粉煤灰灌浆材料 文献综述.doc

文献综述题目名称:粉煤灰灌浆材料的性能研究题目类别：毕业论文学院（专业）：指导老师:摘要本文介绍了利用粉煤灰作为灌浆材料，其中大幅度提高粉煤灰活性,开展粉煤灰灌浆新材料的研究与应用,不仅是解决灌浆材料应用中新的突破点,而且将会极大地扩大粉煤灰在其它领域的应用。关键词：灌浆材料粉煤灰活性AbstractThis article describes the use of fly ash as filling material, which greatly improved the activity of fly ash, to carry out the research and application of new materials in fly ash grouting, not only is a new breakthrough in addressing the grouting material applications, and will be very the earth to expand the application of fly ash in other areas.Keywords： grouting materials fly ash activity【引言】：水泥和黄泥浆一直是注浆和煤矿防灭火工程中采用的主要灌浆材料,但由于普通水泥颗粒较粗,一般只能灌注到直径大于0.2 mm的孔隙、裂隙中,而不易灌注到细小裂隙中,并且由于土地资源也非常宝贵，因此其应用范围受到了一定局限。为了适应在煤矿层、回填土层甚至淤泥层灌浆的要求,人们研究和开发了各种灌浆材料,在一定程度上满足了微细裂缝注浆和防灭火工程的要求,但随着环境保护呼声的日益高涨,因此开发新的注浆材料,一直是有关科技人员十分关注的研究课题粉煤灰是热电厂的工业废料,全国每年的排放量都在1000万t以上,由于其化学组分与水泥的化学组分十分相似,因此多年来,一直作为水泥的活性混合外掺料得到了广泛使用。粉煤灰的主要颗粒形态是含漂珠、微珠等球状粒子的结合体,加之颗粒细,有较好的球体润滑减阻特性,因而有较好的可注性和渗透性,可以注入到细小裂缝中。但由于粉煤灰活性较低,胶凝特性不好,尤其早期强度太低,使其在注浆工程中的应用受到了局限。因此,大幅度提高粉煤灰活性,在此基础上改善浆液性能以满足工程施工的要求,是研究粉煤灰灌浆材料的关键问题。一 、问题的提出当前地下工程建设突出存在灌浆材料用浆量大、成本高、对水泥原材料消耗过度，环境污染严重等问题，无法形成材料生产与环境相协调的产业化格局。据统计仅平均每米地下矿井井筒水泥注入量高达814t，最高可达30t。可见水泥材料的消耗量非常大。为此，国内外材料科学工作者开始致力于工业废渣资源化利用，研制开发新型绿色灌浆材料。二 、国内外研究现状目前国内武汉理工大学利用磨细工业废渣(粉煤灰、矿渣、钢渣)完全替代水泥熟料，利用水玻璃激发工业废渣成功制备了不同凝胶时间(3300 s)、高固结强度(25 MPa)和结石率可达100的新型双液灌浆材料成功应用于武汉长江隧道工程建设中。另外模拟淡水侵蚀环境的灌浆材料水溶蚀试验结果表明该灌浆材料结石体在水溶蚀作用180d条件下强度无损失。而水泥一水玻璃灌浆材料强度损失达50这表明水玻璃一工业废渣双液注浆材料的抗水溶蚀耐久性能优于水泥一水玻璃双液灌浆材料。因此采用水玻璃激发粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣制备灌浆材料，不仅有利于大量工业废渣变废为宝，减少环境污染，降低灌浆材料成本，而且该灌浆材料的综合性能优异，为实现灌浆材料节能环保和高性能化提供了一种选择。在20世纪60年代,有机高分子化学浆液的应用得到了迅猛发展。日本在使用化学添加剂增加固结体强度方面,仅19931995年间就取得了用水玻璃和有机酸结合的高渗透性灌浆材料;从异氰酸脂残余物中提取土壤固化剂;用尿醛树脂与乙二醛结合提高粘结力;用聚丙烯材料提高耐久性和强度等多项专利。1994年美国国家森林局推出了EN-1土壤固化剂。该剂能将土壤中的矿物质和土壤分子分解,使其重新结晶,生成新的化学键,能有效地固结土层。