新型改性水泥砂漿噴涂堵漏風(fēng)材料的特性研究

韓晉鑫，王 飛，于 創(chuàng)

(1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原 030024)

切頂卸壓開采技術(shù)條件下，留巷的正幫段是采空區(qū)的冒落帶[1-3]，需要在支護(hù)用工字鋼后方的錨網(wǎng)和擋風(fēng)幕布上噴涂堵漏風(fēng)材料。目前，針對煤礦巷道噴涂施工而言，大部分礦井采用的是干混式噴涂工藝將水泥砂漿噴涂于巷道壁面用于堵漏風(fēng)。眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在普通水泥砂漿的基礎(chǔ)上加入粉煤灰、硅灰、膠粉以及纖維而衍生出的各種改性水泥砂漿，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都有大幅提高。陳苗[4]研究了硅灰石粉及其摻量對砂漿早期抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，摻入改性硅灰石粉體的砂漿與空白試件相比，3 d的抗拉強(qiáng)度最高可提高73%。趙文杰等[5]用聚丁二烯接枝聚苯乙烯(PB-g-PS)膠乳改性水泥砂漿，研究發(fā)現(xiàn)膠粉的主要作用是減少了改性水泥砂漿的毛細(xì)吸水率，這使得改性水泥砂漿的結(jié)構(gòu)更加致密，力學(xué)性能大幅提高。VAN[6]研究了可再分散乳膠粉的摻量對新拌砂漿流動性的影響，發(fā)現(xiàn)在新拌砂漿中加入過量的可再分散乳膠粉會使得漿體變稠，降低漿體的流動性，因此需要把可再分散乳膠粉的摻量控制在合適范圍，才能起到改善砂漿流動度的目的。這些改性研究使得水泥砂漿材料能夠更好地用于煤礦井下空間的加固和封堵工程。因此，結(jié)合水泥砂漿的施工特點(diǎn)，研究一種新型改性水泥砂漿應(yīng)用于切頂卸壓沿空留巷的壁面噴涂?？紤]到切頂卸壓開采技術(shù)條件下，采空區(qū)漏風(fēng)相對較大，而沿空留巷壁面噴涂施工時主要是利用氣動隔膜泵，以礦井高壓風(fēng)為動力，將制備好的砂漿噴涂到巷道壁面上，形成密閉墻以達(dá)到控制漏風(fēng)的目的。因此新型改性水泥砂漿必須具備初凝短，凝固后具有一定的強(qiáng)度，隔風(fēng)性能好，不易開裂和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)[7-10]，該材料對于沿空巷道噴涂、密閉墻施工等將具有良好的應(yīng)用前景。

1 改性水泥砂漿噴涂材料特點(diǎn)分析

為保證煤礦井下施工作業(yè)的安全性，新型改性水泥砂漿噴涂材料采用風(fēng)動噴涂的施工工藝。結(jié)合風(fēng)動噴涂施工的特點(diǎn)及材料本身性能要求，新型改性水泥砂漿噴涂材料的流動度、初凝時間、抗裂性能和隔風(fēng)性能應(yīng)該滿足一定的指標(biāo)[11-13]。①流動度：砂漿的流動度是衡量其施工和易性的一個重要指標(biāo)，要保證噴涂施工的正常進(jìn)行，砂漿應(yīng)該具備較好的流動性；②初凝時間：漿料的初凝時間應(yīng)該能夠保證從加水?dāng)嚢璧絿娡客戤叺臅r間內(nèi)不會因較快凝固而堵塞輸送管道，因此需要研究速凝劑的摻量對砂漿初凝時間的影響；③隔風(fēng)性能：水泥砂漿的隔風(fēng)性能直接決定了該材料的堵漏風(fēng)效果，隔風(fēng)性能越強(qiáng)，堵漏風(fēng)效果越好。水泥砂漿的隔風(fēng)性能可以依據(jù)滲透系數(shù)進(jìn)行衡量，故采用微孔結(jié)構(gòu)分析儀對改性水泥砂漿的隔風(fēng)性能進(jìn)行研究；④抗裂性能：干縮變形是引起水泥砂漿開裂的最主要的原因之一，當(dāng)砂漿因干燥干縮產(chǎn)生的應(yīng)力大于砂漿本身的抗拉強(qiáng)度時就會引起砂漿材料的開裂，形成漏風(fēng)通道，所以該砂漿作為噴涂材料，必須具備一定的抗裂性能，而干縮率是衡量砂漿材料抗裂性能的一個重要指標(biāo)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 試驗(yàn)材料和方法

