采空区充填泡沫混凝土制备及其性能研究

马 旭，高 蕾，王 桐，吴 阳

（1.兖矿能源集团股份有限公司南屯煤矿，山东 邹城 273500；2.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

煤炭自燃是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。我国煤矿自然发火非常严重，有56%的煤矿存在自然发火问题，其中我国国有和重点煤矿中具有自然发火危险的矿井约占47%，矿井自然发火又占总发火次数的94%，其中采空区自燃则占内因火灾的60%。因此，做好采空区密闭是解决煤矿自燃问题的关键。

矿井火灾发生后，最好采用直接灭火方法进行灭火，但由于煤自燃火灾多发生在采空区或破裂煤柱内，火源点较为隐蔽，即使找到火源点，工作人员也难以接近火源实施直接灭火，若直接灭火的安全性不能保证时，应着手实施封闭火区工作。防火密闭墙是一种常用的煤矿密闭防冲方法，影响密闭墙性能的因素主要是密闭墙位置、材料、结构的选择。国内传统的防爆密闭墙多为砖墙结构,施工所用的材料为砖块、砂、水泥等。由于矿物地下开采条件的多样性,采用各种类型和结构的密闭应用于在矿山巷道里,尤其是新型密闭材料的出现,更加丰富了密闭设计和密闭工艺,对密闭的发展和煤矿安全生产提供了极大的帮助[1]。

泡沫混凝土是一种轻质多孔材料。它与泡沫玻璃、泡沫陶瓷、泡沫铝并称为四大无机泡沫材料[2]。泡沫混凝土是利用机械方式将发泡剂(水溶液)制作成泡沫，再将泡沫混入到硅质材料(砂、粉煤灰)、钙质材料（水泥、石灰）等以及各种外掺料和水组成的混合料中，搅拌均匀浇筑成各种所需的规格，经养护而成的含有大量封闭气孔的轻质混凝土[3]。其具有低密度、高强度、高流动度、耐久性强以及资源利用等特点，目前已经在国内外建筑、园艺、地暖等领域广泛应用。在井下采空区回填时，其相比较传统水泥填充更加经济、环保、易施工。本文通过对粉煤灰、泡沫掺量、纤维品种、水料比、防水剂掺量、减水剂掺量和促凝剂掺量7个因素进行研究，每个因素取4个水平，进行正交试验，以气泡品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值为考核指标，分析各因素的影响规律及显著性，从而确定最佳配比方案。

1 试验材料与制备

1.1 试验材料

试验原料：42.5级普通硅酸盐水泥（市售华新水泥有限公司生产）、粉煤灰（市售武汉罗阳电厂生产的一级粉煤灰）、发泡剂（市售河南华泰建材开发有限公司开发的HT复合发泡剂）、防水剂（市售易来泰公司生产的seal80高活性可再分散硅烷基憎水剂）、改性聚丙烯束状纤维（19、19、6、9 mm单丝纤维）、减水剂（市售武汉苏博新型建材公司生产的PC100聚羧酸盐高性能减水剂）、促凝剂（市售中国建筑材料科学研究总院研制的HSA高效速凝剂）。

1.2 材料制备

将水泥过0.08方孔筛，去除水泥中硬块硬粒，将各个材料粉体称量备用。随后，将发泡剂和水的体积按照1∶50的比例配制发泡液，然后加入压力发泡机中制泡。先在搅拌机内加入少量的水，开启搅拌机，在低速搅拌状态下依次加入水泥、粉煤灰、珍珠岩、防水剂、减水剂和纤维，同时按比例加水，直至加料完全后，继续搅拌，等待加泡沫。在浆料搅拌的同时发泡，先封闭阀门用空压机加压，当发泡机压力达到3.5 MPa时，开启出泡管阀门出泡，同时空压机持续加压，用量杯计量泡沫体积。在胶凝浆体制备好后，不停机，在搅拌状态下加入泡沫，最后依次加入促凝剂，继续搅拌。当浆面看不到漂浮的泡沫时，泡沫浆制备完成，可以出料，浇注成型洒水自然养护28 d即可。通过改变个组分材料不同配比，分别进行试样成型品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值的综合考量，确定各组分最佳配合比例。

