巷道破碎圍巖膨脹注漿加固材料改性試驗(yàn)及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：膨脹注漿；加固材料；正交試驗(yàn)；高性能混凝土膨脹劑；抗壓強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ177.6+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0072-04

針對(duì)煤礦巷道等破碎圍巖的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的支護(hù)手段，可以提高巷道破碎圍巖的穩(wěn)定[1]。其中，注漿加固就是一種新型巷道支護(hù)手段，具備實(shí)施工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)[2]。大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，如研究了一種充填型的聚氨酯注漿材料，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)其參數(shù)配比進(jìn)行優(yōu)化[3]。以鋼渣、赤泥等固廢材料，制備了一種高性能注漿加固材料，并研究其性能[4]。除此之外，通過(guò)最優(yōu)配比試驗(yàn)，制備了一種新型無(wú)機(jī)注漿材料，并對(duì)其加固性能進(jìn)行研究，加固效果良好[5]。基于此，本試驗(yàn)以P·O42.5普通硅酸鹽水泥為主要材料，針對(duì)TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量、聚羧酸減水劑摻量，以及HSCA膨脹劑摻量，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，制備一種膨脹注漿材料，并研究其性能。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：三乙醇胺（TEA）（AR，振威新材料）；P·O42.5普通硅酸鹽水泥（工業(yè)純，固耐特建材）；硫氰酸鈣（AR，多聚化學(xué)）；氟鋁酸鈣（AR，鑫潤(rùn)德化學(xué)）；PC-1009聚羧酸減水劑（AR，福鑫精細(xì)化工）。高性能混凝土膨脹劑（HCSA）（工業(yè)純，世紀(jì)藝高環(huán)?？萍迹?/p>

主要設(shè)備：FA2204E型電子天平（根拓機(jī)電）；TQ-810型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（世通科創(chuàng)技術(shù)）；NJ-160型攪拌機(jī)（鑫龍建筑儀器）；BW50-3型手動(dòng)注漿泵（金林機(jī)械設(shè)備）；HNB-500N型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（森倍科技）；SP-175型膨脹測(cè)量?jī)x（華科嘉誠(chéng)科技）；YH-90B養(yǎng)護(hù)箱（鑫鑫試驗(yàn)儀器）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1膨脹注漿材料配比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以P·O42.5普通硅酸鹽水泥為主要材料，添加適量的TEA復(fù)配早強(qiáng)劑、聚羧酸減水劑（PC-1009），以及HSCA膨脹劑，制備膨脹注漿材料。其中，TEA復(fù)配早強(qiáng)劑是硫氰酸鈣、氟鋁酸鈣和TEA以5∶200∶1配置[6-7]。為探究該膨脹注漿材料的最佳配比，以不同TEA早強(qiáng)劑摻量（B）、PC-1009摻量（C）和HCSA膨脹劑摻量（A）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，具體試驗(yàn)配比如表1和表2所示[8]。

1.2.2破碎圍巖加固試驗(yàn)

通過(guò)手動(dòng)注漿泵、注漿箱體、注漿管和止?jié){閥，模擬注漿試驗(yàn)裝置。然后分別采用本試驗(yàn)制備的膨脹注漿材料、以及水灰比為0.6的純水泥漿液，對(duì)破碎圍巖進(jìn)行模擬注漿加固試驗(yàn)。具體步驟如下：

（1）對(duì)注漿箱體內(nèi)部進(jìn)行抹油處理，并覆蓋一層塑料薄膜。先在注漿箱體中添加一定量的煤礦巷道破碎圍巖，然后通過(guò)常水頭試驗(yàn)法，對(duì)注漿滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。之后，用密封膠密封注漿箱體，將箱體蓋蓋上，并使用螺絲加固箱蓋；

（2）先檢查模擬注漿試驗(yàn)的裝置安全情況，在確認(rèn)無(wú)誤后，通過(guò)手動(dòng)注漿泵，將本試驗(yàn)制備的膨脹注漿材料或純水泥漿液加入到注漿箱體中；

（3）當(dāng)注漿壓力上升到1MPa時(shí)，用量杯接住并測(cè)量注漿箱體下部焊接管流出的液體，并在5min后關(guān)閉注漿閥門(mén)，停止注漿；

（4）清洗模擬注漿試驗(yàn)裝置各部件，將注漿箱體靜置2d。打開(kāi)注漿箱體，取出材料。按照標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行取芯，養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，獲得破碎圍巖加固試樣，貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3性能測(cè)試

1.3.1流動(dòng)度測(cè)試

將膨脹注漿材料倒入截椎圓模中，并采用平直刀將截椎圓模表面刮平。然后立即豎直放置截椎圓模，在30s后測(cè)量膨脹注漿材料的擴(kuò)散程度。其中，以測(cè)量的擴(kuò)散面2個(gè)最大直徑的平均值來(lái)表征材料的流動(dòng)度。

