水灰比对钻孔护孔泡沫混凝土性能影响研究

凌 伟，刘 超,†，杨 坦

(1．教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安 710054；2．西安科技大学安全与科学工程学院，陕西西安 710054；3．安徽新华学院建筑结构安徽省普通高校重点实验室，安徽合肥 230088；4．中国科技大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230026)

为了解决我国松软煤层的塌孔问题，成艳英[1]提出了以现浇泡沫轻质土作为松软煤层充填护孔材料防治钻孔塌孔的方法，该方法解决了之前国内下护孔管技术[2-7]由于护孔管直径相对钻孔直径过小，不足以为孔壁提供支护的问题．但是，应用该方法对泡沫混凝土的支护性能和渗透性能有较高要求．刘润清等[8]研究了不同水胶比和双氧水掺量对泡沫混凝土强度损失率与气孔特征的影响；孙诗兵等[9]研究了乳液和胶粉对发泡水泥孔隙率、孔径分布、孔径大小和强度的影响；胡曙光等[10]研究了预制泡沫中泡间水量变化对泡沫混凝土抗压强度与孔结构的影响；田洪铭等[11]提出利用泡沫混凝土填充层加强高地应力软岩隧道支护的方案；陈卫忠等[12]利用泡沫混凝土作为深埋软岩隧道初期支护与二次衬砌之间预留变形层填充材料；方永浩等[13]研究了粉煤灰和泡沫掺量对泡沫混凝土抗压强度和气孔结构的影响，并分析了泡沫混凝土的抗压强度与气孔结构关系．Rahmani E[14]在混凝土强度水灰比定则中认为水灰比是影响混凝土强度最重要的因素，因此选择合适的水灰比对泡沫混凝土强度的提高至关重要．井下注浆时，水灰比过大会降低泡沫混凝土的抗压强度，达不到支护孔壁的作用；水灰比过小会导致流动性过低、初凝时间过短，无法达到深孔注浆的目的．因此，本文采用控制单因素变量法试验了不同水灰比对泡沫混凝土性能的影响，为下一步钻孔支护泡沫混凝土在井下的工业性试验奠定基础，并为进一步解决松软煤层钻孔塌孔问题提供参考．

1 试验设计

1.1 试验器材

1.1.1 试验材料

1）水泥．本实验选用的水泥是蟠龙山超细硅酸盐注浆水泥，其基本物理性能指标见表1．

表1 K1250超细注浆硅酸盐水泥基本物理性能指标

2）水．西安市普通自来水．

3）双氧水．30%浓度的工业双氧水．

1.1.2 试验设备

本实验使用的仪器包括Φ50 mm、H100 mm的标准试件制作模具，YH-40B型标准恒温恒湿养护箱，DZF-6020A型真空干燥箱，万能试验仪，高精度分析天平等．试验设备见图1．

图1 试验仪器

1.2 试样制备

根据表2中的配比，按如下步骤进行泡沫混凝土的制备．制备步骤：

表2 泡沫混凝土配合比

1）用精度为0.001 g的分析天平称取200.00 g（±0.01 g）的超细水泥；

2）根据组别不同，用容量为250 mL的量筒量取不同量的水；

3）将超细水泥与水倒入烧杯中，搅拌3 - 5分钟，直至浆液充分搅拌均匀为止；

4）用容量为10 mL的量筒分次量取取15 mL的双氧水，并倒入混凝土净浆中再次搅拌均匀；

5）将搅拌好的混凝土浆液倒入标准试件模具后标号；

6）将标过号的试样放入水泥养护箱进行养护，将养护条件设为摄氏温度25℃、相对湿度95%；

7）重复上述步骤，按A - E为一组，共制作6组试样，其中三组（龄期分别为3天、7天和15天）用于测试抗压强度，三组（龄期分别为3天、7天和15天）用于测试连通孔隙率．

1.3 试样测试

1.3.1 抗压强度试验

测试步骤：

1）取样：从养护箱中取出一组养护龄期达到3天的试样；

2）拆模：将取出的试样拆模；

3）调试仪器：对万能试验仪进行测试前的调试；

4）测试：将最大加压荷载设置为10 KN，加载速率设为2 mm/s，缓缓下压试样；

5）导出数据：测试完成后，导出测试数据，并清理实验台；

6）选择不同龄期的混凝土重复上述步骤．

1.3.2 连通孔隙率试验

根据文[15]中提到连通孔隙率的计算方法，可以测出泡沫混凝土试件的连通孔隙率，具体计算方法如式（1），

其中，p为连通孔隙率；V为试件的表观体积；2w为试件的饱和质量，即试件在水中浸泡24 h的质量；1w为试件的干质量，即试件在真空干燥箱中放置6 h的质量．测试步骤：

