新型改性水泥砂浆喷涂堵漏风材料的特性研究

韩晋鑫，王 飞，于 创

(1.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.山西省煤矿安全研究生教育创新中心，山西 太原 030024)

切顶卸压开采技术条件下，留巷的正帮段是采空区的冒落带[1-3]，需要在支护用工字钢后方的锚网和挡风幕布上喷涂堵漏风材料。目前，针对煤矿巷道喷涂施工而言，大部分矿井采用的是干混式喷涂工艺将水泥砂浆喷涂于巷道壁面用于堵漏风。众多学者研究发现在普通水泥砂浆的基础上加入粉煤灰、硅灰、胶粉以及纤维而衍生出的各种改性水泥砂浆，其各项性能指标都有大幅提高。陈苗[4]研究了硅灰石粉及其掺量对砂浆早期抗拉强度的影响，结果表明，掺入改性硅灰石粉体的砂浆与空白试件相比，3 d的抗拉强度最高可提高73%。赵文杰等[5]用聚丁二烯接枝聚苯乙烯(PB-g-PS)胶乳改性水泥砂浆，研究发现胶粉的主要作用是减少了改性水泥砂浆的毛细吸水率，这使得改性水泥砂浆的结构更加致密，力学性能大幅提高。VAN[6]研究了可再分散乳胶粉的掺量对新拌砂浆流动性的影响，发现在新拌砂浆中加入过量的可再分散乳胶粉会使得浆体变稠，降低浆体的流动性，因此需要把可再分散乳胶粉的掺量控制在合适范围，才能起到改善砂浆流动度的目的。这些改性研究使得水泥砂浆材料能够更好地用于煤矿井下空间的加固和封堵工程。因此，结合水泥砂浆的施工特点，研究一种新型改性水泥砂浆应用于切顶卸压沿空留巷的壁面喷涂。考虑到切顶卸压开采技术条件下，采空区漏风相对较大，而沿空留巷壁面喷涂施工时主要是利用气动隔膜泵，以矿井高压风为动力，将制备好的砂浆喷涂到巷道壁面上，形成密闭墙以达到控制漏风的目的。因此新型改性水泥砂浆必须具备初凝短，凝固后具有一定的强度，隔风性能好，不易开裂和经济实用的特点[7-10]，该材料对于沿空巷道喷涂、密闭墙施工等将具有良好的应用前景。

1 改性水泥砂浆喷涂材料特点分析

为保证煤矿井下施工作业的安全性，新型改性水泥砂浆喷涂材料采用风动喷涂的施工工艺。结合风动喷涂施工的特点及材料本身性能要求，新型改性水泥砂浆喷涂材料的流动度、初凝时间、抗裂性能和隔风性能应该满足一定的指标[11-13]。①流动度：砂浆的流动度是衡量其施工和易性的一个重要指标，要保证喷涂施工的正常进行，砂浆应该具备较好的流动性；②初凝时间：浆料的初凝时间应该能够保证从加水搅拌到喷涂完毕的时间内不会因较快凝固而堵塞输送管道，因此需要研究速凝剂的掺量对砂浆初凝时间的影响；③隔风性能：水泥砂浆的隔风性能直接决定了该材料的堵漏风效果，隔风性能越强，堵漏风效果越好。水泥砂浆的隔风性能可以依据渗透系数进行衡量，故采用微孔结构分析仪对改性水泥砂浆的隔风性能进行研究；④抗裂性能：干缩变形是引起水泥砂浆开裂的最主要的原因之一，当砂浆因干燥干缩产生的应力大于砂浆本身的抗拉强度时就会引起砂浆材料的开裂，形成漏风通道，所以该砂浆作为喷涂材料，必须具备一定的抗裂性能，而干缩率是衡量砂浆材料抗裂性能的一个重要指标。