2.1.1 試驗(yàn)材料

水泥：普通硅酸鹽水泥，P.O42.5 R，太原獅頭中聯(lián)水泥有限公司；砂子：建筑用機(jī)制砂，粗砂，粒級組成為2.0～2.5 mm；粉煤灰：實(shí)驗(yàn)級，主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、TiO2等，平均粒徑為10～30 μm；硅灰：實(shí)驗(yàn)級，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO等，平均粒徑為0.1～0.3 μm；膠粉：德國瓦克VINNAPAS?328N型可再分散乳膠粉，主要成分為聚乙烯醇，上海臣啟化工科技有限公司；減水劑：聚羧酸高效減水劑，主要是由聚乙烯醇單甲醚和甲基丙烯酸先酯化再和甲基丙烯酸縮合而成的大分子鏈化合物，上海臣啟化工科技有限公司；速凝劑：ZS-111型水泥速凝劑，主要成分為鋁氧熟料(即鋁礬土、純堿、生石灰按比例燒制成的熟料)經(jīng)磨細(xì)而制成,山西陽泉河底速凝劑廠；水∶自來水。

2.1.2 試驗(yàn)方法

1) 流動度：砂漿的流動度由膠砂振動臺來檢測，具體試驗(yàn)步驟按《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2013)規(guī)范要求。

2) 干縮率：使用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模制作試件，使用游標(biāo)卡尺測量不同養(yǎng)護(hù)齡期下試件的長度，每個齡期3個試件取平均值，不同齡期干縮率計算公式見式(1)。

(1)

式中：Pt為改性水泥砂漿的干縮率，%；L0為試件的基準(zhǔn)長度，mm；Lt為試件養(yǎng)護(hù)后的長度，mm。

3) 凝結(jié)時間：根據(jù)《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5126—2001)中的規(guī)定，采用維卡儀測定砂漿的凝結(jié)時間。

4) 隔風(fēng)性能：采用美國麥克公司的微孔結(jié)構(gòu)分析儀AutoPore IV 9500對新型改性水泥砂漿的隔風(fēng)性能進(jìn)行研究。

2.2 配合比設(shè)計

1) 步驟一。通過調(diào)節(jié)粉煤灰、硅灰、膠粉的摻量，測定其對砂漿流動度的影響，為后續(xù)的試驗(yàn)改進(jìn)提供依據(jù)。砂漿各組分的配比為(水泥+粉煤灰+硅灰)∶砂子∶水∶膠粉∶減水劑=(C+FA+SF)∶1∶0.35∶sup∶0.002。 表1中各組分的配比均為質(zhì)量比。

表1 適配砂漿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test datas of suitable mortar

對比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。

①前6組砂漿的流動距離在125～165 mm之間，流動性滿足壁面噴涂的施工要求。

②第1組～第3組改變粉煤灰的用量，粉煤灰的摻量越多，砂漿的流動性越好。粉煤灰的加入可以很好地改善砂漿的施工和易性。

③第4組～第6組在第1組～第3組基礎(chǔ)上加入硅灰，砂漿的流動度有所增加，硅灰加入可以改善砂漿的觸變性和抹面施工性能。

④第7組～第9組在第4組～第6組的基礎(chǔ)上，加入膠粉，砂漿的流動度有所下降，因此膠粉的摻入及用量需要做進(jìn)一步探討。

2) 步驟二。本試驗(yàn)已有的基準(zhǔn)配比水泥、粉煤灰、硅灰和水摻量分別為0.7、0.2、0.1和0.35，在此基礎(chǔ)上，改變膠粉、減水劑和速凝劑的摻量，混合均勻并攪拌5 min后，測定其摻量變化對砂漿的凝結(jié)時間、流動度、3 d、7 d、28 d干縮率的影響。試驗(yàn)基準(zhǔn)配比見表2，表2中各組分的配比均為質(zhì)量比。對照組為只添加水泥、粉煤灰、硅灰、水和砂子五種組分的情況。

表2 試驗(yàn)材料的基準(zhǔn)配比Table 2 Reference ratio of test materials

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

砂漿制作嚴(yán)格按照《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5126—2001)的規(guī)定進(jìn)行，在相對濕度≥95%，溫度(20±0.5)℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，7 d之后在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)即可。試驗(yàn)實(shí)測各組數(shù)據(jù)見表3。從表3中的數(shù)據(jù)可以得出：①實(shí)驗(yàn)組1～實(shí)驗(yàn)組4數(shù)據(jù)表明，膠粉的加入對砂漿的初凝時間和流動性沒有顯著影響，但是對砂漿的3 d、7 d和28 d干縮率影響較大，膠粉摻量對砂漿干縮率的影響會在下文具體分析；②實(shí)驗(yàn)組5～實(shí)驗(yàn)組8的數(shù)據(jù)表明，減水劑對砂漿的初凝時間和干縮率的影響不大，其主要作用是調(diào)整砂漿的流動性能，減水劑的摻量對砂漿流動性的影響會在下文具體分析；③實(shí)驗(yàn)組9～實(shí)驗(yàn)組12的數(shù)據(jù)表明，速凝劑的作用主要是改變了砂漿的凝固時間，當(dāng)速凝劑摻量為3%～6%時，可以將砂漿的初凝時間控制在5～10 min內(nèi)。實(shí)際的摻量可根據(jù)具體施工時間的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。而且速凝劑摻量逐漸增加，會對砂漿的流動性造成影響，這可能是因?yàn)樗倌齽┘涌炝怂嗟乃磻?yīng)，使水泥顆粒間的凝聚性增大，進(jìn)一步提高拌合物的黏稠性，所以砂漿的流動性隨之降低。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表Table 3 Summary of test datas

