基于巖石力學試驗的礦用發(fā)泡充填材料配比研究

郭 歡，孫 浩

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201;2.中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100089)

0 引言

巷道掘進至斷層、陷落柱等構造區(qū)時易產生冒頂，形成高冒區(qū)；綜放工作面兩巷沿煤層底板布置，巷道頂板為煤層及軟弱的偽頂、直接頂，受到工作面超前影響時，破碎的頂煤、偽頂、直接頂易冒落，形成高冒區(qū)。高冒區(qū)內易積聚粉塵、瓦斯，并且具有適宜的漏風供氧通道和蓄熱環(huán)境，極易發(fā)生煤層自燃、粉塵爆炸、瓦斯爆炸，給煤礦生產安全帶來極大的威脅。

煤礦高冒區(qū)充填需要一種整體性好、密度較小、強度較高、充填工藝簡單、成本低、充填過程中不產生高溫的材料。制作發(fā)泡充填材料的主要原料是水泥。發(fā)泡水泥具有很好的阻燃與隔熱性能，可以很好的滿足井下充填材料防火性的條件。所以，制作發(fā)泡充填材料可以很好的滿足礦井高冒區(qū)充填的要求，可以降低充填成本，達到綠色環(huán)保的效果。

張巨松[1]等總結了目前國內的發(fā)泡技術主要為高速攪拌葉片制泡，國外多采用壓縮空氣法制泡發(fā)泡技術。通過分析兩種發(fā)泡方式的特點，經比較后發(fā)現(xiàn)壓縮空氣法制泡使用的設備雖然稍顯復雜，但是壓縮空氣法制泡優(yōu)點卻是高速攪拌葉片制泡法不可企及的，它有效地防止了高速攪拌葉片制泡法容易造成的泡沫浪費、泡徑不均等現(xiàn)象；制成的泡沫是直接吹入水泥漿中，減少了中間流轉過程；料漿的攪拌和發(fā)泡是同步進行，定量制泡能避免泡沫過剩的問題。譚明洋[2]、陳海彬[3]、徐文[4]、張水[5]等通過對不同發(fā)泡劑發(fā)泡能力的研究，得出了不同發(fā)泡劑如雙氧水等在發(fā)泡過程中所需要的條件。王靜文[6]、吳潛[7]、楊清[8]、程新[9]等為解決材料脆性大、易開裂等缺點，研究了纖維在發(fā)泡水泥中的應用，發(fā)現(xiàn)纖維能夠有效的解決發(fā)泡水泥脆性大、易開裂等缺點。李慶繁[10]對泡沫混凝土的制作工藝進行了系統(tǒng)的總結，對于養(yǎng)護制度，他總結了三種養(yǎng)護方式：自然養(yǎng)護、常壓蒸汽養(yǎng)護和高壓蒸汽養(yǎng)護之分。隨養(yǎng)護制度的不同，膠凝材料的水化產物和結晶度有明顯的不同，對混凝土的性能有顯著影響。

1 水灰比確定

根據(jù)水泥漿的流動性確定合理的水灰比。按照設計的水灰比制作水泥漿，對比水泥漿的流動性，若水泥漿中沒有凝結的水泥塊，整體分布均勻，說明按照該水灰比制作的水泥漿適合制作發(fā)泡充填材料。根據(jù)原料來源和成本及強度性能，選取強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥作為基料。下面根據(jù)對比試驗確定合理的水灰比。

圖1所示為不同水灰比的水泥漿狀態(tài)。從圖中可以看出，水灰比為0.45時，只有部分水泥與水結合，存在較大的水泥塊，沒有流動性；水灰比為0.46時，與水結合的水泥增多，但仍存在水泥塊，沒有流動性；水灰比為0.47時，大部分水泥與水結合，水泥塊減少，水泥漿為粘稠狀，流動性差；水灰比為0.48時，水泥與水全部結合，無水泥塊，水泥漿較為粘稠，流動性不佳；水灰比為0.49時，水泥與水全部結合，但水泥漿仍較為粘稠，流動性較差；水灰比為0.5時，水泥漿質地均勻，流動性好?？梢姡S著水灰比增大，水泥漿與水結合程度增大，流動性變好，當水灰比達到0.5時，制作的水泥漿已具有較好的流動性，適合制作發(fā)泡水泥。因此，確定合理的水灰比為0.5。

