粉煤灰基注浆材料的研究进展

引言

据统计，全球每年粉煤灰的产量约为4.5亿t，但在世界范围内粉煤灰的资源化利用率仅为25%。近年来我国粉煤灰堆积量超过30亿t，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75%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SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其中SiO2含量较高。Santheraleka等人研究发现，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C-S-H、C-A-S-H、N[1]A-S-H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

3.1 原料活化方式

粉煤灰中含有大量SiO2、Al2O3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，可以较大程度的释放内部活性，大幅提高利用效率[7,8]。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。

3.1.1 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[9]。李娜[10]等人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。SedefD?KMEN等人[11]利用XRD、BET、SEM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[12]，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。

3.1.2 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Si-O-Si和Si-O-Al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。

Fernández[13]等人利用SEM、TEM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的阐述了粉煤灰内部碱激发具体过程。

3.1.3 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。

3.2 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1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。

3.3 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。

3.3.1 凝结时间

凝结时间指的是注浆材料从加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[17]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[18]等人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（GO）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。

3.3.2 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、粘度、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。XiongLuchang[19]等人的研究结果表明，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，XuJun[20]等人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。

3.3.3 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。XuJun[21]等人向原有的矿渣-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（HCBF）以此来改善注浆材料的基本性能。张文泉[22]等人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。

3.3.4 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2对此进行总结。

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。

4.1 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[26]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 COMSOL 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。

4.2 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[27]等人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：

（1）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。

（2）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。