应力预养护对硫铝酸盐注浆材料强度与微结构的影响

2021-06-21狄红丰张海波侯成岩郑冬冬柴虎成刘浪管学茂

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年3期

狄红丰，张海波,2，侯成岩，郑冬冬，柴虎成，刘浪，管学茂,2

(1.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作 454000；2.河南省深地材料科学与技术重点实验室，河南焦作 454000)

0 引言

随着煤炭开采深度增加，“深部”开采成为常态[1]。深部开采地应力高，浆液很难注入围岩裂隙，高压劈裂注浆[2]能有效改善注浆效果并提高围岩自承能力。注浆是采用一定形式的动力将具有胶结能力的浆液注入薄弱地质体，从而改善其物理力学性能。注浆加固技术被广泛应用于煤矿巷道支护[3-5]。高压注浆时需用渗透性高和黏度低的注浆材料[6]，而硫铝酸盐水泥基注浆材料[7-9]是最常见的注浆加固材料之一，它具有凝结时间可调、黏度低、早强性好、强度高、抗渗性好等优点，被广泛用于煤矿注浆加固[7]。

由于颗粒较大，水泥浆体很难注入微小裂隙[10]。水泥颗粒变细对凝结时间、早期强度和28 d抗压强度有改善作用[11]。随着硫铝酸盐水泥类注浆材料性能的不断优化，在注浆加固方面的应用越来越广，王江峰等[12]将其应用于煤矿煤壁加固；李为华[13]将其应用在某高边坡弱面加固工程；管学茂等[14]将其应用在软岩巷道修复工程，且都达到了注浆加固的目的，取得了良好的经济效益。煤炭的赋存状态受到垂直地应力和水平地应力的影响，尤其在深部开采中，受地应力作用很大[1]。在千米深井注浆加固工程应用中浆液在泵送压力作用下注入地质体，并在高地应力作用下硬化[2]。梁元濂等[15]研究表明，可以泵送高密度水泥浆的注浆泵最大注浆压力为50 MPa；宋彦波等[16]研究表明，破碎带注浆加固时注浆压力最大可达28 MPa。A.Nuchaipichat等[17]研究了养护压力对胶结土壤固化和压缩性能的影响；F.Veloso等[18]采用三轴围压研究了人工胶结土的真实性能。

在口孜东矿200 m注浆加固示范巷道的加固效果检测时发现，结石体的强度高于实验室结石体的强度，鉴于结石体成型及强度发展过程，注浆压力和地应力的持续作用(合称为应力)应该是这一现象产生的主要原因，而关于应力对注浆材料增强规律的研究至今未见报道。本文采用自制加压装置模拟应力，研究了应力对硫铝酸盐类注浆材料强度与结构影响，获得了有益的研究结果，为进一步研究现场注浆条件下注浆材料的性能提供了理论基础。

1 实验原料

实验原料分为黄料和白料。黄料主要成分为硫铝酸盐水泥熟料，白料主要成分为石膏和石灰。黄料的化学组成及矿物组成分别见表1～2；白料化学组成见表 3。原料粒径分布见图1，黄料、白料粒径D95分别为8.95 μm和7.79 μm。

图1 黄料、白料粒径分布

表1 黄料化学组成

表2 黄料矿物组成

表3 白料化学组成

2 实验方法

2.1 试样制备

针对应力的持续作用，目前实验室还没有专门的设备用于应力养护试件，因此采用持续围压近似代替应力的持续作用，具体制作试件方法如下：第一步，用水泥净浆搅拌机将黄料和白料分别拌水搅拌均匀，水灰比为1.0，然后黄料与白料浆液按质量比1∶1混合搅拌均匀；第二步，将混合后的浆液倒入套有40 mm× 40mm×160 mm自封袋的模具中，如图2(a)所示，排空空气并密封自封袋；第三步，将其放入自行设计的加压装置(图2(b))中，图3为加压装置示意图，在加压容器中(图2(c))进行应力预养护，时间分别为2 h和4 h，应力分别为5，10，20，30 MPa，养护温度20 ℃；第四步，应力养护到设计时间后脱模，放入标准养护箱(温度20 ℃，湿度96%以上)继续养护到测试龄期，试样编号分别为Am和Bm，A表示预养护时长为2 h，m代表应力，B表示预养护时长为4 h，常压养护试样编号用STP表示。

图2 试样制备装置

图3 加压装置示意图

2.2 测试方法

参照GB 17671-1999水泥胶砂强度检验方法,分别测试2.1中制备试样的抗折、抗压强度；采用美国AUTOPORE 9500 压汞仪测试试样孔隙率，汞的表面张力取480 mN/m，汞与水泥浸润角取130°；采用德国D8ADVANCE型X射线衍射分析仪分析水化产物种类，采用Cu靶，扫描速度5°/min，扫描角度为5°～80°；采用德国蔡司Merlin Compact型场发射扫描电子显微镜观察和分析样品的形貌。

3 结果及讨论

该注浆材料颗粒较细，水化速度快，其主要水化反应见式(1)，水化产物主要为三硫型钙矾石。

(1)