英国近年来利用含水量8%10%的纯粉煤灰,通过激发产生活性强度再与外加剂复配,对地下裂缝进行灌浆,取得了较好的效果。国内在水泥注浆材料的研究和应用方面也取得了长足进步。上海同济大学提出了大流动度,微膨胀水泥灌浆材料,并取得了专利。上海地铁施工中采用法国FCB公司提供的灌浆材料配合方案,(水泥粉煤灰粘土水=1616)取得了较好的施工效果。海南筑本工程材料技术有限公司引进日本技术,研制成功Aaght-set土壤固化剂,已被列入“八五”期间国家重点高科技“火炬计划”项目。上海洋泾水泥厂研制成功粉煤灰超细水泥灌浆材料,其性能接近日本MC超细水泥。这些成就都为开发研究新型粒状灌浆材料提供了借鉴,从而也奠定了坚实的技术基础。可以预见,在今后相当长时期内,立足国情,重在经济实用,无机粒状浆材仍将是我国灌浆材料的主流。因此寻求新途径,研制新型无机灌浆材料应当成为灌浆技术的主攻方向。从目前技术占有优势来看也是完全有可能实现的。早在1979年印度化学制造业杂志载文介绍了一种不用水泥,而只有矿渣和粉煤灰按11组成的胶凝材料,只加入激发剂(如氢氧化钠、硅酸钠和氢氧化钙等)就可达到中等强度的无机胶凝材料。美国专利(US5,08402)公开了一种矿渣和粉煤灰按重量20408060与2%12%的硅酸钠配合的胶凝材料,其比表面积可达500600m2/kg。国内在粉煤灰的加工、回收,再利用方面也取得了可喜进步。特别是粉煤灰碱激发技术、增钙粉煤灰技术、粉煤灰化学增活技术的出现,大大地改善了粉煤灰的凝固特性。资料表明,活性粉煤灰取代水泥作为胶凝材料的比例正日益增加,而且完全有可能在某些特定技术条件下只使用活性粉煤灰和其它化学剂结合就可以达到固结材料的技术性能要求。加之粉煤灰属工业废渣源广价廉,有利于环境保护,新的粉煤灰研究开发与应用技术,必将产生巨大的技术、经济以及环保效益。另外，由于煤矸石山灭火后容易发生复燃,再加上黄土资源的匮乏和国家土地护政策的出台,寻找新型防灭火材料和灭火工艺成为了矸石山灭火工作的重点。人们对利用粉煤灰替代黄土进行灌浆进行了研究。原状粉煤灰加水后虽然可以成浆,但内聚粘结力弱,如同砂子一样,亲水力差,浆液稳定性差。在灌浆过程中容易下沉,阻滞流动,堵塞管道;进入注浆区后,对煤矸石的粘附及包裹力差、气密性不够、保水能力差、触变性也差,有1 /4左右的粉煤灰随水流淌,从矸石山边侧流走,留在注浆区的粉煤灰即使没有流走,也如一滩散沙,既不粘连,也不能阻止漏风,传热、传力的能力很弱,难以满足阻燃及快速灭火的要求。针对粉煤灰浆液的这些缺点,煤炭科学研究总院研究出了一种粉煤灰浆液稳定剂,添加稳定剂后的粉煤灰浆液有很好的稳定性,可小水灰比(21)灌浆不堵管、适合长距离输送,而且包裹力强,结石率高,浆液进入灌浆区后,可以包裹煤矸石体,堵塞漏风通道,从而起到降温、隔氧的作用,以达到灭火的目的。三、粉煤灰的物理特性粉煤灰具有火山灰活性、特定颗粒尺寸和形状以及比重较小等特点,其主要颗粒形状是含漂珠等球状粒子的结合体,并具有光滑而致密的外壳,有较好的珠体润滑减阻特性,因而有较好的可注性和渗透性。粉煤灰本身并无胶凝性,但在细微分散形式下和有水分存在时,它能与碱发生反应而生成胶凝性产物。四、粉煤灰灌浆材料性能机理4. 1 悬浮剂的悬浮机理悬浮剂主要由水溶性体型材料构成，体型材料的分子周围有大量的电荷，靠电荷之间的排斥力实现浆液中颗粒的均匀分布，这些分子通过静电力作用形成稳定的空间网状三维结构。这种三维结构具有一定的钢性，能起到很好的支托作用。且分子中带有部分负电荷，具有很强的结合阳离子的能力，使阳离子不能作用于主链，故其溶液不受盐的影响，可广泛适用于多种水质。4. 2 胶凝剂的胶凝机理及水溶性分析胶凝剂由单体经过聚合反应，聚合为具有长链结构的水溶性高分子，水溶性高分子加入浆液中，经过搅拌、溶解，能将更多的粉煤灰颗粒通过架桥作用链接在一起，这种架桥现象纵横交错，形成密集的网格结构，这种网格结构也使大量的水份被 “锁”在网格中，形成流动性较差的粘弹性胶体。胶凝速度与高分子材料的溶解速度有关。溶解速度与高分子材料的内聚能密度( C. E. D) 有关。高分子材料的内聚能密度( C. D. E) 与水越近，溶解速度越快。高分子材料溶解过程中自由焓的变化为:GM= HM TSM式中 GM、HM、SM溶质和溶剂分子的自由焓、混合热和混合熵;T溶解温度。