煤矿巷道围岩注浆堵水新型水泥浆液性能研究

2021-10-21刘慧妮李训刚李彦志陈朋成樊震旺

煤矿安全 2021年10期

刘慧妮，李训刚，李彦志，张帅，陈朋成，吴岳，樊震旺，唐超

（1.山东省土木工程防震减灾重点实验室，山东青岛 266590；2.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590）

近年来，随着煤炭资源开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，深井建设已成为必然趋势，开采条件日益复杂[1]。深井井筒微裂隙注浆堵水是制约井筒快速掘进和深井安全生产的瓶颈，如何高效地治理井筒涌水是目前亟需解决的难题。注浆法是目前防治立井井壁渗漏水、加固井壁围岩最有效的方法之一[2]。井筒在掘进过程中伴随着大量渗水，采用普通水泥进行壁后注浆可以对较大裂隙实现有效封堵，但对微裂隙的封堵效果较差，井壁仍以大面积均匀汗渗形式出水，化学浆液由于其价格高、注浆工艺复杂及对环境的污染等而受到限制，目前对注浆材料的研究和应用已转向复合浆液[3]。大量学者对外掺剂对水泥浆液性能的影响及作用机理进行了研究，从而改善水泥浆液性能以期应用到微裂隙注浆堵水中，常用的外掺剂有矿渣粉、粉煤灰、微硅粉、纳米SiO2、纳米CaCO3、石灰石粉等。

目前，在粉煤灰-水泥复合浆液性能的研究方面，王培铭等[4]通过SEM 和EDC 研究了粉煤灰掺入水泥后与水泥浆体间所形成界面的形貌特征；李永鑫等[5]通过试验测定了不同龄期粉煤灰-水泥浆体的孔体积分形维数, 探讨了孔体积分形维数与孔隙率、孔表面积、平均孔径、孔分布及宏观力学性能的关系；施惠生等[6]研究了不同掺量的粉煤灰对硬化水泥浆体早期水化和孔结构的影响；刘音等[7]通过进行大掺量粉煤灰浆体流动试验,研究了浆体浓度、粉煤灰掺量、水泥掺量及煤矸石掺量等因素对浆体流动性的影响。

在纳米CaCO3-水泥复合材料力学性能及水化作用等方面，李晗等[8]发现随着纳米CaCO3掺量增大，坍落度先增加后减小，初凝时间逐渐缩短，终凝时间变化不显著，各龄期强度呈现出增大趋势且抗氯离子渗透性能逐渐提高；Kawashima 等[9]研究了碳酸钙纳米颗粒分散方式对其水化速率、凝固速率和抗压强度的影响；孟涛等[10]研究了均径60 nm 的纳米CaCO3颗粒对水泥材料性能的影响，结果表明纳米CaCO3颗粒对早期水泥水化及界面性能具有一定改善作用；J Camiletti 等[11]发现纳米CaCO3通过成核效应可促进水泥水化进程，是一种有效的填充料，通过充填产生密实的微观结构可以改善水泥基材料的早期力学性能；田竟等[12]发现纳米CaCO3可促进水泥的水化反应，改善水泥浆体微观结构。为此，结合室内正交试验，研究了不同纳米CaCO3掺量、水灰比、超细粉煤灰及减水剂掺量对水泥浆液性能的影响并分析其作用机理，为其在煤矿巷道微裂隙注浆中的应用提供理论基础。

1 试验部分

1.1 试验原材料

试验采用TD-B6 超细水泥、河北省某加工厂加工的粒径为3 000 目（5 μm）的超细粉煤灰、LFNM-90 型纳米CaCO3及聚羧酸减水剂。

纳米CaCO3（Nano Calcium carbonate，以下简称NC）是20 世纪80 年代发展起来的一种新型超细固体粉末材料。由于磨细使其结构发生变化，产生了普通CaCO3所不具有的小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应。

