基于岩石力学试验的矿用发泡充填材料配比研究

郭 欢，孙 浩

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201;2.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100089)

0 引言

巷道掘进至断层、陷落柱等构造区时易产生冒顶，形成高冒区；综放工作面两巷沿煤层底板布置，巷道顶板为煤层及软弱的伪顶、直接顶，受到工作面超前影响时，破碎的顶煤、伪顶、直接顶易冒落，形成高冒区。高冒区内易积聚粉尘、瓦斯，并且具有适宜的漏风供氧通道和蓄热环境，极易发生煤层自燃、粉尘爆炸、瓦斯爆炸，给煤矿生产安全带来极大的威胁。

煤矿高冒区充填需要一种整体性好、密度较小、强度较高、充填工艺简单、成本低、充填过程中不产生高温的材料。制作发泡充填材料的主要原料是水泥。发泡水泥具有很好的阻燃与隔热性能，可以很好的满足井下充填材料防火性的条件。所以，制作发泡充填材料可以很好的满足矿井高冒区充填的要求，可以降低充填成本，达到绿色环保的效果。

张巨松[1]等总结了目前国内的发泡技术主要为高速搅拌叶片制泡，国外多采用压缩空气法制泡发泡技术。通过分析两种发泡方式的特点，经比较后发现压缩空气法制泡使用的设备虽然稍显复杂，但是压缩空气法制泡优点却是高速搅拌叶片制泡法不可企及的，它有效地防止了高速搅拌叶片制泡法容易造成的泡沫浪费、泡径不均等现象；制成的泡沫是直接吹入水泥浆中，减少了中间流转过程；料浆的搅拌和发泡是同步进行，定量制泡能避免泡沫过剩的问题。谭明洋[2]、陈海彬[3]、徐文[4]、张水[5]等通过对不同发泡剂发泡能力的研究，得出了不同发泡剂如双氧水等在发泡过程中所需要的条件。王静文[6]、吴潜[7]、杨清[8]、程新[9]等为解决材料脆性大、易开裂等缺点，研究了纤维在发泡水泥中的应用，发现纤维能够有效的解决发泡水泥脆性大、易开裂等缺点。李庆繁[10]对泡沫混凝土的制作工艺进行了系统的总结，对于养护制度，他总结了三种养护方式：自然养护、常压蒸汽养护和高压蒸汽养护之分。随养护制度的不同，胶凝材料的水化产物和结晶度有明显的不同，对混凝土的性能有显著影响。

1 水灰比确定

根据水泥浆的流动性确定合理的水灰比。按照设计的水灰比制作水泥浆，对比水泥浆的流动性，若水泥浆中没有凝结的水泥块，整体分布均匀，说明按照该水灰比制作的水泥浆适合制作发泡充填材料。根据原料来源和成本及强度性能，选取强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥作为基料。下面根据对比试验确定合理的水灰比。

图1所示为不同水灰比的水泥浆状态。从图中可以看出，水灰比为0.45时，只有部分水泥与水结合，存在较大的水泥块，没有流动性；水灰比为0.46时，与水结合的水泥增多，但仍存在水泥块，没有流动性；水灰比为0.47时，大部分水泥与水结合，水泥块减少，水泥浆为粘稠状，流动性差；水灰比为0.48时，水泥与水全部结合，无水泥块，水泥浆较为粘稠，流动性不佳；水灰比为0.49时，水泥与水全部结合，但水泥浆仍较为粘稠，流动性较差；水灰比为0.5时，水泥浆质地均匀，流动性好。可见，随着水灰比增大，水泥浆与水结合程度增大，流动性变好，当水灰比达到0.5时，制作的水泥浆已具有较好的流动性，适合制作发泡水泥。因此，确定合理的水灰比为0.5。

图1 不同水灰比水泥浆状态

2 发泡剂优选

2.1 发泡剂种类优选

植物性水泥发泡剂是采用天然植物高分子材料为原料，经一系列复杂的化学反应生成，作为一种物理发泡剂，不但发泡量大，而且气泡强度高，稳定性好，目前普遍用于制作建筑保温层的泡沫混凝土。同时，植物性水泥发泡剂还具有以下优点：