1.3 测试方法

本次试验所制得的泡沫混凝土成分包括胶凝材料、轻集料、发泡剂、水和外掺料，其中胶凝材料由水泥和粉煤灰组成，粉煤灰占水泥重量的百分比分别为；泡沫体积(单位：L)占水泥质量(单位：kg)的比值100 %～150 %；水占胶凝材料总重量的百分比为30 %～50 %；外掺料由防水剂、减水剂、促凝剂和纤维组成，其中，防水剂占混凝土拌合物总重量的百分比为0.2%～0.8%，减水剂和促凝剂占水泥重量的百分比分别为：1%～2.5%，0.8 %～1.2 %和2 %～5%；纤维与混凝土拌合物体积关系为1.2 kg/m3，共选用了4种不同的纤维。具体水平分布见表1。

表1 因素水平表

此次试验考虑粉煤灰、泡沫、纤维品种、水料比、防水剂、减水剂和促凝剂的掺量7种因素进行研究，每种因素取4个水平，可以选用L_32（4×7）正交表安排试验，每组试验水泥含量为1.8 kg，其它各组分含量以该基本量为标准进行实验。

2 试验结果分析

对32种不同配方的试样分别进行观察或试验研究，得到每组试样的成型品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值。

表2、表3为各试样实验结果，表2中试样成型品质与纤维品质分别用0～3依次代表很差、较差、合格和很好4个档次。

表2 试样试验结果

注：“-”是代表试样塌模，没有数据

表3 试样抗压抗拉强度

注：“-”是代表试样塌模，没有数据

试样中出现塌模现象，可能是由于水料比过大、促凝剂添加量不够或者凝固时间过长，没有及时固住气泡、减水剂掺量太多、加入的泡沫量过大等原因导致。

对试样内部的结构劈开观察，气泡过大过小，气泡不均匀都不符合试样要求。出现此类现象可能是由于水料比过大，料浆流动度过大，在凝固过程中，气泡小范围内合并、促凝剂添加量不够或者凝固时间过长，没有及时固住气泡、加入的泡沫量过大，使得气泡相互连通、泡沫在混凝土中固化之前由于空气压力的影响会越来越大，所以搅拌时间过长也会导致此类现象的产生。

3 结论

将各个因素相同水平的试验结果求平均值，再求极差可得出以下结论：

1）影响试样成型质量的4个主要因素分别是珍珠岩、水料比、防水剂和促凝剂，从本次试验分析结果可以看出，水料比为0.37（水平2）时试样成型最好，0.42（水平3）次之，当水料比达到0.5（水平4）时，试样成型最差，减水剂在水平2的表现最佳，促凝剂在水平3时效果最好。

2）影响纤维在泡沫混凝土中分布均匀性的2个主要因素分别是纤维品种和粉煤灰含量，其中纤维品种的影响最为明显，品种2和品种4的纤维效果好；粉煤灰含量为30 %（水平3）和0 %（水平1）时纤维效果较好。

3）影响混凝土试样干密度最显著的3个因素分别是水料比、泡沫量和防水剂含量。

4）影响混凝土试样吸水率的2个主要因素分别是水料比和粉煤灰含量，但都不是很显著。

5）影响混凝土试样抗压强度和劈拉强度的2个主要因素都是水料比和纤维品种，水料比为0.5（水平4）时比水料比为0.42（水平3）时的抗压强度要高，是因为水平4试样成型不好，试体内含气孔较少的缘故。纤维含量对抗压强度有一定的影响，但不是很显著。

综上结论所述，综合考量选定试样最佳试样配比如下：水泥1 800 g、泡沫量360 ml、纤维3 g、水750 ml、防水剂5 ml、减水剂20 ml、促凝剂90 g。该试样气泡大小均匀，结构致密整齐，各项性能整体最佳，能够很好地降低采空区回填成本、达到良好的防治煤炭自燃的效果。