1.2 试验设备及方法

试验过程中所需设备及仪器主要有水泥砂浆搅拌机、马氏漏斗、截锥圆模、量筒、DKZ-5000 水泥电动抗折机。

1）黏度。使用马氏漏斗测定浆液的表观黏度，通过测量浆液（946 mL）重力作用下从马氏漏斗中自由流出所需的时间来表征，单位为s；使用SNB-2数字黏度计进行黏度时变性的测量及记录，测试时间为140 min，单位为mPa·s。

2）流动度。采用上口直径为36 mm，下口直径60 mm，高度为60 mm 的截锥圆模及800 mm×800 mm×5 mm 的玻璃板测量浆液的流动度，单位为cm。

3）结石率。使用量筒量取100 mL 浆液，放入养护温度为（20±2）℃、湿度为95%的标准养护箱内养护24 h 后测定结石率。

4）抗折强度。由于前期研究[13]已测得抗压强度，为此使用DKZ-5000 水泥电动抗折机测定结石体抗折强度，制作符合该仪器测试尺寸标准的试样后养护24 h 后脱模，然后在标准养护箱（同结石率养护条件）养护28 d，开展抗折强度试验。

1.3 试验方案和结果

基于前期对浆液性能所做的部分研究[13]，试验作为其流动性能及力学性能的补充试验，以完善此注浆浆液的性能研究及评价。

正交试验设计4 个主要影响因素，分别为NC掺量（A）、水灰比（B）、超细粉煤灰掺量（C）及减水剂掺量（D），每个影响因素设置3 个水平，按照L9（34）正交表安排试验，共进行9 组试验，每组试验重复进行3 次，以避免偶然性误差，正交试验因素水平见表1。正交试验结果见表2。

表1 试验因素水平表Table 1 Test factor level table

表2 正交试验结果表Table 2 Orthogonal test results

2 流动性能

2.1 水泥浆液初始黏度影响因素

黏度作为评价浆液流动性能的主要指标，黏度越大，水泥浆液的流动性能越差，可注性越差，浆液黏度的影响因素极差分析结果见表3。

表3 黏度的影响因素极差分析表Table 3 Range analysis table of influencing factors of viscosity

由表3 可知，各因素对浆液黏度的影响程度为：水灰比＞超细粉煤灰＞减水剂＞NC，绘制的各因素对黏度影响趋势图如图1。

图1 各因素对黏度影响趋势图Fig.1 Trend diagram of the influence of various factors on viscosity

由图1 与表3 可得：

1）提高NC 掺加量对水泥基浆液的黏度影响较小，NC 掺加量为0.5%时，浆液黏度为28.7 s，NC 掺加量提高到2%时，浆液黏度为28.9 s，增长率为0.7%，可以忽略其影响。水灰比对超细水泥基浆液黏度的影响显著，黏度随水灰比的增大而逐渐减小。水灰比为1.0、1.2、1.5 时，浆液黏度分别为30.75、28.01、27.38 s，变化率分别为8.9%、2.2%，分析原因为：水灰比的增大导致浆液系统中水的相对含量增加，而水的流动度较大黏度较小，因此当增大水灰比时浆液的黏度不断减小[14]。

2）增大减水剂掺加量可小幅度降低超细水泥基浆液的黏度，减水剂掺加量由0.3%增大到0.5%时，浆液黏度降低了0.45 s。由文献［15］可知，减水剂对胶凝材料颗粒表面特性的改变，一方面可以分散固体颗粒，另一方面可以破坏浆体中的絮凝状结构，使得其中包裹的絮凝水释放，浆体的自由水增加，浆液黏度降低。超细粉煤灰的掺入减小了超细水泥基浆液的黏度，且掺入量越多，浆液黏度越小，当掺入量增大到40%，浆液黏度降低了2.09 s。

