适用于公路大空洞采空区治理的类混凝土充填材料

摘要

本发明公开了一种适用于公路采空区治理的类混凝土充填材料，材料包括32.5级矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰、中砂、煤矸石及高效减水剂，水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.2:12.05:12.05:60.3。合理利用类混凝土的密度大于水的密度，可以将大空洞里面存留的地下水排挤开，并且类混凝土具有较高的结石率，能将大采空区填充密实不留后患。类混凝土的配料变废为宝，节约资源保护环境，且可以满足泵送的传输需求，具有很好的经济效益和社会价值。

说明书

技术领域

发明涉及公路采空区的治理领域，具体涉及一种适用于公路大空洞采空区治理的类混凝土充填材料，主要材料包括矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰、中砂和煤矸石。

背景技术

山西省是煤炭资源大省，采空区分布范围广，开采方式多样，地质条件复杂。随着我国经济的发展，基础设施建设项目加速实施，许多地方修建高速公路都不可避免的要通过采空区，采空区覆岩中大量的空洞、空隙和裂隙，在一些诱发因素的作用下，可能会打破相对应力平衡状态，使采空区地表产生连续或非连续沉陷变形，危及高速公路的运营安全。可以说，采空区不良地质问题已经成了困扰高速公路建设难题之一。因采空区造成的勘察、设计、施工等一系列技术难题，很大程度上阻碍了我省高速公路建设事业的发展。

目前，高速公路下伏采空区的处治一般采用充填注浆技术，针对该项技术的实践已经有十多年的历史，取得了一定的成效。但是，由于对公路下伏采空区的研究不够，在采空区注浆处治设计中，注浆材料选取单一，施工工艺落后，使得浆液扩散难以控制，结石率、充填率较低，针对性差，对公路运营安全留下了隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于公路大空洞采空区治理的泵送类混凝土充填材料。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种适用于公路大空洞采空区治理的类混凝土充填材料，包括32.5级矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰、中砂和煤矸石，重量比如下：

水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.2~3.7:12.05~13.8:12.05~14.1:60.3~67.8。

上述类砼的制备方法如下：

1、材料

（1）水泥

①宜选用32.5矿渣硅酸盐水泥。

②水泥的各项指标应符合《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥》（GB1344-92）标准要求。

③水泥进场时，应有出厂合格证或试验报告，并要核对其品种、标号、包装重量和出厂日期。使用前若发现受潮或过期，应重新取样试验。包装重量不足的另行堆放，做出处理。

④水泥质量证明书各项品质指标应符合标准中的规定。品质指标包括氧化镁含量、三氧化硫含量、烧失量、细度、凝结时间、安定性、抗压和抗折强度，且类砼水泥用量不宜大于400kg/m³。

（2）砂

①砂宜优先选用坚硬不含杂质有棱的硅质砂粒。

②砂按其细度模数分为粗、中、细。类砼材料应优先选用中砂。

③砂的含泥量（按重量计），不大于5%。

（3）煤矸石

①经破碎过筛，选用粒径5-20mm的煤矸石。

②煤矸石宜就地取材，选用质地坚硬的原材。

（4）粉煤灰

①粉煤灰选用应符合《粉煤灰陶粒和陶砂》（GB2838-81）标准。

②宜选用三级以上品质的灰。

（5）水

①符合国家标准的生活饮用水可拌制类砼，不需再进行检验。

②若采用非饮用的天然水、受污染的湖泊水、地下水等，应先经检验符合《混凝土拌合用水标准》（JGJ63-89）的规定才能使用。

2、机具

①利用移动式混凝土搅拌机进行拌合类砼。

②台枰，能称量200kg以上材料，且有CMC标志。

③斗车（手推车）。

3、搅拌

①按照煤矸石-水泥-中砂-粉煤灰的顺序按照配合比进行投料加水搅拌1min。

②采用一次投料法进行拌合，严格控制拌合物的坍落度。

根据试验结果可以看出，本发明制备的类混凝土28天平均强度为1.26MPa，实测强度值均满足目前各采空区治理的设计要求；成型后的试块平均密度为2044kg/m³，这种密度的材料注入水中时，可以很好的沉入水底排开水体，对于充水采空区具有很好的治理效果。

