·1188· 工程科学学报，第40卷，第10期 changs;(2)high-water-content materials,with or without fly ash,are elastoplastic materials,and their deformation and failure pro- gress could be divided into pore compaction stage,elastic stage,yield stage,and failure stage;(3)the peak strength,elastic modu- lus,and deformation modulus of high-water-content materials are reduced with increasing fly ash content,although residual strength is improved;and(4)the most reasonable dosage of fly ash is 15%when strength,modulus and cost are considered.Peak intensity, elastic modulus,and deformation modulus of high-water-content material are reduced by only 25%,8.6%and 10%at this fly ash dos- age,respectively,and the residual strength increased by 50%.Phase and morphology analyses show that the amount of fly ash affects the hydration progress of B-CS,resulting in reduction of ettringite and an increase in other hydration products.Thus,the homogeneity and integrity of the structure of ettringite are destroyed at different levels,leading,eventually,to a reduction in the compressive strength of high-water-content materials. KEY WORDS fly ash:high-water-content materials;physical and mechanical properties;phase analysis;microstructure 我国早期以矸石、水泥、混凝土等传统材料为主 步应用和发展. 的充填技术存在工艺复杂、运输量大、成本高、采空 本文拟研究粉煤灰掺量对高水材料物理力学参 区密实效果不理想等工程问题，直到高水材料在矿 数的影响规律，在保证高水材料基本性能的条件下， 井中的广泛应用，以上问题才在一定程度上得到了 尽可能提高粉煤灰掺量，加大对粉煤灰的利用率. 缓解).高水材料具有施工简单、泵送性能好、绿色 对不同粉煤灰掺量的高水材料进行微观电镜扫描和 环保、充填接顶率高等优点，既能充分满足分层采矿 化学成分分析，从微观和化学的角度来解释粉煤灰 技术的要求，又能快速充填处理大采空区[2-)，因此 对高水材料物理力学性能的影响机理，这对高水材 在煤矿巷旁充填支护、井巷壁后充填等领域取得了 料的应用发展、环境保护和资源回收利用具有重要 广泛的应用4 意义 工程中常用的净浆高水充填材料由甲、乙两种 成分组成，其中甲料主要成分是硫铝酸盐水泥、悬浮 1原材料及试验方法 剂、缓凝剂等，乙料的主要成分是石灰、石膏、悬浮 1.1原材料 剂、早强剂等的混合物).高水材料的甲、乙料加水 试验所用的高水材料是由A和A-A组成甲 混合后能迅速完成初凝，而且在短时间内能达到一 料，B和B-B组成乙料，且根据实际工程经验，各组 定的强度，但是仅用高水材料进行采空区充填，容易 分的质量比为A:A-A:B:B-B=1:0.1:1:0.04,原 出现凝结时间过快而泵送困难、反应温升高、后期强 材料各组分通过X射线衍射分析，其图谱如图1所 度不足、成本相对较高等问题.目前，已有学者试图 示.从图谱分析可知，A主要是硫铝酸盐水泥孰料， 通过对高水材料掺杂改性来解决这些问题，如陈洪 令与王玉平[6研究发现外掺适量膨润土有利于改 A-A主要是缓凝剂等，B主要是石灰和石膏的混合 善高水材料浆体的均匀性，增加浆体的稠度，减少泌 物，B-B主要是早强剂和悬浮剂等.进一步对各组 水和分层现象 分进行半定量分析，其结果如表1所示.粉煤灰为 粉煤灰是我国燃煤电厂排放量最大的工业固体 巩义市元亨净水材料厂生产，密度为1.9~2.9g· 废弃物之一，不仅造成了严重的环境污染，更是对资 cm-3,取均值为2.1g·cm-3,吸水量平均值为 源的一种浪费)，因此对废料的回收利用成为当今 106%,其成分及质量分数如表2所示 科学的重要任务之一.目前也有学者利用粉煤灰掺 A-3Ca0.3A,0,·CaS0,B-2Ca0·Si0 杂高水材料，试图达到节约成本和提升力学性能的 C-Na,CO.DSiO,E-BaBi0,F-CaSO G-CaCO,H-CaS0,2H,O I-SiO, 目的.如孙道胜等[8]研究发现60%掺量的粉煤灰 B-B 高水材料反应温升相对下降22.9%，且成本降低了 G 人 B 54.6%.