圖1 不同水灰比水泥漿狀態(tài)

2 發(fā)泡劑優(yōu)選

2.1 發(fā)泡劑種類優(yōu)選

植物性水泥發(fā)泡劑是采用天然植物高分子材料為原料，經一系列復雜的化學反應生成，作為一種物理發(fā)泡劑，不但發(fā)泡量大，而且氣泡強度高，穩(wěn)定性好，目前普遍用于制作建筑保溫層的泡沫混凝土。同時，植物性水泥發(fā)泡劑還具有以下優(yōu)點：

① 發(fā)泡倍數(shù)高，氣泡均勻；

② 泡沫穩(wěn)定性好，泵送高度可達到150米；

③ 發(fā)泡劑用量少，成本低；

④ 對環(huán)境產生污染小。

與動物性發(fā)泡劑相比，采用植物性水泥發(fā)泡劑制作出的發(fā)泡水泥在保溫性能、抗壓強度等方面存在差距，一次性澆注的發(fā)泡水泥厚度一般不超過200 mm，否則易發(fā)生塌陷。

綜合對比各類發(fā)泡劑的優(yōu)缺點，認為植物性水泥發(fā)泡劑用于實驗室制作發(fā)泡水泥具有一定的優(yōu)勢。因此，選用植物性水泥發(fā)泡劑作為制作新型發(fā)泡充填材料的發(fā)泡劑。

2.2 發(fā)泡劑發(fā)泡規(guī)律試驗研究

發(fā)泡劑濃度對發(fā)泡劑發(fā)泡量、氣泡強度等有重要影響。下面通過對比實驗確定合理的發(fā)泡劑濃度。

通過配制濃度20%、30%、40%、50%、60%、70%的發(fā)泡劑溶液，并采用發(fā)泡機進行發(fā)泡，將相應濃度發(fā)泡劑溶液發(fā)出的泡沫導入相同規(guī)格的容器中，觀察泡沫在容器內的高度，根據(jù)高度比較發(fā)泡量。

圖2為不同濃度發(fā)泡劑溶液發(fā)泡量(泡沫在容器內的高度)變化曲線。從圖中可以看出，發(fā)泡劑濃度為20%至40%時，發(fā)泡劑溶液產生的泡沫量隨著濃度的上升而逐漸增加，且隨著濃度的提升，通過觀察泡沫透光程度，泡沫的泡壁逐漸變厚，泡沫的質量也越來越好。至40%時出現(xiàn)拐點，發(fā)泡劑濃度為50%和60%的發(fā)泡劑溶液產生的泡沫基本與40%相當，泡壁的厚度也與40%相比大致相當，而濃度為70%時，泡沫量明顯減少，說明濃度為70%時，不適合作為實驗用的發(fā)泡劑濃度。這是因為發(fā)泡劑需要與水相互作用才能產生泡沫，當發(fā)泡劑溶液濃度不斷增大時，參與發(fā)泡的水分也正不斷減少，所以發(fā)泡量會出現(xiàn)先增多后減少的情況。

圖2 不同濃度發(fā)泡劑溶液發(fā)泡量

3 發(fā)泡充填材料制備及物理性質測定

在開展發(fā)泡充填材料(FFM)制備及其物理性質測定的基礎上，進一步從40%、50%、60%等發(fā)泡劑溶液濃度中優(yōu)選出最為合理的濃度。具體方法：將等量不同濃度的發(fā)泡劑溶液制成泡沫；將泡沫與同量的水泥漿混合，制作不同比例的FFM；對FFM進行養(yǎng)護；測定上述制作的FFM的密度；根據(jù)測定密度確定合理的發(fā)泡劑溶液濃度。