2.3.1 膠粉對新型改性水泥砂漿干縮率的影響

VAN[6]的研究發(fā)現(xiàn)，可再分散乳膠粉的摻量必須控制在一定范圍之內(nèi)，否則新拌砂漿的流動度則會隨著摻量的增加而銳減。所以膠粉的摻量需要在一個合適的范圍內(nèi)，來確保砂漿的流動度滿足噴涂施工的要求。圖1所示為膠粉摻量對砂漿3 d、7 d、28 d干縮率的影響規(guī)律。由圖1可知，在相同的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，隨著膠粉摻量的增加，砂漿的干縮率是不斷降低的。不摻加膠粉的對照組，砂漿28 d干縮率為1.8%；當(dāng)膠粉摻量為0.05時，砂漿28 d干縮率僅為1.3%。由此可見，膠粉對于砂漿的干縮性能影響較為顯著。膠粉能夠改善砂漿干縮率的原因可能是由于膠粉在水中分散的過程中產(chǎn)生了微小的氣泡，氣泡將水泥砂漿內(nèi)部的毛細(xì)管通道堵塞，減少了硬化過程中水分的蒸發(fā)，所以砂漿的干縮率顯著降低。

圖1 膠粉摻量對砂漿干縮率的影響Fig.1 Effect of rubber powder output ondry shrinkage of mortar

2.3.2 減水劑對新型改性水泥砂漿流動度的影響

圖2為不同減水劑摻量下砂漿在5 min時的流動度。由圖2可知，當(dāng)減水劑摻量在0和0.004之間變化時，砂漿的流動度在87 mm和158 mm之間。在水灰比一定的條件下，隨著減水劑摻量的增加，水泥砂漿的流動度不斷增大。 實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在不加任何減水劑時，水泥砂漿的流動度為87 mm；在摻量為0.003時，砂漿的流動性較好，流動度為149 mm，繼續(xù)增加摻量會出現(xiàn)沁水扒底等現(xiàn)象。這是因?yàn)榫埕人釡p水劑是高效減水劑，減水劑在被水泥及水化產(chǎn)物吸附后，會通過破壞水泥水化產(chǎn)生的絮凝結(jié)構(gòu)，使絮凝結(jié)構(gòu)中包裹的水釋放出來，從而水泥砂漿的流動性得以提高。但是當(dāng)減水劑的摻量過大時(超過0.003)，被釋放的水分過多，由于漿體中的固相和液相的密度不同，密度較大的水泥，砂子沉降到底部，密度較小的水浮于上部，漿體分散性反而變差并出現(xiàn)嚴(yán)重的分離現(xiàn)象，即所謂的沁水現(xiàn)象。砂漿沁水會嚴(yán)重影響泵送施工性能，導(dǎo)致砂漿的勻質(zhì)性差，易產(chǎn)生裂縫。所以為了保證砂漿的施工可行性，一定要嚴(yán)格控制減水劑的用量。

圖2 減水劑摻量對砂漿流動度的影響Fig.2 Effect of the amount of water reducing agenton the fluidity of mortar

2.3.3 改性水泥砂漿的隔風(fēng)特性研究

改性水泥砂漿的隔風(fēng)特性可以依據(jù)滲透系數(shù)進(jìn)行定量衡量[14-15]。滲透系數(shù)K可用式(2)計算。

K=2.34n3d2

(2)

式中：n為孔隙率；d為累計含量為m%時對應(yīng)的顆粒直徑。

可見，滲透系數(shù)K正比于孔隙半徑d的平方，且正比于孔隙率n的三次方，因此，孔隙半徑越小，孔隙率越低，滲透系數(shù)就越小，材料的隔風(fēng)性能越好，堵漏風(fēng)效果越好。為考察改性水泥砂漿材料的滲透系數(shù)K及隔風(fēng)特性，采用孔隙結(jié)構(gòu)分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)計算可得到砂漿材料的孔隙情況，見表4和表5。

表4 改性水泥砂漿材料密度和孔隙率Table 4 Density and porosity of modified cementmortar materials

表5 各類型孔隙表面積和體積及其百分比Table 5 Surface area and volume of various types ofpores and their percentages