① 发泡倍数高，气泡均匀；

② 泡沫稳定性好，泵送高度可达到150米；

③ 发泡剂用量少，成本低；

④ 对环境产生污染小。

与动物性发泡剂相比，采用植物性水泥发泡剂制作出的发泡水泥在保温性能、抗压强度等方面存在差距，一次性浇注的发泡水泥厚度一般不超过200 mm，否则易发生塌陷。

综合对比各类发泡剂的优缺点，认为植物性水泥发泡剂用于实验室制作发泡水泥具有一定的优势。因此，选用植物性水泥发泡剂作为制作新型发泡充填材料的发泡剂。

2.2 发泡剂发泡规律试验研究

发泡剂浓度对发泡剂发泡量、气泡强度等有重要影响。下面通过对比实验确定合理的发泡剂浓度。

通过配制浓度20%、30%、40%、50%、60%、70%的发泡剂溶液，并采用发泡机进行发泡，将相应浓度发泡剂溶液发出的泡沫导入相同规格的容器中，观察泡沫在容器内的高度，根据高度比较发泡量。

图2为不同浓度发泡剂溶液发泡量(泡沫在容器内的高度)变化曲线。从图中可以看出，发泡剂浓度为20%至40%时，发泡剂溶液产生的泡沫量随着浓度的上升而逐渐增加，且随着浓度的提升，通过观察泡沫透光程度，泡沫的泡壁逐渐变厚，泡沫的质量也越来越好。至40%时出现拐点，发泡剂浓度为50%和60%的发泡剂溶液产生的泡沫基本与40%相当，泡壁的厚度也与40%相比大致相当，而浓度为70%时，泡沫量明显减少，说明浓度为70%时，不适合作为实验用的发泡剂浓度。这是因为发泡剂需要与水相互作用才能产生泡沫，当发泡剂溶液浓度不断增大时，参与发泡的水分也正不断减少，所以发泡量会出现先增多后减少的情况。

图2 不同浓度发泡剂溶液发泡量

3 发泡充填材料制备及物理性质测定

在开展发泡充填材料(FFM)制备及其物理性质测定的基础上，进一步从40%、50%、60%等发泡剂溶液浓度中优选出最为合理的浓度。具体方法：将等量不同浓度的发泡剂溶液制成泡沫；将泡沫与同量的水泥浆混合，制作不同比例的FFM；对FFM进行养护；测定上述制作的FFM的密度；根据测定密度确定合理的发泡剂溶液浓度。

3.1 试验方法

取10 kg普通硅酸盐水泥放置在模具中，按照水灰比0.5制作水泥浆。对200 ml浓度为40%的发泡剂溶液进行发泡，将产生的泡沫与水泥浆混合，通过搅拌，制成FFM。将FFM依次养护7 d、14 d、21 d、28 d，然后将不同养护周期的发泡水泥切成标准试件，并通过测量试件体积和质量，计算该比例FFM不同养护周期时的密度。

按照同样方法，分别对200 ml浓度为50%、60%的发泡剂溶液进行发泡，制作FFM，并进行养护。测定相应比例FFM不同养护周期时的密度。

3.2 发泡剂溶液浓度的优选

发泡剂与水泥浆质量比(The mass ratio of foaming agent to cement slurry，简称MRFACS)分别为1∶187.5、1∶150、1∶125时，FFM不同养护周期测定密度也不同。为更容易比较MRFACS不同时FFM密度的变化，根据各种条件下FFM平均密度绘制密度变化曲线，如图3所示。从图中可以看出，随着MRFACS的增大，FFM平均密度增大；MRFACS相同情况下，随着养护时间延长，FFM平均密度变小，但养护21 d后，FFM平均密度变化不明显。

图3 MRFACS不同时FFM平均密度变化曲线(200ml发泡剂溶液)

由上述试验结果可以得出：①采用浓度为40%、50%、60%的发泡剂溶液产生的泡沫均能与水泥浆混合，形成FFM；②随着MRFACS的增大，FFM的平均密度增大，从保证FFM轻质特性情况下，合理的发泡剂溶液浓度为40%；③自然养护21 d后，FFM平均密度变化不明显，基于FFM轻质要求下，合理自然养护时间为21 d。

