鋁鹽添加劑超細(xì)水泥水玻璃漿液配比試驗研究

王宇涵，張藝昕

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

我國的煤礦行業(yè)正處于向深部發(fā)展的階段，復(fù)合頂板煤巷的數(shù)量和比例不斷增加，隨之而來的是井下圍巖壓力的不斷增大，增大的壓力給礦井巷道支護(hù)的穩(wěn)定性提出了更高的要求，原有的在淺部的支護(hù)方案已不適用于深部巷道，巷道的安全性和穩(wěn)定性亟待解決。巷道深部的滲水問題也隨著增大，巷道滲水已經(jīng)成為影響巷道施工安全的重要因素。

注漿，即在被注漿體的縫隙和夾層中注入一種可以凝固的漿液，使得其強(qiáng)度增大，被注漿體中的孔隙變少，更加密實(shí)。在深部巷道注漿中注漿的條件更加惡劣，對漿液的要求也越來越高，尋求一種強(qiáng)度高、抗?jié)B性好的漿液成為了專家學(xué)者的目標(biāo)，其中張松林[1]驗證了水泥水玻璃漿液在黃土加固中有很好的性能，而且漿液是以滲透的形式擴(kuò)散；鄭青[2]在富水細(xì)砂地層中，確立了合適的水泥水玻璃漿液配比，成功的在暗挖隧道中達(dá)到了注漿止水的效果；易健勝等[3]研究了礦渣對水泥水玻璃漿液的影響，發(fā)現(xiàn)了在不同的配比中，礦渣粉對漿液的流動性和析水性有良好的促進(jìn)效果，不僅加強(qiáng)了漿液的性質(zhì)，還合理利用了礦渣；焦寶祥[4]研究了水泥水玻璃的凝結(jié)時間，通過尋求不同的磷酸鹽、含鈣材料的不同配比，得到了部分含鈣材料對漿液有良好的緩凝效果；馬安博等[5]針對磷酸鹽對水泥固化的影響進(jìn)行了大量實(shí)驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎂基磷酸鹽水泥的固化時間、放熱溫度及抗壓強(qiáng)度會隨磷酸鹽及其組合配比的變化有較大差異，萬秀峰[6]研究了氯化鋁溶液作為水泥水玻璃的外加劑，外加劑能延緩純水泥水玻璃漿液的凝膠時間，漿液的結(jié)實(shí)率高，能作為一種良好的外加劑使用；石增利[7]研究了鋰鹽對水泥-膨潤土-水玻璃漿液性能的影響，研究出一種凝膠時間短、流變性好、穩(wěn)定性高、早期強(qiáng)度高的水泥-膨潤土-水玻璃注漿材料。

1 工程背景

趙莊煤礦1313巷道處于煤礦的一盤區(qū)，巷道位于地下1 000多米，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層之間的構(gòu)造多，滲水量大，而且整個煤巷屬于高瓦斯?jié)舛葼顟B(tài)，對于施工要求極其嚴(yán)格。1313巷道煤層為3號，整個巷道的圍巖強(qiáng)度低，頂?shù)装逅绍洠瑢儆凇叭浢簩印?。煤層的平均厚度?.7 m，巷道在原有的注漿條件下，煤層之間的膠結(jié)能力差，擴(kuò)散能力不強(qiáng)，滲水問題嚴(yán)重，圍巖的強(qiáng)度低，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用，并有很高的安全隱患。

2 水泥水玻璃漿液反應(yīng)機(jī)理

水泥和水玻璃，是由水泥的水化，變成膠質(zhì)狀態(tài)，加入水玻璃后，氫氧化鈣水玻璃發(fā)生反應(yīng)，生成膠體，這時膠體便有了強(qiáng)度。鋁離子的加入加快水泥水玻璃的反應(yīng)，生成的鋁硅酸鹽聚合物含有Al—O—Si鍵，聚合物就有了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以整個固結(jié)體抗壓強(qiáng)度得以提升。

3 鋁鹽水泥水玻璃漿液配比實(shí)驗

選取兩種鋁鹽，Al(OH)3，Al2(SO4)3和普通超細(xì)水泥水玻璃分別進(jìn)行漿液對照實(shí)驗，結(jié)合漿液研究相關(guān)經(jīng)驗設(shè)置研究范圍。對三種漿液進(jìn)行凝結(jié)時間、自由膨脹率還有抗壓強(qiáng)度對比，選出三種鋁鹽漿液最合適的配比方案。再與普通超細(xì)水泥進(jìn)行對比，驗證鋁鹽對超細(xì)水泥水玻璃漿液有改良作用。

3.1 試驗方案

試驗共有4個控制因素分別為鋁鹽添加劑量、水灰比、超細(xì)水泥漿液和水玻璃劑量比，并根據(jù)經(jīng)驗每個控制因素分別設(shè)置四個控制水平，設(shè)計一個三因素三水平的正交實(shí)驗表(見表1)。把3個因素按鋁鹽添加劑-A,水灰比-B, 超細(xì)水泥漿液和水玻璃比-C來代表三因素。一種漿液做9組實(shí)驗，每次實(shí)驗做3個試件，一共81個試件。