1.3.2黏度測(cè)試

使用黏度計(jì)對(duì)膨脹注漿材料進(jìn)行測(cè)試，分析材料黏度。

1.3.3抗壓強(qiáng)度測(cè)試

將膨脹注漿材料倒入圓柱形模具中，靜置1d后脫模，取出，養(yǎng)護(hù)。最后，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)膨脹注漿材料試樣進(jìn)行測(cè)試，分析其抗壓強(qiáng)度。

1.3.4膨脹率測(cè)試

先在膨脹測(cè)量?jī)x內(nèi)部涂抹一層機(jī)油，然后將制備好的膨脹注漿材料倒入膨脹測(cè)量?jī)x中，注意一邊倒入一邊插搗。當(dāng)膨脹注漿材料灌滿(mǎn)膨脹測(cè)量?jī)x后，蓋上玻璃板，并在玻璃板中央位置放一個(gè)測(cè)量頭，將已經(jīng)凋零處理的千分表與測(cè)量頭進(jìn)行對(duì)接。在7d后，記錄千分表讀數(shù)，即膨脹注漿材料的7d膨脹率。

1.3.5單軸壓縮試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)破碎圍巖加固試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析其單軸壓縮性能。

2結(jié)果與分析

2.1膨脹注漿材料基本性能

2.1.1流動(dòng)度

圖1為各正交試驗(yàn)方案制備的膨脹注漿材料的流動(dòng)度情況。

由圖1可知，當(dāng)HCSA膨脹劑的添加量增加時(shí)，流動(dòng)度先升后降，極差值為3.9cm。這表明，在膨脹注漿材料中應(yīng)當(dāng)適量添加HCSA膨脹劑，不能添加過(guò)少或過(guò)多。隨著TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量的增多，流動(dòng)度也呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，但極差僅為1.8cm。這表明，TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量對(duì)膨脹注漿材料流動(dòng)度的作用效果較小。除此之外，當(dāng)膨脹注漿材料中的聚羧酸減水劑摻量增多時(shí)，流動(dòng)度迅速增高，極差達(dá)到4.6cm。通過(guò)以上這些現(xiàn)象可知，聚羧酸減水劑摻量對(duì)膨脹注漿材料流動(dòng)度的作用效果最強(qiáng)，其次是HCSA膨脹劑摻量，最后是TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量。同時(shí)，從試驗(yàn)結(jié)果可知，在正交試驗(yàn)中，本試驗(yàn)制備的膨脹注漿材料流動(dòng)度最大的組合應(yīng)為A₂B₂C₃。

2.1.2黏度

圖2為各正交試驗(yàn)方案制備的膨脹注漿材料的黏度情況。

由圖2可知，隨著膨脹注漿材料中添加的HCSA膨脹劑增多，黏度不斷增加，極差達(dá)到10mPa·s。材料基體整體膨脹，密實(shí)度增加，黏度提高[9]。但是，當(dāng)在膨脹注漿材料中HCSA膨脹劑的添加量大于8%時(shí)，材料的黏度迅速增大。這表明，HCSA膨脹劑不應(yīng)添加過(guò)多。除此之外，當(dāng)TEA復(fù)配早強(qiáng)劑的摻量增加時(shí)，膨脹注漿材料的黏度也呈現(xiàn)緩慢增加的現(xiàn)象，但是極差僅為5mPa·s。這表明，TEA復(fù)配早強(qiáng)劑添加量的變化對(duì)膨脹注漿材料的黏度的作用效果較小。另外，隨著材料中添加的聚羧酸減水劑增多，黏度迅速降低，極差最大，達(dá)到21mPa·s。綜上可知，TEA復(fù)配早強(qiáng)劑的摻量對(duì)膨脹注漿材料黏度的作用效果最大，其次是聚羧酸減水劑摻量，而HCSA膨脹劑摻量則影響最小?？紤]到膨脹注漿材料的黏度可以決定該材料的擴(kuò)散半徑，黏度越小，則擴(kuò)散半徑越大，更有利于實(shí)際破圍巖等的加固。因此，本試驗(yàn)中，膨脹注漿材料的最佳黏度組合應(yīng)為A₁B₁C₃。