2.2 黏度时变性

浆液在凝固前其黏度存在时变性，黏度时变性作为评价浆液流变性能的主要参数之一，在注浆理论的研究及数值计算中都必须考虑浆，研究黏度时变性具有重要意义。因此对正交试验中9 组试样的黏度进行了测试及记录，浆液黏度时变性曲线如图2。

由图2 可以看出，各组浆液的初始黏度值在5～15 mPa·s 之间，相较于纯超细水泥浆液其初始黏度更低。浆液黏度随时间的变化可分2 个阶段：稳定期和上升期，黏度时变性曲线拐点大多于70 min 左右出现，稳定期内黏度时变性曲线较为平缓，黏度变化率不超过15.5%，浆液处于相对稳定状态，随着水化反应的进行，黏度时变性曲线出现拐点，进入上升期，浆液黏度大幅上涨。在稳定期内，浆液黏度较低，扩散能力较强，但易被分散冲蚀，因此应避免浆液受动水冲刷，可作为浆液运移及扩散时期；在上升期内，浆液黏度在较短时间内迅速上升，是决定注浆质量的关键时期，实际注浆施工中可结合黏度时变特性对注浆方案做出相应调整。

图2 浆液黏度时变性曲线Fig.2 Time-varying behavior curves of viscosity of grouts

2.3 流动度影响因素

流动度体现了注浆材料的扩散性能，也是水泥浆液可塑性的主要反映指标，现场施工要求注浆材料具有良好流动度，流动度越大，浆液越不易出现离析分层现象，浆液流动度的影响因素极差分析结果见表4。

表4 流动度的影响因素极差分析表Table 4 Range analysis table of influencing factors of fluidity

由表4 可知，各因素对浆液流动度的影响程度为：水灰比＞超细粉煤灰＞减水剂＞NC，各因素对流动度影响趋势如图3。

由图3 与表4 可以看出：

图3 各因素对流动度影响趋势图Fig.3 Trend of influence of various factors on fluidity

1）随着NC 掺量的增加，水泥基浆液的流动度逐渐减小。分析原因为：①NC 的颗粒粒径较小，由于微细颗粒的充填作用，水泥熟料的间隙填充水被置换出，使得游离水分子增加；②NC 的比表面积较大，其与水分子的接触面积也较大，可吸附大量的水分子，从而浆液流动度减小。本试验中NC 颗粒在水泥基浆液中的发散性较好，吸附作用更明显，因此水泥基浆液的流动度总体呈现出减小的趋势。

2）流动度受水灰比的影响较大，当水灰比小于1.2 时，水泥基浆液的黏度大幅度增长；当水灰比大于1.2 时，单纯地增大水灰比，水泥基浆液流动度增大的幅度减缓。分析原因为：水相对含量增长对水泥的分散作用是影响流动度的主要因素，当水的含量增大时，浆体中颗粒间的引力与分子间的作用力相互作用被破坏，浆液流动度增大；当水灰比大于1.2 时，水含量足够多，颗粒的吸附作用成为次要因素，因而导致流动度的变化幅度减缓。

3）超细水泥基浆液的流动度与超细粉煤灰掺量近似呈线性关系，随着超细粉煤灰掺入，浆液流动度持续增长。分析原因为：超细粉煤灰由大量球状玻璃微珠组成，与超细水泥相比其表面更光滑，同时其粒度较细、粒形圆整、比表面积小，对水分子的吸附力小，这些形态特点使得浆液需水量减少，浆液的流动性和活性增大。

4）掺加减水剂可以有效提高浆液的流动度，当减水剂掺量为0.4%、0.5%时，流动度增长率分别为1.5%、4.7%。这是由于减水剂可以吸附在水泥颗粒表面，减水剂的润滑作用和分散作用，避免了浆液的团聚，降低了浆液黏度，从而提高浆液的流动性。

3 结石特性

3.1 结石率影响因素

结石率是浆液固化后的体积与浆液体积之比，是评价浆液结石体力学性能和稳定性的重要指标。结石率的影响因素极差分析结果见表5。

表5 结石率的影响因素极差分析表Table 5 Range analysis table of influencing factors of hardened rate