3.3 发泡剂溶液用量优选

分别用200 ml、250 ml、300 ml浓度为40%的发泡剂溶液制成的泡沫与15 kg水灰比为0.5的水泥浆混合制作FFM，对应的发泡剂溶液与水泥浆质量比(the mass ratio of foaming solution to cement slurry，简称MRFSCS)分别为1∶75、1∶60、1∶50，对FFM进行自然养护后测试密度，基于FFM的轻质要求，确定发泡剂的合理用量。

图4为MRFSCS为1∶50时FFM照片。从图中可以看出，由于发泡剂溶液量较大，产生的泡沫较多，泡沫与水泥浆结合后，单位体积内的气泡量大，FFM自稳性变差，发生垮塌。

图4 MRFSCS为1∶50时FFM照片

为更容易比较MRFSCS不同时FFM密度的变化，根据各种条件下FFM平均密度绘制密度变化曲线，如图5所示。从图中可以看出，随着MRFSCS的增大，FFM平均密度变小，MRFSCS相同情况下，随着养护时间延长，FFM平均密度变小，但养护21 d后，FFM平均密度变化不明显。

图5 发泡剂浓度不同MRFSCS不同时FFM平均密度变化曲线(250 ml发泡剂溶液)

通过上述试验结果可以得出：①用200 ml、250 ml发泡剂溶液产生的泡沫都能与15 kg水泥浆充分结合，并形成自稳性较好的FFM；②用300 ml发泡剂溶液产生的泡沫与15 kg水泥浆结合之后，形成的FFM自稳性差；③通过对比，用250 ml发泡剂溶液产生的泡沫与15 kg水泥浆充分混合制成的FFM较为轻质。因此，基于FFM的轻质要求，合理的MRFSCS为1∶60。

3.4 FFM密度变化规律研究

将250 ml浓度为40%的发泡剂溶液产生的泡沫与不同质量的水泥浆进行混合，制作FFM，制成的FFM并对FFM进行养护，研究FFM密度变化规律。

为更容易比较MRFSCS不同时FFM密度的变化，根据各种条件下FFM平均密度绘制密度变化曲线，如图6所示。从图中可以看出，同样是250 ml发泡剂溶液的情况下，随着水泥浆质量的增加， FFM平均密度增大；MRFSCS相同情况下，随着养护时间延长，FFM平均密度变小，但养护21 d后，FFM平均密度变化不明显。

从上述分析结果可以得出：①增加水泥含量，可显著提高FFM密度；②养护时间由7 d至21 d时，FFM密度变化较大，而养护21 d后，FFM密度变化较小，因此，FFM的合理自然养护时间为21 d。

图6 发泡剂浓度相同MRFSCS不同时FFM平均密度变化曲线(250 ml发泡剂溶液)

4 FFM发泡剂浓度及用量的试验验证

通过岩石力学试验从发泡剂浓度及溶液用量对FFM力学性质的影响的角度进一步确定合理的发泡剂浓度及溶液用量。

4.1 岩石力学试验方案

4.1.1 测试指标

对制作的FFM进行取样，通过对两端磨平，制成标准试件。采用测试设备对试件进行单轴压缩试验，并测定和计算FFM的单轴抗压强度、残余强度和弹性模量等参数。

4.1.2 试验设备

所有测试在RMT-301岩石与混凝土力学试验系统(见图8)上完成。RMT-301岩石与混凝土力学试验系统是专门为岩石和混凝土一类的工程材料进行力学性能试验而设计的。试验过程中，操作者可以进行干预，转换控制方式和试验参数；也可以预先设置试验步骤，由计算机自动完成。试验结束后，系统可以自动退回到初始状态并能方便地给出试验结果。

