聚合物改性混凝土的研究及在煤矿井下的应用

谢玉芬 ，段星泽，廖建国，张义顺

(河南理工大学材料科学与工程学院，焦作　454000)



聚合物改性混凝土的研究及在煤矿井下的应用

谢玉芬 ，段星泽，廖建国，张义顺

(河南理工大学材料科学与工程学院，焦作454000)

本文通过对聚合物乳液改性混凝土的力学性能和耐久性能研究，得到了一种用于井巷修补的新型聚合物改性混凝土，并确定了各组分之间最佳配比。实验结果表明：聚合物乳液可以改善混凝土性能。与普通混凝土相比，聚合物改性混凝土的抗折强度高36.8%，劈裂强度提高53.1%，粘结强度提高68%，抗渗性提高了83.3%；同时通过扫描电镜照片对乳液改性混凝土的机理进行了分析，聚合物改性混凝土内部形成连续完整的空间网状结构，极大地提高了材料的力学性能和耐久性能。

聚合物乳液; 硅灰; 力学性能; 耐久性能; 机理分析

1　引　言

国家统计局发布的2014年国民经济和社会发展统计公报显示，我国2014年原煤产量为38.7亿吨[1]，而在施工建造开采这些煤的煤矿井巷过程中都会遇到混凝土质量问题，如裂缝、大面积损坏、空洞等，必须进行加固修补，才能使其运转正常。普通混凝土脆性大，韧性低，抗折和粘结强度低，抗冻能力差，用其作修补材料容易造成界面粘结不牢、开裂而导致混凝土再度损坏等问题[2]。用聚合物改性可提高混凝土脆性、改善耐久性、增强界面粘结性[3-10]。

本文在普通混凝土中掺入聚合物乳液对其进行改性，制备出一种粘结性强、操作简单、耐久性能良好且成本较低的聚合物改性混凝土，以满足井巷修补加固需要。

2　实　验

2.1实验原料

(1)水泥：普通硅酸盐水泥42.5# ，河南焦作坚固水泥厂，水泥物理性能指标见下表1。

表1　水泥物理性能指标

(2)砂：黄砂，河南信阳，砂子的含水量为1.8%，含泥量为2.5%，细度模数为2.8的中砂;

(3)碎石：花岗岩碎石，含水率为0.095%，含泥量为0.26%，堆积密度1520 kg/m3，表观密度2670 kg/m3，5～25 mm粒径碎石60%，20～40粒径碎石40%，级配良好;

(4)聚合物乳液：丙烯酸酯乳液(简称PAE)，固含量为50±1，粘度为500～1100 MPa·s;

(5)硅灰：上海埃肯有限公司，容重为150～200 kg/m3，SiO2含量为85%～94%;

(6)减水剂：萘系高效减水剂(FDN-8000),焦作市协力建材有限公司，减水率为20%;

(7)消泡剂：L-1000系列有机硅消泡剂;

(8)稳定剂：OP型乳化剂。

2.2实验方法

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对聚合物改性混凝土的力学性能进行试验，配合比如表2所示。

表2　混凝土配合比

本实验采用劈裂抗拉强度来表征聚合物改性混凝土的粘结强度。制备10 cm×10 cm×10 cm混凝土试件，24 h脱模，养护28 d后，将试件切分为两半，一半放回模具内，然后浇注聚合物改性混凝土到模具空余部分，24 h脱模，养护至28 d，测其劈裂抗拉强度。

参照GBJ82-1985《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》对聚合物改性混凝土的抗渗性和抗冻性进行试验；采用NEL-PD型混凝土渗透性检测仪器对聚合物改性混凝土进行抗氯离子试验检测。

3　结果与讨论

3.1力学性能

力学性能结果见表3。

从表3可以看出：与空白混凝土相比较，单掺聚合物乳液改性混凝土的抗压强度有所降低，双掺乳液和硅灰改性的混凝土28 d抗压强度提高了10.3%；单掺和双掺改性混凝土的抗折、劈裂抗拉强度均有较大提高，双掺时对混凝土的改性效果更好，其28 d抗折强度提高了36.8%，劈裂强度提高了53.1%，改性混凝土力学性能得到较大的提高。

