粉煤灰—脱硫石膏—水泥基三元凝胶材料体系替代方案
周效志
中国矿业大学资源与地球科学学院地质系
一、什么是粉煤灰—脱硫石膏—水泥基三元凝胶材料
粉煤灰—脱硫石膏—水泥基三元凝胶材料是一种以水泥为基础胶凝材料，协同粉煤灰、脱硫石膏两种工业废料形成的复合胶凝体系，广泛应用于采空区充填、路基回填、墙体材料等领域。其核心特点是通过三种材料的协同水化反应，在保证支撑强度和工作性能的前提下，大幅降低水泥用量，同时实现工业固废资源化利用。
二、采用粉煤灰—脱硫石膏—水泥基三元凝胶材料可减少的水泥量
采用粉煤灰—脱硫石膏—水泥基三元凝胶材料可显著减少水泥用量，具体减少比例取决于材料配比、应用场景和性能要求，水泥的基础替代范围为30%-50%，即通过添加粉煤灰、脱硫石膏可减少30%-50%的水泥用量。在采空区注浆充填场景下，由于对充填材料胶凝的早期强度要求均较低，通过优化配比和添加激发剂，水泥用量可减少50%-70%。
三、推荐的“粉煤灰—脱硫石膏—水泥基”三元凝胶材料配比
以水泥替代量50%计，推荐的“粉煤灰—脱硫石膏—水泥基”三元凝胶材料配比如表1所示。
表1 推荐的“粉煤灰—脱硫石膏—水泥基”三元凝胶材料配比
原料 |
占比（质量比，%） |
作用机制 |
水泥 |
50% |
提供早期水化动力（生成Ca(OH)₂和C-S-H凝胶），并为粉煤灰活性激发提供碱性环境。 |
粉煤灰 |
35%-40% |
通过二次水化生成C-S-H凝胶，提升后期强度；球形颗粒改善浆体流动性。 |
脱硫石膏 |
10%-15% |
提供SO₄²⁻生成钙矾石（AFt），加速早期强度发展并调节凝结时间。 |
说明：若三元凝胶材料性能不能满足性能要求，可进一步研究以下两种方案：①加入2%-3%的激化剂生石灰（CaO）、半水石膏（CaSO₄・0.5H₂O）或复合激发剂（如Na₂SO₄+NaOH），进一步激活粉煤灰活性；②减少水泥替代量，以60%-70%水泥占比进行配比设计。 |
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