图7 RMT-301岩石与混凝土力学试验系统

4.1.3 试验步骤

(1) 将试件置于压力机承压板中心，调整轴向、横向传感器，使试样能够均匀受力。

(2) 以0.1 MPa/s的加载速度对试样加荷，直到试样破坏为止，记录最大破坏载荷。

(3) 描述试样破坏形态，并记下有关情况。

4.2 合理发泡剂浓度的验证

根据试验数据绘制FFM单轴抗压强度、残余强度的变化曲线，如图9～图10所示。

图8 FFM单轴抗压强度与发泡剂浓度的变化关系

从图9中可以看出，同一养护周期时，FFM单轴抗压强度随着发泡剂浓度的增加而增大；同一发泡剂浓度时，随着养护时间的增加，FFM单轴抗压强度逐渐增大。

从图9可以看出，发泡剂浓度相同时，随着养护时间延长，FFM残余强度逐渐增大；对于同一养护周期，随着发泡剂浓度增大，FFM残余强度逐渐增大。

图9 FFM残余强度与发泡剂浓度的变化关系

通过对比采用浓度为40%、50%、60%的发泡剂制备的FFM的力学参数可以看出，发泡剂浓度越大，制作的FFM强度越大，说明水泥浆结合泡沫越少和发泡剂发泡量越少。从发泡量来看，合理的发泡剂浓度为40%。

4.3 合理发泡剂溶液用量的验证

为便于对比，将通过试验得到的FFM力学参数汇于表1。从表中可以看出，对于同一养护周期的FFM，发泡剂溶液用量为250 ml时，FFM单轴抗压强度、残余强度等力学参数偏低降低，说明250 ml发泡剂溶液发出的泡沫能够被水泥浆完全结合。因此，基于水泥浆结合泡沫情况可以确定，合理的MRFSCS为1∶60，即对于10 kg水泥制成的水灰比为0.5的水泥浆来说，合理的发泡剂溶液用量为250 ml。

表1 FFM力学参数

保持发泡剂溶液浓度及用量不变，通过增加水泥浆质量，制备不同MRFSCS的FFM，并通过岩石力学试验测定其力学参数，进而研究FFM的力学性质，为制备不同强度的FFM提供基础。

图11所示为FFM单轴抗压强度与MRFSCS的关系曲线。从图中可以看出，对于同一养护周期的FFM，其单轴抗压强度随着MRFSCS的增大而减小；对于同一MRFSCS的FFM，FFM的单轴抗压强度总体上随着养护时间的增加而增大。

图10 单轴抗压强度与MRFSCS的关系曲线

图12所示为FFM残余强度与MRFSCS的关系曲线。从图中可以看出，MRFSCS相同时，随着养护时间延长，FFM残余强度逐渐增大；对于同一养护周期的FFM，随着MRFSCS的增大，FFM残余强度逐渐减小。

图11 残余强度与MRFSCS的关系曲线

通过对比计算，当FFM的单轴抗压强度满足1 MPa、3 MPa、6 MPa时，发泡剂和水泥的质量之比，得到的满足不同井下高冒区充填强度要求的FFM材料配比，如FFM单轴抗压强度为1 MPa、3 MPa、6 MPa时，按照水灰比为0.5、发泡剂溶液浓度为40%，MRFSCS分别为1∶60、1∶72、1∶90。前期试验引入MRFSCS以便于区分不同配比的FFM，为方便工程应用，将原本表示发泡剂溶液与水泥浆质量比的MRFSCS改为使用发泡剂与水泥的质量比表示，即去除二者中水的质量，则对应发泡剂与水泥质量比分别为1∶100、1∶120、1∶150。

5 结论

(1) 按照不同水灰比制作水泥浆，通过对比其流动性和对泡沫的结合能力，确定合理水灰比为0.5。对比结果表明，水灰比为0.5的水泥浆具有较好的流动性，水泥与水能够充分结合，且能够最大程度的与泡沫结合。

(2) 通过对比各类发泡剂的性能和特点得出，植物性水泥发泡剂具有发泡倍数高、气泡均匀、气泡强度高、泡沫稳定性好、对环境产生污染小等特点，且制作的发泡材料适合远距离泵送。因此，确定使用植物性水泥发泡剂作为制作新型发泡充填材料的发泡剂。

(3) 通过岩石力学试验，比较不同配比时FFM的岩石力学强度，经过筛选，得到了满足不同井下高冒区充填强度要求的FFM材料配比，如FFM单轴抗压强度为1 MPa、3 MPa、6 MPa时，按照水灰比为0.5、发泡剂溶液浓度为40%，对应发泡剂与水泥质量比分别为1∶100、1∶120、1∶150。

(4) 采用水泥作为单一骨料制作的FFM用于矿井高冒区充填时，仍然存在成本降低的空间。课题组规划将价格低廉的粉煤灰与水泥混合作为制作FFM的骨料，采用FFM开展井下高冒区充填和废旧巷道充填。