而改变参与反应的有效反应面积研究其性能变化李娜等利用机械球磨活化粉煤灰并研究了活化前后粉煤灰基地聚合物的性能变化对其形成机理等进行分析结果表明球磨活化后的粉煤灰基地聚物注浆材料的强度、抗冻融性等性能均有一定提升 等利用、等分析技术对球磨前后的粉煤灰性质及形态做了对比另外实验中为了提高效率在球磨过程中加入了潮湿条件 实验结果表明球磨对于粉煤灰的粒度、比表面积、晶体结构、颗粒形貌等均有不同程度的影响 粉磨一段时间后部分大颗粒空心微珠破裂形成不规则的碎片化形态而且研磨过程造成了晶面的优先取向 并增加了游离二氧化硅含量这种形态下的粉煤灰具有更高的活性反应也更为迅速激烈.化学激发活化粉煤灰中的硅铝元素多以莫来石的形态存在化学性质较为稳定很难进行一系列化学反应 因此在物理激发的基础上进一步提出了利用化学物质对其进行激发活化以提高其使用价值 常用的化学激发方法主要指的是碱激发通过利用化学物质的强碱性对粉煤灰表面的玻璃体结构进行侵蚀 破坏其中稳定的由 和 等交织形成的网状结构使得其中具有活性的物质溶出参与下一步反应 等利用、等手段对粉煤灰碱激发过程进行了探究并提出了相关反应模型其中第一阶段粉煤灰颗粒表面的硅铝元素在碱激发下开始溶解第二阶段开始表面有反应产物即硅铝胶体产生与此同时碱液进入基体内部反应继续进行第三阶段生成的含硅铝元素的胶体包裹在粉煤灰玻璃体内外开始阻碍反应继续第四阶段呈现了反应产物和粉煤灰颗粒的结合情况第五阶段主要描述了大玻璃体内部小玻璃体被反应产物包裹时的状态这一反应模型较为清晰地阐述了粉煤灰内部碱激发具体过程.热激发活化热活化激发一般用于高效提取原料中的某种化学元素从而有效加快后续的反应进程 微波加热激发也属于热激发的一种即利用微波对粉煤灰进行活化激发出其中的活性物质从而进行下一步反应流程 热激发粉煤灰应用于注浆材料还需要进一步研究.材料性能检测注浆材料在应用过程中需要检测的指标主要包括凝结时间、流动性、析水率、抗压强度、凝结时间等表 对不同使用场景注浆材料性能检测及特定指标进行了归纳总结表 常见无机注浆材料性能指标 应用场景原料常规检测性能特定指标参考文献自燃矸石山治理水泥、脱硫石膏、粉煤灰流动性凝结时间析水率膨胀率抗压强度临界稳定时间沉降速度 /临界稳定时间 黏度系数 路基加固水泥、赤泥、炉渣、矿渣流动性凝结时间结石率膨胀率泌水率抗压强度流动度 初凝时间 终凝时间 泌水率.膨胀率.耐水性强度:矿区注浆堵水煤矸石、水泥、黏土、天然石膏抗压强度抗折强度抗渗性(渗透系数).左右强度:.材料性能改善注浆材料在实际应用过程中为了满足注浆过程的要求需要对前面提到的各种性能进行调控和检测以此满足施工要求.凝结时间凝结时间指的是注浆材料从加第 期魏芳等:粉煤灰基注浆材料的研究进展入水到制备成浆后塑性消失流动性减小所需要的时间包括初凝和终凝两种 凝结时间过长或过短都会对材料的运输和应用有一定的影响 叶华津在研究长大断裂富水破碎带注浆处理浆材性能的过程中发现一定量减水剂存在的前提下向水泥浆料中掺入粉煤灰大量的自由水因没有足够空隙存在而析出使得浆液的凝结时间也随之变长 王利军等利用氧化石墨烯和粉煤灰对注浆材料性能进行改善在实验的基础上进行了多元一次回归模型拟合实测值与回归模型均说明氧化石墨烯()的加入会使得浆液的凝结时间有效缩短 原因可能是因为氧化石墨烯表面的羧基与原料水泥基体中的离子结合加速水化产物的产生及结合从而缩短了凝结时间.流变特征注浆材料的流变特征是其基本特性之一表征材料流变特征的量主要包括流动度、黏度、屈服应力以及触变性等这些特征对于注浆材料的制备运输、储存以及应用有着不可忽视的影响 等的研究结果表明在水泥粉煤灰注浆材料体系中粉煤灰含量的增加有利于提高材料的稠度并有效改善其流动度这说明粉煤灰所具有的微集料效应和滚珠效应对于提高注浆材料流动度有积极影响 同样的 等的研究也证明了这一点即粉煤灰的添加可以有效提高注浆材料的流动性.