采空區(qū)充填泡沫混凝土制備及其性能研究

馬 旭，高 蕾，王 桐，吳 陽

（1.兗礦能源集團股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500；2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

煤炭自燃是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。我國煤礦自然發(fā)火非常嚴重，有56%的煤礦存在自然發(fā)火問題，其中我國國有和重點煤礦中具有自然發(fā)火危險的礦井約占47%，礦井自然發(fā)火又占總發(fā)火次數(shù)的94%，其中采空區(qū)自燃則占內(nèi)因火災(zāi)的60%。因此，做好采空區(qū)密閉是解決煤礦自燃問題的關(guān)鍵。

礦井火災(zāi)發(fā)生后，最好采用直接滅火方法進行滅火，但由于煤自燃火災(zāi)多發(fā)生在采空區(qū)或破裂煤柱內(nèi)，火源點較為隱蔽，即使找到火源點，工作人員也難以接近火源實施直接滅火，若直接滅火的安全性不能保證時，應(yīng)著手實施封閉火區(qū)工作。防火密閉墻是一種常用的煤礦密閉防沖方法，影響密閉墻性能的因素主要是密閉墻位置、材料、結(jié)構(gòu)的選擇。國內(nèi)傳統(tǒng)的防爆密閉墻多為磚墻結(jié)構(gòu),施工所用的材料為磚塊、砂、水泥等。由于礦物地下開采條件的多樣性,采用各種類型和結(jié)構(gòu)的密閉應(yīng)用于在礦山巷道里,尤其是新型密閉材料的出現(xiàn),更加豐富了密閉設(shè)計和密閉工藝,對密閉的發(fā)展和煤礦安全生產(chǎn)提供了極大的幫助[1]。

泡沫混凝土是一種輕質(zhì)多孔材料。它與泡沫玻璃、泡沫陶瓷、泡沫鋁并稱為四大無機泡沫材料[2]。泡沫混凝土是利用機械方式將發(fā)泡劑(水溶液)制作成泡沫，再將泡沫混入到硅質(zhì)材料(砂、粉煤灰)、鈣質(zhì)材料（水泥、石灰）等以及各種外摻料和水組成的混合料中，攪拌均勻澆筑成各種所需的規(guī)格，經(jīng)養(yǎng)護而成的含有大量封閉氣孔的輕質(zhì)混凝土[3]。其具有低密度、高強度、高流動度、耐久性強以及資源利用等特點，目前已經(jīng)在國內(nèi)外建筑、園藝、地暖等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在井下采空區(qū)回填時，其相比較傳統(tǒng)水泥填充更加經(jīng)濟、環(huán)保、易施工。本文通過對粉煤灰、泡沫摻量、纖維品種、水料比、防水劑摻量、減水劑摻量和促凝劑摻量7個因素進行研究，每個因素取4個水平，進行正交試驗，以氣泡品質(zhì)、纖維品質(zhì)、干密度、吸水率、抗壓強度、劈裂抗拉強度和劈拉強度/抗壓強度比值為考核指標，分析各因素的影響規(guī)律及顯著性，從而確定最佳配比方案。

1 試驗材料與制備

1.1 試驗材料

試驗原料：42.5級普通硅酸鹽水泥（市售華新水泥有限公司生產(chǎn)）、粉煤灰（市售武漢羅陽電廠生產(chǎn)的一級粉煤灰）、發(fā)泡劑（市售河南華泰建材開發(fā)有限公司開發(fā)的HT復(fù)合發(fā)泡劑）、防水劑（市售易來泰公司生產(chǎn)的seal80高活性可再分散硅烷基憎水劑）、改性聚丙烯束狀纖維（19、19、6、9 mm單絲纖維）、減水劑（市售武漢蘇博新型建材公司生產(chǎn)的PC100聚羧酸鹽高性能減水劑）、促凝劑（市售中國建筑材料科學(xué)研究總院研制的HSA高效速凝劑）。

1.2 材料制備

將水泥過0.08方孔篩，去除水泥中硬塊硬粒，將各個材料粉體稱量備用。隨后，將發(fā)泡劑和水的體積按照1∶50的比例配制發(fā)泡液，然后加入壓力發(fā)泡機中制泡。先在攪拌機內(nèi)加入少量的水，開啟攪拌機，在低速攪拌狀態(tài)下依次加入水泥、粉煤灰、珍珠巖、防水劑、減水劑和纖維，同時按比例加水，直至加料完全后，繼續(xù)攪拌，等待加泡沫。在漿料攪拌的同時發(fā)泡，先封閉閥門用空壓機加壓，當發(fā)泡機壓力達到3.5 MPa時，開啟出泡管閥門出泡，同時空壓機持續(xù)加壓，用量杯計量泡沫體積。在膠凝漿體制備好后，不停機，在攪拌狀態(tài)下加入泡沫，最后依次加入促凝劑，繼續(xù)攪拌。當漿面看不到漂浮的泡沫時，泡沫漿制備完成，可以出料，澆注成型灑水自然養(yǎng)護28 d即可。通過改變個組分材料不同配比，分別進行試樣成型品質(zhì)、纖維品質(zhì)、干密度、吸水率、抗壓強度、劈裂抗拉強度和劈拉強度/抗壓強度比值的綜合考量，確定各組分最佳配合比例。