山西作为煤炭资源大省，采空区分布广泛，在采空区附近一般都有大量的煤矸石，煤矸石作为一种排放量很大的工业废渣，占用了大片土地，而且其含有的化学成分会污染农田、大气和水体。本发明中类混凝土的配料选择煤矸石作为主要原料，不仅使其作为骨料在类混凝土中发挥重要作用，提高充填体的强度；而且因地制宜，巧妙的将废弃物加以利用，不仅减少了地表存放量，处理了采空区，更是对环境的保护，充分体现了它的社会价值。

同时，类混凝土材料中采用粉煤灰作为配料之一，粉煤灰是指燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰，又称飞灰、烟灰，属于工业固体废物的一种，数量大。在类混凝土中掺加粉煤灰，不仅节约了大量的水泥和细骨料，减少了用水量；还改善了混凝土拌和物的和易性；增强了混凝土的可泵性；提高类混凝土的后期强度。

本发明设计合理，合理利用类混凝土的密度大于水的密度，可以将大空洞里面存留的地下水排挤开，并且类混凝土具有较高的结石率，能将大采空区填充密实不留后患。类混凝土的配料变废为宝，节约资源保护环境，且可以满足泵送的传输需求，具有很好的经济效益和社会价值。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

1、原材料选择

（1）、综合考虑山西省本地材料取材方便，经济成本以及对环境的保护价值，选用粉煤灰、煤矸石作为类混凝土的主要构成材料，变废为宝，实现资源的循环利用；选用5~20mm粒径的煤矸石，构成类混凝土的骨架结构，形成有效的强度支撑；选用粉煤灰及中砂作为配料，填充了煤矸石所形成骨架间的空隙，整体形成级配合理的混合料，不仅能形成一定强度的混凝土，还能满足密实度的要求；并且最终形成的类混凝土可以满足泵送的传输需求，能较便捷的填充采空区。

2、材料配比及强度试验

材料粒径见表1：

表1  材料名称及粒径（mm）

配比1、水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.7:13.8:14.1:67.8。

配比2、水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.4:12.9:13.1:66.3。

配比3、水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.2:12.05:12.05:60.3。

充填固体原材料的体积固定为1m³，各组充填材料的用量见表2。

表2 各组充填材料配比

对制成的试块按照要求养护7天、28天、60天后，测量7天、28天、60天单轴抗压强度，结果如表3所示：

表3 类混凝土抗压强度试验结果

根据试验结果，三组试样的实测抗压强度值均满足各公路采空区治理的设计要求。试样1流动性较好，粘聚性良好，不离析不泌水；试样2流动性较好，粘聚性良好，不离析不泌水；试样3流动性好，粘聚性较好，粘聚性较好，不离析不泌水。

试样3配比出来的类混凝土流动性能能可以满足泵送混凝土的要求，塌落度为14cm，扩径为28cm。

试样3配比出来的类混凝土的单价基本在112元/m³左右，而传统注浆材料单价会随着水固比的增加而增加，当水固比大于1:1.2时，注浆材料成本会大于类混凝土的成本。

试样3配比出来的类混凝土的密度远大于水的密度，可以将大空洞里边存留的地下水排开，并且类混凝土有较高的结石率，可以很好的将大空洞采空区填充密实不留后患。

另外，采用如下配比同样可以达到预定的效果。

配比4、水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.5:13.8:12.05:65.2。

配比5、水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.6:13.5:14.1:62.8。

配比6、水：水泥：粉煤灰：中砂：煤矸石=12.4:3.3:12.55:13.58:64.3。

上充填材料的实际应用如下：

霍州南互通A匝道K1+680～K2+030段为小窑开采10#+11#煤形成的采空区，绝大部分开采煤巷道未坍塌，采空区充水，属于大空洞采空区，利用类混凝土进行治理后，检测结果显示：结石体抗压强度在3MPa以上，类混凝土结石体呈灰黑色、致密、质地较均匀，固结程度较好，无空洞。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。