3.1 試驗方法

取10 kg普通硅酸鹽水泥放置在模具中，按照水灰比0.5制作水泥漿。對200 ml濃度為40%的發(fā)泡劑溶液進行發(fā)泡，將產生的泡沫與水泥漿混合，通過攪拌，制成FFM。將FFM依次養(yǎng)護7 d、14 d、21 d、28 d，然后將不同養(yǎng)護周期的發(fā)泡水泥切成標準試件，并通過測量試件體積和質量，計算該比例FFM不同養(yǎng)護周期時的密度。

按照同樣方法，分別對200 ml濃度為50%、60%的發(fā)泡劑溶液進行發(fā)泡，制作FFM，并進行養(yǎng)護。測定相應比例FFM不同養(yǎng)護周期時的密度。

3.2 發(fā)泡劑溶液濃度的優(yōu)選

發(fā)泡劑與水泥漿質量比(The mass ratio of foaming agent to cement slurry，簡稱MRFACS)分別為1∶187.5、1∶150、1∶125時，F(xiàn)FM不同養(yǎng)護周期測定密度也不同。為更容易比較MRFACS不同時FFM密度的變化，根據(jù)各種條件下FFM平均密度繪制密度變化曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著MRFACS的增大，F(xiàn)FM平均密度增大；MRFACS相同情況下，隨著養(yǎng)護時間延長，F(xiàn)FM平均密度變小，但養(yǎng)護21 d后，F(xiàn)FM平均密度變化不明顯。

圖3 MRFACS不同時FFM平均密度變化曲線(200ml發(fā)泡劑溶液)

由上述試驗結果可以得出：①采用濃度為40%、50%、60%的發(fā)泡劑溶液產生的泡沫均能與水泥漿混合，形成FFM；②隨著MRFACS的增大，F(xiàn)FM的平均密度增大，從保證FFM輕質特性情況下，合理的發(fā)泡劑溶液濃度為40%；③自然養(yǎng)護21 d后，F(xiàn)FM平均密度變化不明顯，基于FFM輕質要求下，合理自然養(yǎng)護時間為21 d。

3.3 發(fā)泡劑溶液用量優(yōu)選

分別用200 ml、250 ml、300 ml濃度為40%的發(fā)泡劑溶液制成的泡沫與15 kg水灰比為0.5的水泥漿混合制作FFM，對應的發(fā)泡劑溶液與水泥漿質量比(the mass ratio of foaming solution to cement slurry，簡稱MRFSCS)分別為1∶75、1∶60、1∶50，對FFM進行自然養(yǎng)護后測試密度，基于FFM的輕質要求，確定發(fā)泡劑的合理用量。

圖4為MRFSCS為1∶50時FFM照片。從圖中可以看出，由于發(fā)泡劑溶液量較大，產生的泡沫較多，泡沫與水泥漿結合后，單位體積內的氣泡量大，F(xiàn)FM自穩(wěn)性變差，發(fā)生垮塌。

圖4 MRFSCS為1∶50時FFM照片

為更容易比較MRFSCS不同時FFM密度的變化，根據(jù)各種條件下FFM平均密度繪制密度變化曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，隨著MRFSCS的增大，F(xiàn)FM平均密度變小，MRFSCS相同情況下，隨著養(yǎng)護時間延長，F(xiàn)FM平均密度變小，但養(yǎng)護21 d后，F(xiàn)FM平均密度變化不明顯。

圖5 發(fā)泡劑濃度不同MRFSCS不同時FFM平均密度變化曲線(250 ml發(fā)泡劑溶液)

通過上述試驗結果可以得出：①用200 ml、250 ml發(fā)泡劑溶液產生的泡沫都能與15 kg水泥漿充分結合，并形成自穩(wěn)性較好的FFM；②用300 ml發(fā)泡劑溶液產生的泡沫與15 kg水泥漿結合之后，形成的FFM自穩(wěn)性差；③通過對比，用250 ml發(fā)泡劑溶液產生的泡沫與15 kg水泥漿充分混合制成的FFM較為輕質。因此，基于FFM的輕質要求，合理的MRFSCS為1∶60。

