冯波等：粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 ·1189· 表1高水材料成分及质量分数 材料凝结体充填能力和充填成本的关键性指标，若 Table 1 Constitution of high-water-content material 含水率过低，充填体成本增加，且不利于泵送，体现 组分 半定量 不出高水速凝材料的高水特性 A 3Ca0-3Al,03·CaS04(76%),2Ca0Si02(24%) 高水材料的凝结时间是指甲、乙浆液混合至完 A-A NaC03(6%),Si02(69%),BaBi04(25%) 全失去流动性时所经过的时间.试验时将一定比例 B CaS04(61%),CaC03(12%),Ca0,·2H20(27%) 的甲乙浆液同时倒入250mL的烧杯中充分搅拌使 B-B Si02(70%),CaS04(30%) 其均匀后，每隔30s将烧杯倾斜45°，当浆液完全失 去流动性时为凝结时间，试验结果如图2所示 表2粉煤灰成分及质量分数 Table 2 Constitution and content of fly ash t 14 Si02 Al2O3 Fe2O3 Cao Na2O 12 30 4.3 1.5 2.8 3.2 10 8 1.2试验设计及方法 6 4 试验主要研究粉煤灰掺量对高水材料的容重、 含水率、初凝时间等物理性质以及强度、模量等力学 10.1520 25 30 性质的影响.高水材料水灰比选用3：1，粉煤灰掺量 粉煤灰搀量.a% a(粉煤灰质量/高水材料质量)设置0、5%、10%、 图2不同粉煤灰掺量下高水材料的凝结时间 15%、20%、25%和30%共7组，每组4个试件，所用 Fig.2 Setting time of high-water-content materials of varying fly ash 模具是尺寸为中50mm×100mm的圆柱状试件.各 content 组材料配比如表3所示.高水材料试样的制备包括 从图2可以看出，摻杂粉煤灰会影响高水材料 配料、制样、脱模等过程，脱模完成后，将试件置于 的凝结时间，随着粉煤灰含量的增加，其凝结时间也 (20±3)℃的水中养护7d后，借助微机控制电子万 逐渐延长.粉煤灰摻量α为15%时，凝结时间延长 能试验机力学试验系统进行抗压强度试验，然后利 了约50%，当粉煤灰掺量小于该值时，凝结时间的 用电子扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪对高水材 增长速度较为缓慢，而掺量大于15%时，凝结时间 料进行微观结构分析和化学成分分析 迅速增加，当掺量为25%时，凝结时间延长了约 表3试验材料配比表 200%,达到了10min,此时凝结时间过长已无法满 Table 3 Constitution of tested materials 足工艺要求.这主要是由于随着粉煤灰掺量的增 粉煤灰掺量，a/% 粉煤灰/g高水材料/g水/g 加，高水原材料的含量就相对减少，高水材料浆体的 0 0 900 2700 浓度降低，这对水泥的水化是不利的，导致水化速率 5 45 900 2835 降低，生成凝胶的速度变缓，所以就表现为凝结时间 10 90 900 2970 逐渐延长.上述结果表明，可以通过改变粉煤灰的 15 135 900 3105 20 180 900 3240 掺量来调节高水材料的凝结时间，以满足充填工艺 25 225 900 3375 的要求. 30 270 900 3510 2.1.2容重和含水率 高水材料养护完成后，立即进行称量，测得其质 2 物理力学试验结果分析 量为m,(g),然后用烘干箱将其烘干(108℃，24h), 测得烘干后的质量为m2(g),分别按式(1)、(2)和 2.1主要物理参数 (3)计算其容重y、干容重y:和含水率w,式中V为 2.1.1凝结时间 试件体积，取V=196.25cm3,结果如图3所示 容重、含水率和凝结时间是高水材料的三个主 m 要物理参数.高水材料的凝结时间必须适合于沿空 y=7×9.8 (1) 留巷巷旁支护充填工艺的要求，若凝结时间太短，容 m2 易造成堵管，不利于材料的输送，若凝结时间太长， Ya=7x9.8 (2) 则不易在采空区成型，达不到充填的目的，因此对凝 结时间的控制十分重要.