2 试验方案设计

2.1 试验材料和方法

2.1.1 试验材料

水泥：普通硅酸盐水泥，P.O42.5 R，太原狮头中联水泥有限公司；砂子：建筑用机制砂，粗砂，粒级组成为2.0～2.5 mm；粉煤灰：实验级，主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、TiO2等，平均粒径为10～30 μm；硅灰：实验级，主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO等，平均粒径为0.1～0.3 μm；胶粉：德国瓦克VINNAPAS®328N型可再分散乳胶粉，主要成分为聚乙烯醇，上海臣启化工科技有限公司；减水剂：聚羧酸高效减水剂，主要是由聚乙烯醇单甲醚和甲基丙烯酸先酯化再和甲基丙烯酸缩合而成的大分子链化合物，上海臣启化工科技有限公司；速凝剂：ZS-111型水泥速凝剂，主要成分为铝氧熟料(即铝矾土、纯碱、生石灰按比例烧制成的熟料)经磨细而制成,山西阳泉河底速凝剂厂；水∶自来水。

2.1.2 试验方法

1) 流动度：砂浆的流动度由胶砂振动台来检测，具体试验步骤按《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2013)规范要求。

2) 干缩率：使用40 mm×40 mm×160 mm的三联模制作试件，使用游标卡尺测量不同养护龄期下试件的长度，每个龄期3个试件取平均值，不同龄期干缩率计算公式见式(1)。

(1)

式中：Pt为改性水泥砂浆的干缩率，%；L0为试件的基准长度，mm；Lt为试件养护后的长度，mm。

3) 凝结时间：根据《聚合物改性水泥砂浆试验规程》(DL/T 5126—2001)中的规定，采用维卡仪测定砂浆的凝结时间。

4) 隔风性能：采用美国麦克公司的微孔结构分析仪AutoPore IV 9500对新型改性水泥砂浆的隔风性能进行研究。

2.2 配合比设计

1) 步骤一。通过调节粉煤灰、硅灰、胶粉的掺量，测定其对砂浆流动度的影响，为后续的试验改进提供依据。砂浆各组分的配比为(水泥+粉煤灰+硅灰)∶砂子∶水∶胶粉∶减水剂=(C+FA+SF)∶1∶0.35∶sup∶0.002。 表1中各组分的配比均为质量比。

表1 适配砂浆的试验数据Table 1 Test datas of suitable mortar

对比分析试验数据可以得出以下结论。

①前6组砂浆的流动距离在125～165 mm之间，流动性满足壁面喷涂的施工要求。

②第1组～第3组改变粉煤灰的用量，粉煤灰的掺量越多，砂浆的流动性越好。粉煤灰的加入可以很好地改善砂浆的施工和易性。

③第4组～第6组在第1组～第3组基础上加入硅灰，砂浆的流动度有所增加，硅灰加入可以改善砂浆的触变性和抹面施工性能。

④第7组～第9组在第4组～第6组的基础上，加入胶粉，砂浆的流动度有所下降，因此胶粉的掺入及用量需要做进一步探讨。

2) 步骤二。本试验已有的基准配比水泥、粉煤灰、硅灰和水掺量分别为0.7、0.2、0.1和0.35，在此基础上，改变胶粉、减水剂和速凝剂的掺量，混合均匀并搅拌5 min后，测定其掺量变化对砂浆的凝结时间、流动度、3 d、7 d、28 d干缩率的影响。试验基准配比见表2，表2中各组分的配比均为质量比。对照组为只添加水泥、粉煤灰、硅灰、水和砂子五种组分的情况。

表2 试验材料的基准配比Table 2 Reference ratio of test materials

2.3 试验结果与分析

砂浆制作严格按照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》(DL/T 5126—2001)的规定进行，在相对湿度≥95%，温度(20±0.5)℃的标准条件下养护7 d，7 d之后在室内养护即可。试验实测各组数据见表3。从表3中的数据可以得出：①实验组1～实验组4数据表明，胶粉的加入对砂浆的初凝时间和流动性没有显著影响，但是对砂浆的3 d、7 d和28 d干缩率影响较大，胶粉掺量对砂浆干缩率的影响会在下文具体分析；②实验组5～实验组8的数据表明，减水剂对砂浆的初凝时间和干缩率的影响不大，其主要作用是调整砂浆的流动性能，减水剂的掺量对砂浆流动性的影响会在下文具体分析；③实验组9～实验组12的数据表明，速凝剂的作用主要是改变了砂浆的凝固时间，当速凝剂掺量为3%～6%时，可以将砂浆的初凝时间控制在5～10 min内。实际的掺量可根据具体施工时间的需要进行调节。而且速凝剂掺量逐渐增加，会对砂浆的流动性造成影响，这可能是因为速凝剂加快了水泥的水化反应，使水泥颗粒间的凝聚性增大，进一步提高拌合物的黏稠性，所以砂浆的流动性随之降低。