在现有实验条件下，无法准确测定压力对凝结时间的影响，但根据实验过程，浆液在加压作用下的凝结时间应滞后于常压下的凝结时间，滞后时间不长。为此绘制了常压下注浆材料在不同水灰比下的凝结时间，如图4所示。

图4 常压下不同水灰比注浆材料的凝结时间

3.1 应力对强度的影响

试样抗折、抗压强度测试结果如图5(a)和(b)所示，龄期分别为4 h，1 d，3 d，7 d，28 d。可以看出，与常压养护试样相比，应力能显著增加注浆结石体抗折、抗压强度，随着龄期增加，强度的增加速率先增大后趋缓，龄期为7 d时增加量达到最大值，此时抗折、抗压强度分别提高24.3%，21.6%；应力预养护时间2 h和4 h对试样强度影响并不显著，A5和B5两组试样在1 d后抗压、抗折强度差都小于4.6%；相同应力预养护时间下，随应力增加，试样抗压抗折强度增加，A30与A5相比,抗折、抗压强度最大值分别提高了7.9%和5.9%。

图5 应力预养护龄期对强度性能的影响

3.2 应力对密度影响

测定STP，A5，A10，A20和A30试样3 d龄期的密度，结果如图6(a)所示。从图6可以发现，随着应力增加，试样密度增加，应力小于10 MPa时，密度相对于应力大于10 MPa增加较快，且呈一定的线性关系，但总体上密度增幅不大。试样表观密度与抗压强度的关系如图6(b)所示，试样抗压强度与密度表现出二次曲线关系，而非线性关系。说明应力增加会引起试样密度增加，从而提高试样的强度性能。

图6 应力预养护对表观密度的影响以及密度、抗压强度与应力的关系曲线

3.3 应力对水化产物的影响

图7为STP，A5，A10和A30试样3 d龄期的XRD图。可以看出，随着应力增加，钙矾石特征衍射峰不断增强，且峰位没有变化，表明应力预养护促进了水化产物钙矾石晶体的生成，但对钙矾石晶体结构没有影响。同时硬石膏的衍射峰强度有所降低，表明应力增加了原料的消耗量，从而提高了生成物产量。

图7 应力预养护对样品XRD衍射的影响

图8为STP，A5，A10和A30试样1 d龄期的DTA-TG曲线，可以看出，DTA曲线在75～175 ℃与260～280 ℃的两个吸热峰分别为钙矾石脱水分解吸热峰和铝胶脱水分解吸热峰，相应温度区间TG曲线出现失重台阶，说明随着应力增加，钙矾石晶体产物不断增加，而铝胶生成量差别不大。这是因为硫铝熟料与水反应生成了钙矾石和铝胶，在硬石膏存在的条件下铝胶继续反应生成钙矾石，所以反应生成的钙矾石多，铝胶少，即钙矾石分解吸收峰差别明显，铝胶差别不明显，这也验证了XRD测试结果的正确性。

图8 应力预养护对样品DTA-TG曲线的影响

3.4 应力对孔结构的影响

图9(a)为试样孔隙率与预养护应力的关系曲线，可以看出，随着应力增加，孔隙率降低，且在10 MPa前，孔隙率随压力增加降低迅速，之后降低减缓。图9(b)为试样孔径分布微分曲线，可以看出，常压试样孔径范围在600 nm左右，而经压力预养护后，试样孔径小于300 nm，说明在应力作用下试样的总孔隙率降低，大孔隙减少。

图9 应力预养护对孔结构的影响

3.5 应力对结石体微观结构影响

图10为STP，A5，A10和A30不同应力下3 d龄期试样的扫描电镜照片。常压下(图10(a))注浆结石体孔隙率高，钙矾石结构比较疏松；应力5 MPa作用下(图10(b))，结石体孔隙率显著降低，棱柱状的钙矾石长度约2 μm，彼此相互搭接紧密。随应力增加，结石体结构更加密实(图10(c)，(d))。

图10 应力预养护对3 d龄期试样微观形貌的影响

3.6 讨论

X射线衍射(图7)与热分析(图8)结果表明，应力增加可以促进主要反应产物钙矾石的快速生成；表观密度(图6)、孔隙率(图9)和扫描电子显微图像(图10)观测结果表明，应力增加，降低了试样的孔隙率，增加了密实度，从而提高了强度性能(图5)。

应力作用机理体现在两个方面：一方面注浆材料反应产物在围压作用下接触更加紧密，压力越大，试样越密实，但由于反应产物钙矾石晶体为棒状，相互搭接形成骨架结构(图10)，压实到一定程度后进一步压实将更加困难，应力5 MPa试样表观密度与常压相比大幅增加，而应力30 MPa试样表观密度与5 MPa相比增加不大正是这个原因。另一方面，应力作用加速水分向注浆材料颗粒内部扩散，从而加速了注浆材料反应速率，相同龄期应力越大，反应产物钙矾石越多，试样密实度越高。

应力增加引起密度增加，密度增加导致强度性能增加(图6(b))。即已知注浆压力就可以评估结石体的密度，继而评估注浆结石体的强度。反之检测注浆效果时，可以使用结石体密度评估结石体强度在加固区的强度分布特征。这为注浆加固的隐蔽工程增加了一种检测方法。