含水率和容重是影响高水 m1-m2×100% )= (3) m冯 波等: 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 表 1 高水材料成分及质量分数 Table 1 Constitution of high鄄water鄄content material 组分 半定量 A 3CaO·3Al2O3·CaSO4 (76% ),2CaO·SiO2 (24% ) A鄄鄄A Na2CO3 (6% ),SiO2 (69% ),BaBiO3 (25% ) B CaSO4 (61% ),CaCO3 (12% ),CaSO4·2H2O(27% ) B鄄鄄B SiO2 (70% ),CaSO4 (30% ) 表 2 粉煤灰成分及质量分数 Table 2 Constitution and content of fly ash % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O 58 30 4郾 3 1郾 5 2郾 8 3郾 2 1郾 2 试验设计及方法 试验主要研究粉煤灰掺量对高水材料的容重、 含水率、初凝时间等物理性质以及强度、模量等力学 性质的影响. 高水材料水灰比选用 3颐 1,粉煤灰掺量 a(粉煤灰质量/ 高水材料质量) 设置 0、5% 、10% 、 15% 、20% 、25% 和30% 共7 组,每组4 个试件,所用 模具是尺寸为 准50 mm 伊 100 mm 的圆柱状试件. 各 组材料配比如表 3 所示. 高水材料试样的制备包括 配料、制样、脱模等过程,脱模完成后,将试件置于 (20 依 3) 益的水中养护 7 d 后,借助微机控制电子万 能试验机力学试验系统进行抗压强度试验,然后利 用电子扫描电镜( SEM)和 X 射线衍射仪对高水材 料进行微观结构分析和化学成分分析. 表 3 试验材料配比表 Table 3 Constitution of tested materials 粉煤灰掺量,a / % 粉煤灰/ g 高水材料/ g 水/ g 0 0 900 2700 5 45 900 2835 10 90 900 2970 15 135 900 3105 20 180 900 3240 25 225 900 3375 30 270 900 3510 2 物理力学试验结果分析 2郾 1 主要物理参数 2郾 1郾 1 凝结时间 容重、含水率和凝结时间是高水材料的三个主 要物理参数. 高水材料的凝结时间必须适合于沿空 留巷巷旁支护充填工艺的要求,若凝结时间太短,容 易造成堵管,不利于材料的输送,若凝结时间太长, 则不易在采空区成型,达不到充填的目的,因此对凝 结时间的控制十分重要. 含水率和容重是影响高水 材料凝结体充填能力和充填成本的关键性指标,若 含水率过低,充填体成本增加,且不利于泵送,体现 不出高水速凝材料的高水特性. 高水材料的凝结时间是指甲、乙浆液混合至完 全失去流动性时所经过的时间. 试验时将一定比例 的甲乙浆液同时倒入 250 mL 的烧杯中充分搅拌使 其均匀后,每隔 30 s 将烧杯倾斜 45毅,当浆液完全失 去流动性时为凝结时间,试验结果如图 2 所示. 图 2 不同粉煤灰掺量下高水材料的凝结时间 Fig. 2 Setting time of high鄄water鄄content materials of varying fly ash content 从图 2 可以看出,掺杂粉煤灰会影响高水材料 的凝结时间,随着粉煤灰含量的增加,其凝结时间也 逐渐延长. 粉煤灰掺量 a 为 15% 时,凝结时间延长 了约 50% ,当粉煤灰掺量小于该值时,凝结时间的 增长速度较为缓慢,而掺量大于 15% 时,凝结时间 迅速增加,当掺量为 25% 时,凝结时间延长了约 200% ,达到了 10 min,此时凝结时间过长已无法满 足工艺要求. 这主要是由于随着粉煤灰掺量的增 加,高水原材料的含量就相对减少,高水材料浆体的 浓度降低,这对水泥的水化是不利的,导致水化速率 降低,生成凝胶的速度变缓,所以就表现为凝结时间 逐渐延长. 上述结果表明,可以通过改变粉煤灰的 掺量来调节高水材料的凝结时间,以满足充填工艺 的要求. 2郾 1郾 2 容重和含水率 高水材料养护完成后,立即进行称量,测得其质 量为 m1 (g),然后用烘干箱将其烘干(108 益 ,24 h), 测得烘干后的质量为 m2 (g),分别按式(1)、(2)和 (3)计算其容重 酌、干容重 酌d和含水率 棕,式中 V 为 试件体积,取 V = 196郾 25 cm 3 ,结果如图 3 所示. 酌 = m1 V 伊 9郾 8 (1) 酌d = m2 V 伊 9郾 8 (2) 棕 = m1 - m2 m1 伊 100% (3) ·1189·