表3 试验数据汇总表Table 3 Summary of test datas

2.3.1 胶粉对新型改性水泥砂浆干缩率的影响

VAN[6]的研究发现，可再分散乳胶粉的掺量必须控制在一定范围之内，否则新拌砂浆的流动度则会随着掺量的增加而锐减。所以胶粉的掺量需要在一个合适的范围内，来确保砂浆的流动度满足喷涂施工的要求。图1所示为胶粉掺量对砂浆3 d、7 d、28 d干缩率的影响规律。由图1可知，在相同的养护龄期内，随着胶粉掺量的增加，砂浆的干缩率是不断降低的。不掺加胶粉的对照组，砂浆28 d干缩率为1.8%；当胶粉掺量为0.05时，砂浆28 d干缩率仅为1.3%。由此可见，胶粉对于砂浆的干缩性能影响较为显著。胶粉能够改善砂浆干缩率的原因可能是由于胶粉在水中分散的过程中产生了微小的气泡，气泡将水泥砂浆内部的毛细管通道堵塞，减少了硬化过程中水分的蒸发，所以砂浆的干缩率显著降低。

图1 胶粉掺量对砂浆干缩率的影响Fig.1 Effect of rubber powder output ondry shrinkage of mortar

2.3.2 减水剂对新型改性水泥砂浆流动度的影响

图2为不同减水剂掺量下砂浆在5 min时的流动度。由图2可知，当减水剂掺量在0和0.004之间变化时，砂浆的流动度在87 mm和158 mm之间。在水灰比一定的条件下，随着减水剂掺量的增加，水泥砂浆的流动度不断增大。 实验过程中发现，在不加任何减水剂时，水泥砂浆的流动度为87 mm；在掺量为0.003时，砂浆的流动性较好，流动度为149 mm，继续增加掺量会出现沁水扒底等现象。这是因为聚羧酸减水剂是高效减水剂，减水剂在被水泥及水化产物吸附后，会通过破坏水泥水化产生的絮凝结构，使絮凝结构中包裹的水释放出来，从而水泥砂浆的流动性得以提高。但是当减水剂的掺量过大时(超过0.003)，被释放的水分过多，由于浆体中的固相和液相的密度不同，密度较大的水泥，砂子沉降到底部，密度较小的水浮于上部，浆体分散性反而变差并出现严重的分离现象，即所谓的沁水现象。砂浆沁水会严重影响泵送施工性能，导致砂浆的匀质性差，易产生裂缝。所以为了保证砂浆的施工可行性，一定要严格控制减水剂的用量。

图2 减水剂掺量对砂浆流动度的影响Fig.2 Effect of the amount of water reducing agenton the fluidity of mortar

2.3.3 改性水泥砂浆的隔风特性研究

改性水泥砂浆的隔风特性可以依据渗透系数进行定量衡量[14-15]。渗透系数K可用式(2)计算。

K=2.34n3d2

(2)

式中：n为孔隙率；d为累计含量为m%时对应的颗粒直径。

可见，渗透系数K正比于孔隙半径d的平方，且正比于孔隙率n的三次方，因此，孔隙半径越小，孔隙率越低，渗透系数就越小，材料的隔风性能越好，堵漏风效果越好。为考察改性水泥砂浆材料的渗透系数K及隔风特性，采用孔隙结构分析仪进行实验分析。根据实验及相关计算可得到砂浆材料的孔隙情况，见表4和表5。

表4 改性水泥砂浆材料密度和孔隙率Table 4 Density and porosity of modified cementmortar materials

表5 各类型孔隙表面积和体积及其百分比Table 5 Surface area and volume of various types ofpores and their percentages