由表4和表5可知，改性水泥砂漿材料的孔隙率為24.76%，微孔、小孔、中孔的表面積之和占總面積的99.27%，體積之和占總體積的80.83%。其中，中孔表面積占45%，體積占比高達(dá)77%。微孔、小孔和中孔占材料總孔隙的80%以上，微裂隙普遍發(fā)育，而粗大裂隙不發(fā)育。由此可以得出結(jié)論：新型改性水泥砂漿材料結(jié)構(gòu)致密，隔風(fēng)性能優(yōu)越，用于巷道壁面噴涂時能夠大幅減少漏風(fēng)。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

山西焦煤西山煤電集團(tuán)杜兒坪礦62711工作面采用切頂成巷無煤柱開采技術(shù)，工作面設(shè)計采高1.9 m，煤巖層傾角為1°～7°，平均2°，可采走向長度1 564 m，切眼長216 m。工作面后部的沿空留巷采用U型鋼Y配合單體支柱進(jìn)行擋矸支護(hù)，并在支柱后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)和風(fēng)筒布以封閉漏風(fēng)通道。62711工作面通風(fēng)方式為型通風(fēng)，軌道巷和皮帶巷進(jìn)風(fēng)，軌道巷后部(即沿空留巷)回風(fēng)，由于留巷的正幫段是采空區(qū)的冒落帶，提前鋪設(shè)的鋼筋網(wǎng)和風(fēng)筒布未能形成完全封堵。為減少漏風(fēng)，采用改性水泥砂漿材料對沿空留巷的壁面進(jìn)行噴涂，施工設(shè)備為氣動隔膜泵和漿料攪拌桶，工作壓力1～1.5 MPa，輸料管內(nèi)徑50 mm，輸送能力3.5～3.8 m3/h。圖3右側(cè)粗線所示即為噴涂的位置。

圖3 62711回采工作面通風(fēng)方式Fig.3 Ventilation method of 62711 mining face

現(xiàn)場噴涂施工時，改性水泥砂漿材料的配合比為水泥∶粉煤灰∶硅灰∶砂子∶水∶膠粉∶減水劑∶速凝劑=0.7∶0.2∶0.1∶1∶0.35∶0.03∶0.003∶0.04。在此配比條件下，砂漿的流動性較好，輸送順暢，與壁面的粘結(jié)性最好，同時具有較好的抗干裂性能。為了考察新型改性水泥砂漿噴涂材料的隔風(fēng)效果，在噴涂前后，對沿空留巷進(jìn)行了平均百米漏風(fēng)量測定和采空區(qū)平均氧氣濃度的測定，測試結(jié)果為在噴涂該材料15 d時間內(nèi)巷道的平均百米漏風(fēng)量由6.5 m3/min降至0.7 m3/min；采空區(qū)平均氧氣濃度由12.6%迅速下降至3.6%，并最終穩(wěn)定在4%左右，表明該水泥砂漿噴涂材料堵漏風(fēng)效果良好，能解決漏風(fēng)問題。

4 結(jié) 論

1) 為保證煤礦井下施工作業(yè)的安全性，基于風(fēng)動噴涂施工工藝的特點(diǎn)，對砂漿的流動性、初凝時間、隔風(fēng)性能和抗裂性能進(jìn)行分析，研制了一種配比為水泥∶粉煤灰∶硅灰∶砂子∶水∶膠粉∶減水劑∶速凝劑=0.7∶0.2∶0.1∶1∶0.35∶0.03∶0.003∶0.04的新型改性水泥砂漿噴涂材料。

2) 通過對材料干縮率、流動度和初凝時間的測定表明，膠粉的引入會顯著降低砂漿的干縮率，當(dāng)摻量為0.03，砂漿的28 d干縮率僅為1.5%，與不摻加膠粉時相比降低16.7%；減水劑摻量為0.003時，砂漿的流動性較好，流動度為149 mm，繼續(xù)增加摻量會出現(xiàn)沁水扒底等現(xiàn)象；速凝劑摻量為0.003～0.006時，可以將砂漿的初凝時間控制在5～10 min內(nèi)；壓汞實(shí)驗(yàn)表明材料孔隙率為24.76%，微裂隙普遍發(fā)育，粗大孔隙不發(fā)育。

3) 現(xiàn)場噴涂試驗(yàn)表明，該材料噴涂堵漏風(fēng)效果優(yōu)良，在噴涂該砂漿材料后15 d時間內(nèi)巷道的平均百米漏風(fēng)量由6.5 m3/min降至0.7 m3/min；采空區(qū)平均氧氣濃度由12.6%迅速下降至3.6%，并最終穩(wěn)定在4%左右，堵漏風(fēng)效果顯著。新型改性水泥砂漿材料對于沿空巷道噴涂、密閉墻施工、永久煤巷噴涂等將會有良好的應(yīng)用前景。