各因素对浆液结石率的影响程度为：水灰比＞减水剂＞超细粉煤灰＞NC，各因素对结石率影响趋势图如图4。

图4 各因素对结石率影响趋势图Fig.4 Trend diagram of the influence of various factors on the hardened rate

由表5 及图4 可知：

浆液的结石率都超过90%，说明复掺超细粉煤灰及NC 的超细水泥注浆材料具有较好的稳定性，当浆液强度指标和可注性满足要求的前提下，可保证较好的注浆充填率。

水灰比是影响浆液结石率的主要因素，随着水灰比的增大，浆液结石率不断降低，分析其原因为：水灰比越大，充当分散作用的自由水含量增多从而导致浆液结石率降低。随着NC 掺量的增加，结石率先降低后增大，当掺量为1%时，浆液结石率为93.97%，但其变化幅度较小，变化率不超过0.59%。

结石率随超细粉煤灰掺量的增加而减小，分析其原因为：粉煤灰的火山灰活性需在激发剂的作用下才能显现出来，水泥的水化产物Ca（OH）2是最常用的激发剂[16]。随着粉煤灰掺量的增加，激发剂相对含量减少，未能被激发火山灰活性的粉煤灰在结石体中充当了惰性料体，粉煤灰中的碳粒吸收浆液系统中的水分而使其体积增大，从而导致浆体的结石率下降。减水剂对浆液结石率的影响规律同超细粉煤灰类似，结石率随着减水剂掺量的增大而不断减小，且变化的幅度也在减小，减水剂掺量为0.4%、0.5%时，浆液结石率的变化率分别为1.47%、0.24%。

3.2 抗折强度影响因素

抗折强度的影响因素极差分析结果见表6。

表6 抗折强度的影响因素极差分析表Table 6 Range analysis table of influencing factors of flexural strength

各因素对浆液结石体抗折强度的影响程度为：水灰比＞NC＞超细粉煤灰＞减水剂，各因素对结石体抗折强度影响趋势如图5。

图5 各因素对结石体抗折强度影响趋势图Fig.5 Trend diagram of the influence of various factors on the flexural strength of the stone body

由图5 与表6 可得：

NC 对超细水泥基浆液结石体的抗折强度有较大影响，随着NC 掺量增大，结石体抗折强度先增大后降低,其原因为：掺入NC 后，由于纳米颗粒的表面效应，水泥的主要水化产物水化硅酸钙凝胶（CS-H 凝胶）将形成以NC 为内核的空间网状结构，使浆体结构内部更为密实[17]。此外，当NC 与粉煤灰同时存在时，NC 会破坏粉煤灰颗粒的内部结构，形成的纤维状水合物会在粉煤灰颗粒的微细裂纹中生长，对结石体强度会产生一定程度的影响。

结石体的抗折强度随着水灰比的增大呈近似线性降低，水灰比越大，超细水泥基浆液的水化反应越充分，水化产物C-S-H 凝胶也越多，由于其呈单向的纤维状分布，不能有效充填孔隙[18]，导致孔隙率过高，从而结石体强度降低。

随着减水剂掺加量的增加，结石体抗折强度呈现小幅度增长。减水剂掺加量为0.3%时，结石体抗折强度为3.27 MPa；当减水剂掺加量增加至0.5%时，抗折强度为3.31 MPa，增长了0.04 MPa,增长率为1.2%，可知减水剂掺量对抗折强度影响较小。

随着超细粉煤灰掺加量的增加，结石体抗折强度呈现不断降低的趋势，同时其降低的速率也在不断减小。其机理与超细粉煤灰对结石率的影响相同：粉煤灰掺量过多时，未被激发火山灰活性的粉煤灰充当了惰性材料，碳颗粒吸水体积膨胀易使结石体开裂，导致抗折强度降低。