表3　不同配方混凝土的力学性能和耐久性

3.2粘结性能

粘结强度和抗渗性结果见表4，从表4可知：双掺聚合物改性混凝土最高。单掺聚合物乳液时，混凝土粘结强度提高了50%；双掺聚合物乳和液硅灰时，提高了68%。这些研究表明：加入聚合物乳液和硅灰，明显改善了混凝土新老界面的粘结强度，聚合物改性混凝土可以作为一种优良的界面修补粘结材料。

3.3耐久性能

耐久性实验结果见表4。由表4可知：

(1)空白混凝土抗渗能力较差，加入聚合物乳液，混凝土抗渗性提高了77.2%；掺聚乳液和硅灰时，混凝土抗渗性进一步提高到83.3%。聚合物乳液加入，明显改善了混凝土孔结构，空隙降低，大孔减少；小粒度硅灰加入进一步填充内部空隙，提高了混凝土密实性，从而较大的提高其抗渗性能;

(2)与空白混凝土相比，加入聚合物乳液混凝土抗冻性能提高，双掺乳液和硅灰混凝土抗冻性能进一步提高;

(3)空白混凝土抗渗等级Ⅲ；加入聚合物乳液混凝土抗渗等级提高到Ⅴ；双掺乳液和硅灰混凝土抗渗等级为Ⅵ (Ⅲ为中，Ⅴ为低，Ⅵ为极低)。说明加入聚合物乳液，混凝土内部结构得到改善，更加致密，孔隙率降低，抗氯离子渗透性能力得到较大改善，从而使混凝土耐久性得到了提高。

表4　不同配方混凝土的力学性能和耐久性

3.4微观形貌分析

通过对聚合物乳液PAE改性混凝土的SEM照片图1分析可知：

聚合物改性混凝土后，混凝土内部微裂缝和空隙进一步减少，聚合物乳液在混凝土内部成膜，聚合物改性混凝土内部大孔减少，小孔增多，孔径分布趋于减少，形成连续完整的空间网状结构，水泥与聚合物发生物理化学反应，增强水化产物之间的连接，混凝土趋于转化成一种连续而密实的结构，极大地提高了材料的力学性能和耐久性能。

4　应　用

表5　混凝土配合比

本研究所得聚合物改性混凝土的应用在某煤矿进行，该矿二水平煤层巷道两侧有大量裂缝、蜂窝麻面、空洞等，为了评价改性混凝土的使用效果，在井巷两侧分别使用聚合物改性混凝土和普通混凝土进行修补。普通混凝土(P0)和高性能聚合物混凝土(P1)的配合比见表5。

图1　掺入聚合物改性混凝土SEM照片(a)×3000;(b)×6000Fig.1　SEM images of polymer modified concrete

图2　混凝土修补巷道回弹仪现场检测数据Fig.2　Field test data of the concrete repair roadway rebound mete

修补后的巷道经用锚杆钻机打孔进行检测，聚合物改性混凝土和煤层的粘结较紧密。并用ZC2-A型回弹仪，现场测试了不同位置的混凝土强度。方法是在巷道的施工长度上，每个修补位置测试2～3次，取平均值，共选取10个位置，测试结果如图2所示。

按照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50082001) 的规定，对巷道修补用混凝土的强度进行检测，采用混凝土大板切割成标准试块的方法进行。试验数据如表6所示。

表6　修补用混凝土性能检测结果

从成本方面分析普通混凝土和巷道使用的聚合物改性混凝土材料成本见表7。

表7　普通喷射混凝土和巷道修补用聚合物改性混凝土材料成本

从表6和表7可以看出，与普通混凝土相比，聚合物改性混凝土抗压强度提高了13.76%，粘接性能提高了153%，每立方米混凝土成本仅高了0.6%，性价比大大提高。

5　结　论

(1)单掺聚合物改性混凝土28 d抗折强度提高了26.3%，28 d劈裂强度提高了37.5%；双掺聚合物乳液和硅灰混凝土28 d抗压强度提高了10.3%，28 d抗折强度和劈裂强度分别提高了36.8%和53.1%。聚合物改性混凝土力学性能得到较大的提高;