力学性能由于注浆材料应用场景的多元化导致了不同场景对于材料的要求也有所不同例如在进行桥梁路基注浆加固和煤矿采空区填充的过程中对材料的结石率、析水率以及强度等需要关注 等向原有的矿渣粉煤灰基聚合物注浆材料中加入了不同长度的高钙玄武岩()以此来改善注浆材料的基本性能张文泉等通过利用废弃轮胎橡胶颗粒、粉煤灰与黏土为主体材料制备出了一种新型底板注浆加固材料 研究结果表明橡胶颗粒质量分数的增加会使得抗压强度出现明显降低现象主要原因是橡胶颗粒的憎水特性大量橡胶颗粒的加入提高了内部自由水的比例自由水蒸发后形成的大量孔隙容易使得抗压强度降低.其他性能析水率和结石率是一组相伴产生的表征注浆材料稳定性的指标对注浆材料的充填效果有一定影响 析水率指的是浆液在静止状态下由于主体材料的沉淀作用而析出水分的比率 结石率指的是沉淀凝结后结石体所占比率通过调研文献可知析水率、结石率等性能受不同因素影响效果不同表 对此进行总结表 析水率、结石率的影响因素 主要基体性能影响因素水固比 水玻璃掺量常见外加剂参考文献粉煤灰、水泥、脱硫石膏等析水率结石率-膨润土、叶蜡石粉、聚乙烯醇注:“-”为随着影响因素增加析水率/结石率上升“”为随着影响因素增加析水率/结石率下降 粉煤灰基注浆材料的工程应用粉煤灰基注浆材料作为无机注浆材料的一种被广泛应用于各个注浆场景.注浆灭火矿区开采过程中大量矸石堆积易于导致矸石山起火自燃 注浆灭火法由于操作简单、原料便宜易得等被广泛使用 注浆灭火过程中使用到的注浆材料种类丰富形式多样 王晨阳针对内蒙古某矸石山频繁自燃的现象结合当地工业产业排放大量粉煤灰的现状利用粉煤灰作为主要基体配以煤矸石和脱硫石膏制备出了性能较好的注浆材料 利用 软件对注浆材料的注浆半径进行模拟计算与理论计算数值对比结果显示两种计算方法数值相近最终将其应用至矸石山灭火工程中对当地的矸石山起火状况起到了一定的改善作用.注浆加固注浆材料固结体强度较高可以应用至煤矿采空区加固、隧道工程破碎带加固、路基加固等场景在解决某软土路基垮塌、变形严重的问题时刘强等对以往路基加固改良的情况进行调研后针对待解决路况进行地质调查选用注浆技术进行加固处理主要用到的注浆材料即矿渣粉煤灰复合注浆材料通过对不同土体注浆后的力学性质、渗透性、微观形貌等的分析发现注浆后可以有效改善土壤颗粒间粘结性差、孔隙多且松散的现状这也使得软土路面的强度和抗渗性同步提升 结语与展望粉煤灰基注浆材料作为一种新型的注浆材料具有原料廉价易得、制备过程简单等优点在道路工程等方面应用较为广泛 不仅可以代替传统水泥基注浆材料降低生产成本而且可以实现大规模利用 目前在这方面研究还存在一定的不足未来可以从以下方面改进()对不同类型粉煤灰的活化方式进行更深层次探究总结出相对稳定的规律以期为后续注浆材料的工业应用提供基础数据应用化工第 卷()可以进一步探究水化过程微观结构反应机理进而得到碱激发胶凝材料微观结构与宏观性能之间的本质关系参考文献:孙红娟曾丽彭同江.粉煤灰高值化利用研究现状与进展.材料导报():.宗刚谢雨欣.粉煤灰成型吸附材料的制备及性能研究.应用化工():.李琴杨岳斌刘君等.我国粉煤灰利用现状及展望.能源研究与管理():.邓晓阳裴新意刘自妥等.粉煤灰中铵离子含量对混凝土减水剂掺量及吸附特性影响.矿产综合利用():.贺敬平武善元云明等.水泥粉煤灰煤矿含水层复合注浆材料性能研究.中国资源综合利用():.:.:.李款潘友强解建光等.粉煤灰基地质聚合物注浆材料的性能研究及工程应用.新型建筑材料():.张娜饶光华王松等.粉煤灰改性及其吸附水体污染物的研究进展.应用化工():.张振乾.矿用防灭火活化粉煤灰胶体的制备及特性研究.太原:太原理工大学:.李娜徐中慧李萍等.机械力活化粉煤灰制备地聚合物的性能及机理研究.功能材料():.:.:.:.:.():.中华人民共和国煤炭工业部.煤矿注浆防灭火技术规范:/.重 庆:中 国 标 准 出 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