1）取出一组龄期相同的试样；

2）将试样放入真空干燥箱中，满6 h后取出并称量其重量；

3）将试样完全浸泡在水中，24 h后取出称量其重量；

4）按式（1）计算出各试样的连通孔隙率；

5）选择不同龄期的混凝土重复上述步骤．

通过试验发现，龄期对样品的连通孔隙率值影响不大，分析发现连通孔隙率为样品的物理特性，只与发泡效果有关，而与龄期无关，但是随着养护龄期的增加，样品内部水化作用趋于完全，样品内含有的游离水的数量逐渐减少，因此选取龄期较长的样品可以减少实验误差中的系统误差，因此本试验选取了龄期为15天的样品的测试结果．表3记录了龄期为15天的样品A - E的干质量、饱和质量、表观体积以及连通孔隙率．

表3 试样测试值

2 试验结果与分析

2.1 水灰比对抗压强度的影响

抗压强度的大小直接反映出材料对钻孔支护的强弱，抗压强度越大，材料能给钻孔孔壁提供的支护作用越强．根据王振锋等人[16]的研究发现，当材料的抗压强度达到1 MPa以上时，理论上可以为钻孔提供有效的支护．

图2为不同龄期泡沫混凝土的抗压强度柱状图．从时间角度来看，以A组为例，其3天的抗压强度为0.58 MPa，7天的抗压强度为0.98 MPa，15天的抗压强度为1.98 MPa，说明随着养护龄期的增加，泡沫混凝土的抗压强度逐渐加强，这是因为混凝土内部的水化作用仍在持续进行的原因[17]；从配比角度来看，A组3天的抗压强度为0.58 MPa，E组3天的抗压强度为2.27 MPa，说明随着水灰比的减小，试样的抗压强度逐渐增大，这是因为当水泥水化后，多余的水分就残留在混凝土中，形成水泡或蒸发后形成气孔，减少了混凝土抵抗荷载的实际有效断面，在荷载作用下，在孔隙周围产生应力集中；A组（水灰比1.5）试样需要养护15天左右，其抗压才能满足钻孔支护要求，B组（水灰比1）试样需要养护7天左右，其抗压才能满足钻孔支护要求，C组（水灰比0.8）试样3天内即可满足钻孔支护要求．

图2 不同龄期泡沫混凝土抗压强度柱状图

2.2 水灰比对连通孔隙率的影响

连通孔隙率与材料的渗透性直接相关，材料的连通孔隙率越高，其透气性越好．图3为连通孔隙率与水灰比之间的关系曲线．图3纵坐标的最高点为59.81%，此时对应的横坐标为0.5；图像纵坐标的最低点为47.66%，此时对应的横坐标为1.5；连接最高点和最低点，发现其他点都处在直线的斜下方，因此大致判断连通孔隙率与水灰比之间符合二次模型．利用origin软件对五组数据点进行二项式拟合，得到方程y=-19.53x3+79.94x2-108.63x+96.67，R2=0.997 51，因为方程拟合度R2达到了99.75%，所以该方程拟合度较好．

图3 连通孔隙率与水灰比之间的关系曲线

该曲线是一条斜率逐渐降低的凹曲线，说明随着水灰比的增大，泡沫混凝土的连通孔隙率逐渐减小，同时这种减小的趋势逐渐减缓，这是因为水灰比越大，浆液中的水分子间距越大，其表面张力也越大，不利于起泡．另一方面，当水灰比降低时，浆液黏度增大，对气泡的截留能力增强，使得浆液内逸散气体减少．而且，水灰比越低，浆液内单位体积内的离子数越多，单位体积的浆液重度越大，整体体积越小，这使得低水灰比的浆液在凝固过程中更小的体积内有更多的气体含量，因此低水灰比的泡沫混凝土孔隙率更大．

根据朱传奇在《含水率及孔隙率对松软煤体强度特征影响的试验研究》一文中的研究结果，松软煤体的孔隙率一般在3.7% - 10.8%之间[18]，对比发现各组试样的孔隙率均远远高于煤体本身的孔隙率，说明钻孔护孔泡沫混凝土的渗透性大大优于媒体本身，若其能对钻孔孔壁提供有效支护，必能有效改善因钻孔塌孔、堵孔造成的瓦斯抽采不出的问题．

3 结 论

本文以控制单因素为试验方法，以水灰比为试验变量，以抗压强度和连通孔隙率为试验参量，分析了改变水灰比对泡沫混凝土抗压强度和连通孔隙率的影响，并剔选出一组抗压强度和连通孔隙率俱佳的水灰比作为最佳水灰比，研究表明：1）随着水灰比的降低，泡沫混凝土抗压强度逐渐增加，当水灰比小于0.8时，3天内即可达到钻孔支护条件；2）随着水灰比的降低，泡沫混凝土的孔隙率呈现增加的趋势，水灰比为1.5时连通孔隙率为47.66%，水灰比为0.5连通孔隙率为59.81%；3）对比发现，护孔泡沫混凝土的最佳水灰比为0.5．