3.4 FFM密度變化規(guī)律研究

將250 ml濃度為40%的發(fā)泡劑溶液產生的泡沫與不同質量的水泥漿進行混合，制作FFM，制成的FFM并對FFM進行養(yǎng)護，研究FFM密度變化規(guī)律。

為更容易比較MRFSCS不同時FFM密度的變化，根據(jù)各種條件下FFM平均密度繪制密度變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，同樣是250 ml發(fā)泡劑溶液的情況下，隨著水泥漿質量的增加， FFM平均密度增大；MRFSCS相同情況下，隨著養(yǎng)護時間延長，F(xiàn)FM平均密度變小，但養(yǎng)護21 d后，F(xiàn)FM平均密度變化不明顯。

從上述分析結果可以得出：①增加水泥含量，可顯著提高FFM密度；②養(yǎng)護時間由7 d至21 d時，F(xiàn)FM密度變化較大，而養(yǎng)護21 d后，F(xiàn)FM密度變化較小，因此，F(xiàn)FM的合理自然養(yǎng)護時間為21 d。

圖6 發(fā)泡劑濃度相同MRFSCS不同時FFM平均密度變化曲線(250 ml發(fā)泡劑溶液)

4 FFM發(fā)泡劑濃度及用量的試驗驗證

通過巖石力學試驗從發(fā)泡劑濃度及溶液用量對FFM力學性質的影響的角度進一步確定合理的發(fā)泡劑濃度及溶液用量。

4.1 巖石力學試驗方案

4.1.1 測試指標

對制作的FFM進行取樣，通過對兩端磨平，制成標準試件。采用測試設備對試件進行單軸壓縮試驗，并測定和計算FFM的單軸抗壓強度、殘余強度和彈性模量等參數(shù)。

4.1.2 試驗設備

所有測試在RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)(見圖8)上完成。RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)是專門為巖石和混凝土一類的工程材料進行力學性能試驗而設計的。試驗過程中，操作者可以進行干預，轉換控制方式和試驗參數(shù)；也可以預先設置試驗步驟，由計算機自動完成。試驗結束后，系統(tǒng)可以自動退回到初始狀態(tài)并能方便地給出試驗結果。

圖7 RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)

4.1.3 試驗步驟

(1) 將試件置于壓力機承壓板中心，調整軸向、橫向傳感器，使試樣能夠均勻受力。

(2) 以0.1 MPa/s的加載速度對試樣加荷，直到試樣破壞為止，記錄最大破壞載荷。

(3) 描述試樣破壞形態(tài)，并記下有關情況。

4.2 合理發(fā)泡劑濃度的驗證

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制FFM單軸抗壓強度、殘余強度的變化曲線，如圖9～圖10所示。

圖8 FFM單軸抗壓強度與發(fā)泡劑濃度的變化關系

從圖9中可以看出，同一養(yǎng)護周期時，F(xiàn)FM單軸抗壓強度隨著發(fā)泡劑濃度的增加而增大；同一發(fā)泡劑濃度時，隨著養(yǎng)護時間的增加，F(xiàn)FM單軸抗壓強度逐漸增大。

從圖9可以看出，發(fā)泡劑濃度相同時，隨著養(yǎng)護時間延長，F(xiàn)FM殘余強度逐漸增大；對于同一養(yǎng)護周期，隨著發(fā)泡劑濃度增大，F(xiàn)FM殘余強度逐漸增大。

圖9 FFM殘余強度與發(fā)泡劑濃度的變化關系

通過對比采用濃度為40%、50%、60%的發(fā)泡劑制備的FFM的力學參數(shù)可以看出，發(fā)泡劑濃度越大，制作的FFM強度越大，說明水泥漿結合泡沫越少和發(fā)泡劑發(fā)泡量越少。從發(fā)泡量來看，合理的發(fā)泡劑濃度為40%。