2.1.3抗壓強(qiáng)度

圖3為各正交試驗(yàn)方案制備的膨脹注漿材料試件，在養(yǎng)護(hù)7d時(shí)的抗壓強(qiáng)度情況。

由圖3可知，當(dāng)膨脹注漿材料中添加的HCSA膨脹劑逐漸增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度漸漸減小，從31.2MPa降低至29.8MPa，極差為1.4MPa。而當(dāng)膨脹注漿材料中添加的TEA復(fù)配早強(qiáng)劑不斷增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度迅速增加，從26.8MPa增加到32.7MPa，極差達(dá)到5.9MPa。這表明，TEA復(fù)配早強(qiáng)劑添加量的變化，對(duì)膨脹注漿材料早期抗壓強(qiáng)度的作用效果較大。因此，膨脹注漿材料基體的密實(shí)度增加，早期強(qiáng)度提高[10-12]。從圖3還可觀察到，隨著材料中添加的聚羧酸減水劑增多，抗壓強(qiáng)度也在緩慢上升，但極差僅為1.0MPa。這說(shuō)明，膨脹注漿材料中聚羧酸減水劑添加量的變化，對(duì)其抗壓強(qiáng)度的作用效果較小。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，在早期抗壓強(qiáng)度方面，各因素的作用效果從大到小依次為：TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量、HCSA膨脹劑摻量、聚羧酸減水劑摻量。綜上，為獲得早期抗壓強(qiáng)度較好的膨脹注漿材料，本試驗(yàn)確定最佳因素組合為A₁B₃C₃。

2.1.4膨脹率

圖4為各正交試驗(yàn)方案制備的膨脹注漿材料的膨脹率結(jié)果。

由圖4可知，隨著HCSA膨脹劑摻量的增多，材料的膨脹率從0.071%增加至0.153%，極差為0.082%。由此可見(jiàn)，在膨脹注漿材料中，增加HCSA膨脹劑的摻量，可以提高其膨脹率。除此之外，當(dāng)材料中添加的TEA復(fù)配早強(qiáng)劑增多時(shí)，膨脹率呈現(xiàn)先增加后減小的變化。當(dāng)TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量為4%時(shí)，膨脹率最大，為0.127%，但極差僅為0.025。這表明，TEA復(fù)配早強(qiáng)劑添加量的變化對(duì)膨脹注漿材料膨脹率的作用效果較小。然而，當(dāng)聚羧酸減水劑摻量增多時(shí)，材料的膨脹率不斷下降，從0.132%減小到0.085%，極差達(dá)到0.047%。在膨脹率方面，各因素的作用效果從大到小依次是：HCSA膨脹劑摻量、聚羧酸減水劑摻量、TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量。同時(shí)，這種膨脹效果可以對(duì)破碎圍巖產(chǎn)生一定的擠壓，使破碎圍巖基體的緊密型增加，從而恢復(fù)破碎圍巖中的三向應(yīng)力，達(dá)到加固的效果[13]。綜上，本試驗(yàn)中，膨脹注漿材料膨脹率最大的組合是A₃B₂C₁。

2.2破碎圍巖加固應(yīng)用效果

根據(jù)2.1中的膨脹注漿材料正交試驗(yàn)結(jié)果，采用綜合平衡法，本試驗(yàn)確定膨脹注漿材料的最佳參數(shù)配比應(yīng)為：HSCA膨脹劑摻量8%、TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量4%、聚羧酸減水劑摻量0.9%。并按照1.2.2中的試驗(yàn)步驟，以最佳配比的膨脹注漿材料進(jìn)行破碎圍巖模擬注漿加固試驗(yàn)。其中，對(duì)照組為水灰比0.6的純水泥漿液。單軸壓縮試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，對(duì)于未破碎的煤礦巷道圍巖試件，不需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，其單軸抗壓強(qiáng)度為62.452MPa。當(dāng)采用膨脹注漿材料對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固時(shí)，試件在養(yǎng)護(hù)7、28d時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度分別是16.245、33.147MPa，破碎圍巖的強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)分別達(dá)到0.26、0.53。當(dāng)采用純水泥材料對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固處理時(shí)，試件在養(yǎng)護(hù)7、28d時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度分別是16.143、19.758MPa，強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)分別為0.26、0.32。由此可見(jiàn)，在養(yǎng)護(hù)早期，膨脹注漿材料與純水泥材料對(duì)破碎圍巖強(qiáng)度恢復(fù)的作用效果基本相同。但是，在養(yǎng)護(hù)后期，采用膨脹注漿材料對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固的加固效果遠(yuǎn)高于純水泥加固，加固效果提高65.6%。綜上，在最佳參數(shù)配比下，本試驗(yàn)制備的膨脹注漿材料對(duì)破碎圍巖的加固效果較好，且在注漿加固后期優(yōu)于純水泥加固。

3結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)正交試驗(yàn)，分析了HCSA膨脹劑摻量、聚羧酸減水劑摻量以及TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量對(duì)膨脹注漿材料的作用效果，確定該材料的最佳參數(shù)配比為：HSCA膨脹劑摻量8%、TEA復(fù)配早強(qiáng)劑摻量4%、聚羧酸減水劑摻量0.9%；

（2）在最佳參數(shù)配比下，破碎圍巖膨脹注漿材料加固試件在養(yǎng)護(hù)7、28d時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度分別是16.245、33.147MPa，強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)分別達(dá)到0.26、0.53。其中，后期強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)比純水泥加固提高65.6%；

（3）本試驗(yàn)制備的膨脹注漿材料可以用于破碎圍巖的注漿加固處理，且加固效果優(yōu)于純水泥材料。