(2)掺入聚合物较大提高了混凝土粘结强度。与普通混凝土相比，单掺时提高50%；双掺时提高68%，这表明加入聚合物可以改善混凝土新老界面粘结强度，聚合物改性混凝土可以作为一种优良的界面修补粘结材料;

(3)掺入聚合物混凝土耐久性能得到明显改善。加入聚合物，混凝土抗渗性提高了77.2%，双掺聚合物和硅灰，混凝土抗渗性进一步提高到83.3%，同时混凝土抗冻性和抗氯离子渗透性都得到了极大的提高;

(4)通过试验，优选出一种新型用于井巷修补的聚合物改性混凝土的最佳配合比。水灰比0.45，聚灰比0.10，砂率40%，减水剂掺量为水泥的1.2%，硅灰掺量为水泥掺量的12%。经现场工业性试验表明，聚合物改性混凝土不论在材料自身强度还是与巷道的粘结强度方面都优于普通混凝土，且性价比更高。

[1]中华人民共和国国家统计局,2014年国民经济和社会发展统计公报[R].中国统计资料馆,2015.

[2]张春光.矿用高性能聚合物改性混凝土研究[D].焦作,河南理工大学学位论文,2009.

[3]John N,Karadelis,Lin Y G.Flexural strengths and fibre efficiency of steel-fibre-reinforced,roller-compacted,polymer modified concrete[J].Construction and Building Materials,2015,93:498-505.

[4]农金龙,易伟建,黄政宇,等.加固用丁苯混凝土长期黏结性能及机理研究[J].建筑结构学报，2012,33(12):112-120.

[5]Retno S R M I,Harianto H,Sri T,et al.The advantage of natural polymer modified mortar with seaweed:green construction material innovation for sustainable concrete[J].Procedia Engineering,2014,95:419-425.

[6]杨建森,姜晓楠.聚合物胶粉改性混凝土的力学性能[J].硅酸盐通报,2015,34(3):649-652.

[7]John N K,Lin Y G.A comparison of flexural strengths of polymer (SBR and PVA) modified,roller compacted concrete[J].Data in Brief,2015,4:422-429.

[8]徐方,袁宗征,刘苗,等.有机纤维与聚合物对水泥混凝土层间黏结性能影响研究[J].混凝土,2015,(1):90-93.

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[10]衡艳阳,赵文杰.聚合物改性水泥基材料的研究进展[J].硅酸盐通报,2014,33(2):365-371.

Research and Application in Coal Mine of Polymer Modified Concrete

XIE Yu-fen，DUAN Xing-ze，LIAO Jian-guo，ZHANG Yi-shun

(School of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Through the mechanical properties and durability of the study on the emulsion polymer modified concrete,a new,used for laneway repair of polymer modified concrete has been received,and the various components of the best Content has been identified. The results show that emulsion polymer had more positive effect on the properties of concrete. Compared with the ordinary concrete,the flexural strength,splitting tensile strength,bond strength and impermeability of the emulsion polymer modified concrete are increased by 36.8%,53.1%,68%,83.3%,respectively. At the same time by scanning electron microscope photographs of the polymer modified concrete mechanism is analyzed.The continuous and complete space network structure is formed in the emulsion polymer modified concrete,which greatly improves the mechanical properties and durability of the materials.

emulsion polymer;silicon fume;mechanical property;durability property;mechanism analysis

国家自然科学基金(U1304820)；河南省重点科技攻关计划(152102210103)；河南省教育厅基础研究计划(13A430331)

谢玉芬(1979-)，女，讲师.主要从事水泥基复合材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0568-05