4.3 合理發(fā)泡劑溶液用量的驗證

為便于對比，將通過試驗得到的FFM力學參數(shù)匯于表1。從表中可以看出，對于同一養(yǎng)護周期的FFM，發(fā)泡劑溶液用量為250 ml時，F(xiàn)FM單軸抗壓強度、殘余強度等力學參數(shù)偏低降低，說明250 ml發(fā)泡劑溶液發(fā)出的泡沫能夠被水泥漿完全結合。因此，基于水泥漿結合泡沫情況可以確定，合理的MRFSCS為1∶60，即對于10 kg水泥制成的水灰比為0.5的水泥漿來說，合理的發(fā)泡劑溶液用量為250 ml。

表1 FFM力學參數(shù)

保持發(fā)泡劑溶液濃度及用量不變，通過增加水泥漿質量，制備不同MRFSCS的FFM，并通過巖石力學試驗測定其力學參數(shù)，進而研究FFM的力學性質，為制備不同強度的FFM提供基礎。

圖11所示為FFM單軸抗壓強度與MRFSCS的關系曲線。從圖中可以看出，對于同一養(yǎng)護周期的FFM，其單軸抗壓強度隨著MRFSCS的增大而減??；對于同一MRFSCS的FFM，F(xiàn)FM的單軸抗壓強度總體上隨著養(yǎng)護時間的增加而增大。

圖10 單軸抗壓強度與MRFSCS的關系曲線

圖12所示為FFM殘余強度與MRFSCS的關系曲線。從圖中可以看出，MRFSCS相同時，隨著養(yǎng)護時間延長，F(xiàn)FM殘余強度逐漸增大；對于同一養(yǎng)護周期的FFM，隨著MRFSCS的增大，F(xiàn)FM殘余強度逐漸減小。

圖11 殘余強度與MRFSCS的關系曲線

通過對比計算，當FFM的單軸抗壓強度滿足1 MPa、3 MPa、6 MPa時，發(fā)泡劑和水泥的質量之比，得到的滿足不同井下高冒區(qū)充填強度要求的FFM材料配比，如FFM單軸抗壓強度為1 MPa、3 MPa、6 MPa時，按照水灰比為0.5、發(fā)泡劑溶液濃度為40%，MRFSCS分別為1∶60、1∶72、1∶90。前期試驗引入MRFSCS以便于區(qū)分不同配比的FFM，為方便工程應用，將原本表示發(fā)泡劑溶液與水泥漿質量比的MRFSCS改為使用發(fā)泡劑與水泥的質量比表示，即去除二者中水的質量，則對應發(fā)泡劑與水泥質量比分別為1∶100、1∶120、1∶150。

5 結論

(1) 按照不同水灰比制作水泥漿，通過對比其流動性和對泡沫的結合能力，確定合理水灰比為0.5。對比結果表明，水灰比為0.5的水泥漿具有較好的流動性，水泥與水能夠充分結合，且能夠最大程度的與泡沫結合。

(2) 通過對比各類發(fā)泡劑的性能和特點得出，植物性水泥發(fā)泡劑具有發(fā)泡倍數(shù)高、氣泡均勻、氣泡強度高、泡沫穩(wěn)定性好、對環(huán)境產生污染小等特點，且制作的發(fā)泡材料適合遠距離泵送。因此，確定使用植物性水泥發(fā)泡劑作為制作新型發(fā)泡充填材料的發(fā)泡劑。

(3) 通過巖石力學試驗，比較不同配比時FFM的巖石力學強度，經過篩選，得到了滿足不同井下高冒區(qū)充填強度要求的FFM材料配比，如FFM單軸抗壓強度為1 MPa、3 MPa、6 MPa時，按照水灰比為0.5、發(fā)泡劑溶液濃度為40%，對應發(fā)泡劑與水泥質量比分別為1∶100、1∶120、1∶150。

(4) 采用水泥作為單一骨料制作的FFM用于礦井高冒區(qū)充填時，仍然存在成本降低的空間。課題組規(guī)劃將價格低廉的粉煤灰與水泥混合作為制作FFM的骨料，采用FFM開展井下高冒區(qū)充填和廢舊巷道充填。