在等温、等压条件下，当高分子与溶剂相互混合时，满足以下条件:GM 0，HM TSM 0在一般情况下，溶解过程使分子排列趋于混乱，即SM大于 0，所以HM的正负与大小取决于SM的正负与大小。对于大多数高分子，溶解过程一般是吸热的，即HM 0。根据 Hildebrand 公式，高分子与溶剂分子混合时热量变化为:HM= 12( 1 /21 1 /22) VM式中 1、2溶剂和高分子体积分数;VM混合后的总体积;1、2溶剂与高分子的内聚能密度。从上式可以看出，当溶剂与高聚物的内聚能 1、2接近时，HM较小，趋近于零，故GM小于零，溶解过程能够自发进行.五、粉煤灰增活技术突出解决粉煤灰活化的增活剂和工艺的创新技术粉煤灰增活技术是指采用各种技术途径增加粉煤灰的活性,提高粉煤灰质量指标。其特色和创新之处是根据不同品质的粉煤灰,选择适当的增活剂和增活工艺。目前粉煤灰增活所采用的方法有碱激发法,增钙法和化学剂法。有人曾初步探索过采用化学剂增活的技术途径。增活剂由两种化学剂按一定比例配制而成,一种增活剂的作用是加速破坏粉煤灰玻璃体的表面,以加快发生化学吸附和侵蚀的过程。另一种增活剂的作用是在粉煤灰颗粒表面产生水化硅酸盐与水化铝酸盐矿物,同时加速早强型水化铝酸盐矿物的产生。掺入增活剂后,经过一定时间陈化,再通过低温煅烧处理和磨细,可得到较理想的粉煤灰增活效果。具体有以下三种方法: 一、碱激发剂 碱的激发作用是在于所加入碱的量的变化对产物性能的研究二、硫酸盐激发 硫酸盐的激发作用在于硫酸盐激发剂在水合系统中溶解后电离出的SO2-4 离子不仅能吸附在玻璃体表面, 使反应活化点上的硅氧键和铝氧键断裂, 协助OH-的腐蚀作用, 还能与系统中已经生成的水合产物或原有活性物质反应产生钙矾石 三、氯盐激发 氯盐激发主要是利用中性盐可以降低水化产物的电位, 另外氯盐激发剂电离出的Cl-扩散能力很强,能够穿透水合产物的表面, 并与玻璃体内部的活性物质反应生成水化氯铝酸钙. 水化氯铝酸钙使表面内外增大, 从而破坏外表层六、粉煤灰灌浆材料的优点与水泥一样,粉煤灰也是粒状材料,在水中容易沉积。在纯水泥浆液中加入粉煤灰可以代替砂作为填充物,同时在水泥的作用下粉煤灰也产生胶凝性,这有利于浆液结石体强度的提高。其优点主要表现在以下几个方面:(1)提高强度和抗化学侵蚀能力:对于单液水泥浆来说,水泥水化释放出的Ca(OH)2,既不能增加注浆材料的强度,对化学侵蚀又十分敏感,以致影响了材料的抗化学侵蚀能力。对于粉煤灰-水泥注浆材料来说,由于粉煤灰中含有的SiO2、Al2O3能与Ca(OH)2发生反应,生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙,从而提高了注浆材料的强度和抗化学侵蚀能力。(2)易于泵送和灌注并降低泌水率和沉降:粉煤灰的球形颗粒及颗粒表面的玻璃体结构能起到润滑作用,从而使注浆材料在施工中提高可注性和可泵性。与此同时,粉煤灰与水泥共同使用时,具有理想的颗粒级配,能够使浆液在泵送和注浆过程中减少分离和沉降作用,同时降低泌水率。此外,粉煤灰的比重小于水泥和砂的比重,也可降低沉降作用。(3)减小收缩性:掺加粉煤灰后,水泥-粉煤灰浆液的含水量能很快达到平衡状态,因而能减少材料的收缩值。(4)掺用了粉煤灰的注浆材料具有流动性能好、便于施工、减少施工设备磨损和提高抗渗性等优六 、展望 根据我国国民经济和社会发展“九五”计划与“2010年远景目标纲要”，调整建材工业结构的要求。以粉煤灰这种工业固体废弃物作为建筑材料为出发点开发出节约能源、节约土地、节约用水及减少污染新型建筑材料，提高粉煤灰的利用率，实现建筑工业与建材工业的可持续发展，促进经济、环境、资源、人口和社会协调发展。要实现大量甚至全部利用粉煤灰，最关键的便是最大程度地激发粉煤灰的活性，各种激发方法的综合使用将会成为以后粉煤灰利用的焦点。参考资料：1、王福元, 吴正严. 粉煤灰利用手册M. 北京: 中国电力工业出版社,1997.61- 63.2、方军良, 陆文雄, 徐彩宣. 粉煤灰的活性激发技术及机理研究进展J 上海大学学报,2002,8(3) :255- 260.3、顾强康,李宜峰,李宁. 粉煤灰活性激发及应用J.2007,3