水灰比對(duì)鉆孔護(hù)孔泡沫混凝土性能影響研究

凌 偉，劉 超,?，楊 坦

(1．教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054；2．西安科技大學(xué)安全與科學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710054；3．安徽新華學(xué)院建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088；4．中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230026)

為了解決我國(guó)松軟煤層的塌孔問(wèn)題，成艷英[1]提出了以現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土作為松軟煤層充填護(hù)孔材料防治鉆孔塌孔的方法，該方法解決了之前國(guó)內(nèi)下護(hù)孔管技術(shù)[2-7]由于護(hù)孔管直徑相對(duì)鉆孔直徑過(guò)小，不足以為孔壁提供支護(hù)的問(wèn)題．但是，應(yīng)用該方法對(duì)泡沫混凝土的支護(hù)性能和滲透性能有較高要求．劉潤(rùn)清等[8]研究了不同水膠比和雙氧水摻量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度損失率與氣孔特征的影響；孫詩(shī)兵等[9]研究了乳液和膠粉對(duì)發(fā)泡水泥孔隙率、孔徑分布、孔徑大小和強(qiáng)度的影響；胡曙光等[10]研究了預(yù)制泡沫中泡間水量變化對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)的影響；田洪銘等[11]提出利用泡沫混凝土填充層加強(qiáng)高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)的方案；陳衛(wèi)忠等[12]利用泡沫混凝土作為深埋軟巖隧道初期支護(hù)與二次襯砌之間預(yù)留變形層填充材料；方永浩等[13]研究了粉煤灰和泡沫摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和氣孔結(jié)構(gòu)的影響，并分析了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)關(guān)系．Rahmani E[14]在混凝土強(qiáng)度水灰比定則中認(rèn)為水灰比是影響混凝土強(qiáng)度最重要的因素，因此選擇合適的水灰比對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的提高至關(guān)重要．井下注漿時(shí)，水灰比過(guò)大會(huì)降低泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，達(dá)不到支護(hù)孔壁的作用；水灰比過(guò)小會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性過(guò)低、初凝時(shí)間過(guò)短，無(wú)法達(dá)到深孔注漿的目的．因此，本文采用控制單因素變量法試驗(yàn)了不同水灰比對(duì)泡沫混凝土性能的影響，為下一步鉆孔支護(hù)泡沫混凝土在井下的工業(yè)性試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，并為進(jìn)一步解決松軟煤層鉆孔塌孔問(wèn)題提供參考．

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)器材

1.1.1 試驗(yàn)材料

1）水泥．本實(shí)驗(yàn)選用的水泥是蟠龍山超細(xì)硅酸鹽注漿水泥，其基本物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1．

表1 K1250超細(xì)注漿硅酸鹽水泥基本物理性能指標(biāo)

2）水．西安市普通自來(lái)水．

3）雙氧水．30%濃度的工業(yè)雙氧水．

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的儀器包括Φ50 mm、H100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件制作模具，YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，DZF-6020A型真空干燥箱，萬(wàn)能試驗(yàn)儀，高精度分析天平等．試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1．

圖1 試驗(yàn)儀器

1.2 試樣制備

根據(jù)表2中的配比，按如下步驟進(jìn)行泡沫混凝土的制備．制備步驟：

表2 泡沫混凝土配合比

1）用精度為0.001 g的分析天平稱(chēng)取200.00 g（±0.01 g）的超細(xì)水泥；

2）根據(jù)組別不同，用容量為250 mL的量筒量取不同量的水；

3）將超細(xì)水泥與水倒入燒杯中，攪拌3 - 5分鐘，直至漿液充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹梗?/p>

4）用容量為10 mL的量筒分次量取取15 mL的雙氧水，并倒入混凝土凈漿中再次攪拌均勻；

5）將攪拌好的混凝土漿液倒入標(biāo)準(zhǔn)試件模具后標(biāo)號(hào)；

6）將標(biāo)過(guò)號(hào)的試樣放入水泥養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，將養(yǎng)護(hù)條件設(shè)為攝氏溫度25℃、相對(duì)濕度95%；

7）重復(fù)上述步驟，按A - E為一組，共制作6組試樣，其中三組（齡期分別為3天、7天和15天）用于測(cè)試抗壓強(qiáng)度，三組（齡期分別為3天、7天和15天）用于測(cè)試連通孔隙率．

1.3 試樣測(cè)試

1.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)試步驟：

1）取樣：從養(yǎng)護(hù)箱中取出一組養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到3天的試樣；

2）拆模：將取出的試樣拆模；

3）調(diào)試儀器：對(duì)萬(wàn)能試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試前的調(diào)試；

4）測(cè)試：將最大加壓荷載設(shè)置為10 KN，加載速率設(shè)為2 mm/s，緩緩下壓試樣；

5）導(dǎo)出數(shù)據(jù)：測(cè)試完成后，導(dǎo)出測(cè)試數(shù)據(jù)，并清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)；

6）選擇不同齡期的混凝土重復(fù)上述步驟．

1.3.2 連通孔隙率試驗(yàn)

根據(jù)文[15]中提到連通孔隙率的計(jì)算方法，可以測(cè)出泡沫混凝土試件的連通孔隙率，具體計(jì)算方法如式（1），

其中，p為連通孔隙率；V為試件的表觀(guān)體積；2w為試件的飽和質(zhì)量，即試件在水中浸泡24 h的質(zhì)量；1w為試件的干質(zhì)量，即試件在真空干燥箱中放置6 h的質(zhì)量．測(cè)試步驟：