杨胜斌、马灵姬等[9-1研究发现微掺量的 A-A 粉煤灰对高水材料的泵送性能有一定的增强作用. IB A 可以看出目前大多数研究主要集中在对掺杂粉煤灰 儿A州人 A 15253545556575 85 后高水材料的反应温升、流动性等性质上，对高水材 20r) 料参杂粉煤灰后的物理力学性能及其影响机理分析 图1高水材料各组分的X射线衍射图谱 研究较少，这在一定程度上限制了高水材料的进一 Fig.1 XRD patterns of high water content material工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 changs; (2) high鄄water鄄content materials, with or without fly ash, are elastoplastic materials, and their deformation and failure pro鄄 gress could be divided into pore compaction stage, elastic stage, yield stage, and failure stage; (3) the peak strength, elastic modu鄄 lus, and deformation modulus of high鄄water鄄content materials are reduced with increasing fly ash content, although residual strength is improved; and (4) the most reasonable dosage of fly ash is 15% when strength, modulus and cost are considered. Peak intensity, elastic modulus, and deformation modulus of high鄄water鄄content material are reduced by only 25% , 8郾 6% and 10% at this fly ash dos鄄 age, respectively, and the residual strength increased by 50% . Phase and morphology analyses show that the amount of fly ash affects the hydration progress of 茁鄄鄄C2 S, resulting in reduction of ettringite and an increase in other hydration products. Thus, the homogeneity and integrity of the structure of ettringite are destroyed at different levels, leading, eventually, to a reduction in the compressive strength of high鄄water鄄content materials. KEY WORDS fly ash; high鄄water鄄content materials; physical and mechanical properties; phase analysis; microstructure 我国早期以矸石、水泥、混凝土等传统材料为主 的充填技术存在工艺复杂、运输量大、成本高、采空 区密实效果不理想等工程问题,直到高水材料在矿 井中的广泛应用,以上问题才在一定程度上得到了 缓解[1] . 高水材料具有施工简单、泵送性能好、绿色 环保、充填接顶率高等优点,既能充分满足分层采矿 技术的要求,又能快速充填处理大采空区[2鄄鄄3] ,因此 在煤矿巷旁充填支护、井巷壁后充填等领域取得了 广泛的应用[4] . 工程中常用的净浆高水充填材料由甲、乙两种 成分组成,其中甲料主要成分是硫铝酸盐水泥、悬浮 剂、缓凝剂等,乙料的主要成分是石灰、石膏、悬浮 剂、早强剂等的混合物[5] . 高水材料的甲、乙料加水 混合后能迅速完成初凝,而且在短时间内能达到一 定的强度,但是仅用高水材料进行采空区充填,容易 出现凝结时间过快而泵送困难、反应温升高、后期强 度不足、成本相对较高等问题. 目前,已有学者试图 通过对高水材料掺杂改性来解决这些问题,如陈洪 令与王玉平[6] 研究发现外掺适量膨润土有利于改 善高水材料浆体的均匀性,增加浆体的稠度,减少泌 水和分层现象. 粉煤灰是我国燃煤电厂排放量最大的工业固体 废弃物之一,不仅造成了严重的环境污染,更是对资 源的一种浪费[7] ,因此对废料的回收利用成为当今 科学的重要任务之一. 目前也有学者利用粉煤灰掺 杂高水材料,试图达到节约成本和提升力学性能的 目的. 如孙道胜等[8] 研究发现 60% 掺量的粉煤灰 高水材料反应温升相对下降 22郾 9% ,且成本降低了 54郾 6% . 杨胜斌、马灵姬等[9鄄鄄10] 研究发现微掺量的 粉煤灰对高水材料的泵送性能有一定的增强作用. 可以看出目前大多数研究主要集中在对掺杂粉煤灰 后高水材料的反应温升、流动性等性质上,对高水材 料掺杂粉煤灰后的物理力学性能及其影响机理分析 研究较少,这在一定程度上限制了高水材料的进一 步应用和发展. 本文拟研究粉煤灰掺量对高水材料物理力学参 数的影响规律,在保证高水材料基本性能的条件下, 尽可能提高粉煤灰掺量,加大对粉煤灰的利用率. 对不同粉煤灰掺量的高水材料进行微观电镜扫描和 化学成分分析,从微观和化学的角度来解释粉煤灰 对高水材料物理力学性能的影响机理,这对高水材 料的应用发展、环境保护和资源回收利用具有重要 意义. 1 原材料及试验方法 1郾 1 原材料 试验所用的高水材料是由 A 和 A鄄鄄 A 组成甲 料,B 和 B鄄鄄B 组成乙料,且根据实际工程经验,各组 图 1 高水材料各组分的 X 射线衍射图谱 Fig. 1 XRD patterns of high water content material 分的质量比为 A颐 A鄄鄄 A颐 B颐 B鄄鄄 B = 1颐 0郾 1颐 1颐 0郾 04,原 材料各组分通过 X 射线衍射分析,其图谱如图 1 所 示. 从图谱分析可知,A 主要是硫铝酸盐水泥孰料, A鄄鄄A 主要是缓凝剂等,B 主要是石灰和石膏的混合 物,B鄄鄄B 主要是早强剂和悬浮剂等. 进一步对各组 分进行半定量分析,其结果如表 1 所示. 粉煤灰为 巩义市元亨净水材料厂生产,密度为 1郾 9 ~ 2郾 9 g· cm - 3 ,取 均 值 为 2郾 1 g·cm - 3 , 吸 水 量 平 均 值 为 106% ,其成分及质量分数如表 2 所示. ·1188·