表1 因素水平表

3.2 試驗設(shè)備和材料

試驗主要設(shè)備為水泥凈漿攪拌機(jī)、DNS萬能試驗機(jī)、電子天平、燒杯、量筒等。試驗材料為兩種鋁鹽、1 000目超細(xì)水泥、磷酸氫二鈉、水玻璃等。

3.3 試驗方法

抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時間、自由膨脹率分別由單軸壓縮試驗、倒杯法、間接測定法來進(jìn)行試驗。

1)單軸壓縮試驗，試件采用40 mm×40 mm×160 mm的模具，養(yǎng)護(hù)28 d后利用萬能壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，單軸壓縮強(qiáng)度的計算公式：P=F/A。

其中，P為單軸壓縮強(qiáng)度，MPa；F為外加荷載，N；A為試樣的原始橫截面積，mm2。

2)凝膠時間采用“倒杯法”測試，使用100 mL燒杯配置超細(xì)水泥水玻璃漿液，再把鋁鹽倒入漿液中開始計時。材料開始混合后，將混合后的漿液在兩個燒杯中反復(fù)的傾倒，待漿液在燒杯傾斜 45°或 90°不再流動時所經(jīng)歷的時間就為漿液的凝結(jié)時間。3個樣品作為一組，取平均值。

3)自由膨脹率采用“間接測定法”測試，使用不同配比的鋁鹽配置不超過250 mL的鋁鹽超細(xì)水泥水玻璃漿液，將其倒入250 mL的量筒中，并記錄此刻量筒的數(shù)值V1；等待漿液冷卻凝固，體積不再發(fā)生變化時，加入自來水使總體積達(dá)到250 mL，再將水倒入量筒稱量，得到加入水的體積V2；最后用250 mL減去水的體積，即得到膨脹后的漿液體積(250-V2)mL，最后通過計算得到漿液的自由膨脹率F。3個樣品作為一組，取平均值。

其中，F(xiàn)為自由膨脹率，%；V1為漿液的初始體積，mL；V2為加入水的體積，mL。

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1 鋁鹽對壓縮強(qiáng)度的影響分析

呂鹽對壓縮強(qiáng)度的影響見圖1。

可以看出，在經(jīng)過實(shí)驗室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d， Al2(SO4)3強(qiáng)度處于圖形的最上方，是最大值，說明兩種鋁鹽中Al2(SO4)3對漿液的強(qiáng)度有更大的提升。圖1中3種方案的走勢基本是在3%達(dá)到最大值，在6%急劇下降，在9%又有所回升。所以可以得出在本次試驗的3個水平因素上，3%添加量為最佳。

3.4.2 鋁鹽對凝結(jié)時間和自由膨脹率的影響分析

由圖2可以看出，Al2(SO4)3對于凝結(jié)時間的延長有所增益，而Al(OH)3對于凝結(jié)時間則沒有增益，整個凝結(jié)時間的最大值在7 min左右，最小值在1 min左右。

對于膨脹性，Al2(SO4)3，Al(OH)3都是在3%達(dá)到最大值，整體趨勢為先減小再增大，由于普通超細(xì)水泥不添加鋁鹽，所以其膨脹性一直有所增大，增大的幅度較小，所以選取3%為最佳。

3.4.3 水灰比對壓縮強(qiáng)度、凝結(jié)時間和自由膨脹率的影響分析

通過分析圖3～圖5可以看出，在水灰比(質(zhì)量比)達(dá)到1.6時，漿液的固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值；在添加兩種鋁鹽的漿液中的凝結(jié)時間隨著水灰比的增大逐漸增大；三種漿液的膨脹性中，普通漿液的膨脹性略低一點(diǎn)，兩種鋁鹽漿液的膨脹性略高，選取水灰比(質(zhì)量比)1.6為最佳。

3.4.4 水玻璃對壓縮強(qiáng)度、凝結(jié)時間和微膨脹性的影響分析

在水泥和水玻璃體積比達(dá)到1∶0.6時，漿液的固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值；在添加兩種鋁鹽的漿液中的凝結(jié)時間隨著水泥和水玻璃體積比的增大而逐漸減??；三種漿液的膨脹性中，其膨脹性基本一致，說明水玻璃的添加量對漿液膨脹性的變化基本沒有影響，選取1∶0.6時為最佳(見圖6～圖8)。

4 實(shí)驗分析和結(jié)論

從結(jié)果可知，當(dāng)配比選取A-3%，B-1.6，C-1∶0.6時為最佳，由于此組并不在正交試驗表中，還需做一組驗證，結(jié)果為壓縮強(qiáng)度為37.584 MPa，凝結(jié)時間為278 s，膨脹性為1.5%。符合試驗結(jié)果。

本試驗中，壓縮強(qiáng)度在鋁鹽添加量為3%時最大，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，凝結(jié)時間、膨脹性也隨鋁鹽添加量呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，且優(yōu)于普通超細(xì)水泥水玻璃漿液。所以鋁鹽超細(xì)水泥水玻璃漿液相比于普通超細(xì)水泥水玻璃，具有更高的強(qiáng)度，更優(yōu)的性質(zhì)，擁有更高的可研究性。