1）取出一組齡期相同的試樣；

2）將試樣放入真空干燥箱中，滿(mǎn)6 h后取出并稱(chēng)量其重量；

3）將試樣完全浸泡在水中，24 h后取出稱(chēng)量其重量；

4）按式（1）計(jì)算出各試樣的連通孔隙率；

5）選擇不同齡期的混凝土重復(fù)上述步驟．

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，齡期對(duì)樣品的連通孔隙率值影響不大，分析發(fā)現(xiàn)連通孔隙率為樣品的物理特性，只與發(fā)泡效果有關(guān)，而與齡期無(wú)關(guān)，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，樣品內(nèi)部水化作用趨于完全，樣品內(nèi)含有的游離水的數(shù)量逐漸減少，因此選取齡期較長(zhǎng)的樣品可以減少實(shí)驗(yàn)誤差中的系統(tǒng)誤差，因此本試驗(yàn)選取了齡期為15天的樣品的測(cè)試結(jié)果．表3記錄了齡期為15天的樣品A - E的干質(zhì)量、飽和質(zhì)量、表觀(guān)體積以及連通孔隙率．

表3 試樣測(cè)試值

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度的大小直接反映出材料對(duì)鉆孔支護(hù)的強(qiáng)弱，抗壓強(qiáng)度越大，材料能給鉆孔孔壁提供的支護(hù)作用越強(qiáng)．根據(jù)王振鋒等人[16]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到1 MPa以上時(shí)，理論上可以為鉆孔提供有效的支護(hù)．

圖2為不同齡期泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度柱狀圖．從時(shí)間角度來(lái)看，以A組為例，其3天的抗壓強(qiáng)度為0.58 MPa，7天的抗壓強(qiáng)度為0.98 MPa，15天的抗壓強(qiáng)度為1.98 MPa，說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部的水化作用仍在持續(xù)進(jìn)行的原因[17]；從配比角度來(lái)看，A組3天的抗壓強(qiáng)度為0.58 MPa，E組3天的抗壓強(qiáng)度為2.27 MPa，說(shuō)明隨著水灰比的減小，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這是因?yàn)楫?dāng)水泥水化后，多余的水分就殘留在混凝土中，形成水泡或蒸發(fā)后形成氣孔，減少了混凝土抵抗荷載的實(shí)際有效斷面，在荷載作用下，在孔隙周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中；A組（水灰比1.5）試樣需要養(yǎng)護(hù)15天左右，其抗壓才能滿(mǎn)足鉆孔支護(hù)要求，B組（水灰比1）試樣需要養(yǎng)護(hù)7天左右，其抗壓才能滿(mǎn)足鉆孔支護(hù)要求，C組（水灰比0.8）試樣3天內(nèi)即可滿(mǎn)足鉆孔支護(hù)要求．

圖2 不同齡期泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度柱狀圖

2.2 水灰比對(duì)連通孔隙率的影響

連通孔隙率與材料的滲透性直接相關(guān)，材料的連通孔隙率越高，其透氣性越好．圖3為連通孔隙率與水灰比之間的關(guān)系曲線(xiàn)．圖3縱坐標(biāo)的最高點(diǎn)為59.81%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為0.5；圖像縱坐標(biāo)的最低點(diǎn)為47.66%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為1.5；連接最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其他點(diǎn)都處在直線(xiàn)的斜下方，因此大致判斷連通孔隙率與水灰比之間符合二次模型．利用origin軟件對(duì)五組數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，得到方程y=-19.53x3+79.94x2-108.63x+96.67，R2=0.997 51，因?yàn)榉匠虜M合度R2達(dá)到了99.75%，所以該方程擬合度較好．

圖3 連通孔隙率與水灰比之間的關(guān)系曲線(xiàn)

該曲線(xiàn)是一條斜率逐漸降低的凹曲線(xiàn)，說(shuō)明隨著水灰比的增大，泡沫混凝土的連通孔隙率逐漸減小，同時(shí)這種減小的趨勢(shì)逐漸減緩，這是因?yàn)樗冶仍酱?，漿液中的水分子間距越大，其表面張力也越大，不利于起泡．另一方面，當(dāng)水灰比降低時(shí)，漿液黏度增大，對(duì)氣泡的截留能力增強(qiáng)，使得漿液內(nèi)逸散氣體減少．而且，水灰比越低，漿液內(nèi)單位體積內(nèi)的離子數(shù)越多，單位體積的漿液重度越大，整體體積越小，這使得低水灰比的漿液在凝固過(guò)程中更小的體積內(nèi)有更多的氣體含量，因此低水灰比的泡沫混凝土孔隙率更大．

根據(jù)朱傳奇在《含水率及孔隙率對(duì)松軟煤體強(qiáng)度特征影響的試驗(yàn)研究》一文中的研究結(jié)果，松軟煤體的孔隙率一般在3.7% - 10.8%之間[18]，對(duì)比發(fā)現(xiàn)各組試樣的孔隙率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤體本身的孔隙率，說(shuō)明鉆孔護(hù)孔泡沫混凝土的滲透性大大優(yōu)于媒體本身，若其能對(duì)鉆孔孔壁提供有效支護(hù)，必能有效改善因鉆孔塌孔、堵孔造成的瓦斯抽采不出的問(wèn)題．

3 結(jié) 論

本文以控制單因素為試驗(yàn)方法，以水灰比為試驗(yàn)變量，以抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率為試驗(yàn)參量，分析了改變水灰比對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率的影響，并剔選出一組抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率俱佳的水灰比作為最佳水灰比，研究表明：1）隨著水灰比的降低，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)水灰比小于0.8時(shí)，3天內(nèi)即可達(dá)到鉆孔支護(hù)條件；2）隨著水灰比的降低，泡沫混凝土的孔隙率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，水灰比為1.5時(shí)連通孔隙率為47.66%，水灰比為0.5連通孔隙率為59.81%；3）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，護(hù)孔泡沫混凝土的最佳水灰比為0.5．