1.3 測試方法

本次試驗所制得的泡沫混凝土成分包括膠凝材料、輕集料、發(fā)泡劑、水和外摻料，其中膠凝材料由水泥和粉煤灰組成，粉煤灰占水泥重量的百分比分別為；泡沫體積(單位：L)占水泥質(zhì)量(單位：kg)的比值100 %～150 %；水占膠凝材料總重量的百分比為30 %～50 %；外摻料由防水劑、減水劑、促凝劑和纖維組成，其中，防水劑占混凝土拌合物總重量的百分比為0.2%～0.8%，減水劑和促凝劑占水泥重量的百分比分別為：1%～2.5%，0.8 %～1.2 %和2 %～5%；纖維與混凝土拌合物體積關(guān)系為1.2 kg/m3，共選用了4種不同的纖維。具體水平分布見表1。

表1 因素水平表

此次試驗考慮粉煤灰、泡沫、纖維品種、水料比、防水劑、減水劑和促凝劑的摻量7種因素進行研究，每種因素取4個水平，可以選用L_32（4×7）正交表安排試驗，每組試驗水泥含量為1.8 kg，其它各組分含量以該基本量為標準進行實驗。

2 試驗結(jié)果分析

對32種不同配方的試樣分別進行觀察或試驗研究，得到每組試樣的成型品質(zhì)、纖維品質(zhì)、干密度、吸水率、抗壓強度、劈裂抗拉強度和劈拉強度/抗壓強度比值。

表2、表3為各試樣實驗結(jié)果，表2中試樣成型品質(zhì)與纖維品質(zhì)分別用0～3依次代表很差、較差、合格和很好4個檔次。

表2 試樣試驗結(jié)果

注：“-”是代表試樣塌模，沒有數(shù)據(jù)

表3 試樣抗壓抗拉強度

注：“-”是代表試樣塌模，沒有數(shù)據(jù)

試樣中出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象，可能是由于水料比過大、促凝劑添加量不夠或者凝固時間過長，沒有及時固住氣泡、減水劑摻量太多、加入的泡沫量過大等原因?qū)е隆?/p>

對試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)劈開觀察，氣泡過大過小，氣泡不均勻都不符合試樣要求。出現(xiàn)此類現(xiàn)象可能是由于水料比過大，料漿流動度過大，在凝固過程中，氣泡小范圍內(nèi)合并、促凝劑添加量不夠或者凝固時間過長，沒有及時固住氣泡、加入的泡沫量過大，使得氣泡相互連通、泡沫在混凝土中固化之前由于空氣壓力的影響會越來越大，所以攪拌時間過長也會導(dǎo)致此類現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

將各個因素相同水平的試驗結(jié)果求平均值，再求極差可得出以下結(jié)論：

1）影響試樣成型質(zhì)量的4個主要因素分別是珍珠巖、水料比、防水劑和促凝劑，從本次試驗分析結(jié)果可以看出，水料比為0.37（水平2）時試樣成型最好，0.42（水平3）次之，當水料比達到0.5（水平4）時，試樣成型最差，減水劑在水平2的表現(xiàn)最佳，促凝劑在水平3時效果最好。

2）影響纖維在泡沫混凝土中分布均勻性的2個主要因素分別是纖維品種和粉煤灰含量，其中纖維品種的影響最為明顯，品種2和品種4的纖維效果好；粉煤灰含量為30 %（水平3）和0 %（水平1）時纖維效果較好。

3）影響混凝土試樣干密度最顯著的3個因素分別是水料比、泡沫量和防水劑含量。

4）影響混凝土試樣吸水率的2個主要因素分別是水料比和粉煤灰含量，但都不是很顯著。

5）影響混凝土試樣抗壓強度和劈拉強度的2個主要因素都是水料比和纖維品種，水料比為0.5（水平4）時比水料比為0.42（水平3）時的抗壓強度要高，是因為水平4試樣成型不好，試體內(nèi)含氣孔較少的緣故。纖維含量對抗壓強度有一定的影響，但不是很顯著。

綜上結(jié)論所述，綜合考量選定試樣最佳試樣配比如下：水泥1 800 g、泡沫量360 ml、纖維3 g、水750 ml、防水劑5 ml、減水劑20 ml、促凝劑90 g。該試樣氣泡大小均勻，結(jié)構(gòu)致密整齊，各項性能整體最佳，能夠很好地降低采空區(qū)回填成本、達到良好的防治煤炭自燃的效果。