由表4和表5可知，改性水泥砂浆材料的孔隙率为24.76%，微孔、小孔、中孔的表面积之和占总面积的99.27%，体积之和占总体积的80.83%。其中，中孔表面积占45%，体积占比高达77%。微孔、小孔和中孔占材料总孔隙的80%以上，微裂隙普遍发育，而粗大裂隙不发育。由此可以得出结论：新型改性水泥砂浆材料结构致密，隔风性能优越，用于巷道壁面喷涂时能够大幅减少漏风。

3 工业性试验

山西焦煤西山煤电集团杜儿坪矿62711工作面采用切顶成巷无煤柱开采技术，工作面设计采高1.9 m，煤岩层倾角为1°～7°，平均2°，可采走向长度1 564 m，切眼长216 m。工作面后部的沿空留巷采用U型钢Y配合单体支柱进行挡矸支护，并在支柱后铺设钢筋网和风筒布以封闭漏风通道。62711工作面通风方式为型通风，轨道巷和皮带巷进风，轨道巷后部(即沿空留巷)回风，由于留巷的正帮段是采空区的冒落带，提前铺设的钢筋网和风筒布未能形成完全封堵。为减少漏风，采用改性水泥砂浆材料对沿空留巷的壁面进行喷涂，施工设备为气动隔膜泵和浆料搅拌桶，工作压力1～1.5 MPa，输料管内径50 mm，输送能力3.5～3.8 m3/h。图3右侧粗线所示即为喷涂的位置。

图3 62711回采工作面通风方式Fig.3 Ventilation method of 62711 mining face

现场喷涂施工时，改性水泥砂浆材料的配合比为水泥∶粉煤灰∶硅灰∶砂子∶水∶胶粉∶减水剂∶速凝剂=0.7∶0.2∶0.1∶1∶0.35∶0.03∶0.003∶0.04。在此配比条件下，砂浆的流动性较好，输送顺畅，与壁面的粘结性最好，同时具有较好的抗干裂性能。为了考察新型改性水泥砂浆喷涂材料的隔风效果，在喷涂前后，对沿空留巷进行了平均百米漏风量测定和采空区平均氧气浓度的测定，测试结果为在喷涂该材料15 d时间内巷道的平均百米漏风量由6.5 m3/min降至0.7 m3/min；采空区平均氧气浓度由12.6%迅速下降至3.6%，并最终稳定在4%左右，表明该水泥砂浆喷涂材料堵漏风效果良好，能解决漏风问题。

4 结 论

1) 为保证煤矿井下施工作业的安全性，基于风动喷涂施工工艺的特点，对砂浆的流动性、初凝时间、隔风性能和抗裂性能进行分析，研制了一种配比为水泥∶粉煤灰∶硅灰∶砂子∶水∶胶粉∶减水剂∶速凝剂=0.7∶0.2∶0.1∶1∶0.35∶0.03∶0.003∶0.04的新型改性水泥砂浆喷涂材料。

2) 通过对材料干缩率、流动度和初凝时间的测定表明，胶粉的引入会显著降低砂浆的干缩率，当掺量为0.03，砂浆的28 d干缩率仅为1.5%，与不掺加胶粉时相比降低16.7%；减水剂掺量为0.003时，砂浆的流动性较好，流动度为149 mm，继续增加掺量会出现沁水扒底等现象；速凝剂掺量为0.003～0.006时，可以将砂浆的初凝时间控制在5～10 min内；压汞实验表明材料孔隙率为24.76%，微裂隙普遍发育，粗大孔隙不发育。

3) 现场喷涂试验表明，该材料喷涂堵漏风效果优良，在喷涂该砂浆材料后15 d时间内巷道的平均百米漏风量由6.5 m3/min降至0.7 m3/min；采空区平均氧气浓度由12.6%迅速下降至3.6%，并最终稳定在4%左右，堵漏风效果显著。新型改性水泥砂浆材料对于沿空巷道喷涂、密闭墙施工、永久煤巷喷涂等将会有良好的应用前景。