聚合物改性混凝土的研究及在煤礦井下的應用

謝玉芬 ，段星澤，廖建國，張義順

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作　454000)

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聚合物改性混凝土的研究及在煤礦井下的應用

謝玉芬 ，段星澤，廖建國，張義順

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作454000)

本文通過對聚合物乳液改性混凝土的力學性能和耐久性能研究，得到了一種用于井巷修補的新型聚合物改性混凝土，并確定了各組分之間最佳配比。實驗結果表明：聚合物乳液可以改善混凝土性能。與普通混凝土相比，聚合物改性混凝土的抗折強度高36.8%，劈裂強度提高53.1%，粘結強度提高68%，抗滲性提高了83.3%；同時通過掃描電鏡照片對乳液改性混凝土的機理進行了分析，聚合物改性混凝土內部形成連續完整的空間網狀結構，極大地提高了材料的力學性能和耐久性能。

聚合物乳液; 硅灰; 力學性能; 耐久性能; 機理分析

1　引　言

國家統計局發布的2014年國民經濟和社會發展統計公報顯示，我國2014年原煤產量為38.7億噸[1]，而在施工建造開采這些煤的煤礦井巷過程中都會遇到混凝土質量問題，如裂縫、大面積損壞、空洞等，必須進行加固修補，才能使其運轉正常。普通混凝土脆性大，韌性低，抗折和粘結強度低，抗凍能力差，用其作修補材料容易造成界面粘結不牢、開裂而導致混凝土再度損壞等問題[2]。用聚合物改性可提高混凝土脆性、改善耐久性、增強界面粘結性[3-10]。

本文在普通混凝土中摻入聚合物乳液對其進行改性，制備出一種粘結性強、操作簡單、耐久性能良好且成本較低的聚合物改性混凝土，以滿足井巷修補加固需要。

2　實　驗

2.1實驗原料

(1)水泥：普通硅酸鹽水泥42.5# ，河南焦作堅固水泥廠，水泥物理性能指標見下表1。

表1　水泥物理性能指標

(2)砂：黃砂，河南信陽，砂子的含水量為1.8%，含泥量為2.5%，細度模數為2.8的中砂;

(3)碎石：花崗巖碎石，含水率為0.095%，含泥量為0.26%，堆積密度1520 kg/m3，表觀密度2670 kg/m3，5～25 mm粒徑碎石60%，20～40粒徑碎石40%，級配良好;

(4)聚合物乳液：丙烯酸酯乳液(簡稱PAE)，固含量為50±1，粘度為500～1100 MPa·s;

(5)硅灰：上海埃肯有限公司，容重為150～200 kg/m3，SiO2含量為85%～94%;

(6)減水劑：萘系高效減水劑(FDN-8000),焦作市協力建材有限公司，減水率為20%;

(7)消泡劑：L-1000系列有機硅消泡劑;

(8)穩定劑：OP型乳化劑。

2.2實驗方法

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對聚合物改性混凝土的力學性能進行試驗，配合比如表2所示。

表2　混凝土配合比

本實驗采用劈裂抗拉強度來表征聚合物改性混凝土的粘結強度。制備10 cm×10 cm×10 cm混凝土試件，24 h脫模，養護28 d后，將試件切分為兩半，一半放回模具內，然后澆注聚合物改性混凝土到模具空余部分，24 h脫模，養護至28 d，測其劈裂抗拉強度。

參照GBJ82-1985《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》對聚合物改性混凝土的抗滲性和抗凍性進行試驗；采用NEL-PD型混凝土滲透性檢測儀器對聚合物改性混凝土進行抗氯離子試驗檢測。

3　結果與討論

3.1力學性能

力學性能結果見表3。

從表3可以看出：與空白混凝土相比較，單摻聚合物乳液改性混凝土的抗壓強度有所降低，雙摻乳液和硅灰改性的混凝土28 d抗壓強度提高了10.3%；單摻和雙摻改性混凝土的抗折、劈裂抗拉強度均有較大提高，雙摻時對混凝土的改性效果更好，其28 d抗折強度提高了36.8%，劈裂強度提高了53.1%，改性混凝土力學性能得到較大的提高。

表3　不同配方混凝土的力學性能和耐久性

3.2粘結性能

粘結強度和抗滲性結果見表4，從表4可知：雙摻聚合物改性混凝土最高。單摻聚合物乳液時，混凝土粘結強度提高了50%；雙摻聚合物乳和液硅灰時，提高了68%。這些研究表明：加入聚合物乳液和硅灰，明顯改善了混凝土新老界面的粘結強度，聚合物改性混凝土可以作為一種優良的界面修補粘結材料。

3.3耐久性能

耐久性實驗結果見表4。由表4可知：

(1)空白混凝土抗滲能力較差，加入聚合物乳液，混凝土抗滲性提高了77.2%；摻聚乳液和硅灰時，混凝土抗滲性進一步提高到83.3%。聚合物乳液加入，明顯改善了混凝土孔結構，空隙降低，大孔減少；小粒度硅灰加入進一步填充內部空隙，提高了混凝土密實性，從而較大的提高其抗滲性能;

(2)與空白混凝土相比，加入聚合物乳液混凝土抗凍性能提高，雙摻乳液和硅灰混凝土抗凍性能進一步提高;

(3)空白混凝土抗滲等級Ⅲ；加入聚合物乳液混凝土抗滲等級提高到Ⅴ；雙摻乳液和硅灰混凝土抗滲等級為Ⅵ (Ⅲ為中，Ⅴ為低，Ⅵ為極低)。說明加入聚合物乳液，混凝土內部結構得到改善，更加致密，孔隙率降低，抗氯離子滲透性能力得到較大改善，從而使混凝土耐久性得到了提高。

表4　不同配方混凝土的力學性能和耐久性

3.4微觀形貌分析

通過對聚合物乳液PAE改性混凝土的SEM照片圖1分析可知：

聚合物改性混凝土后，混凝土內部微裂縫和空隙進一步減少，聚合物乳液在混凝土內部成膜，聚合物改性混凝土內部大孔減少，小孔增多，孔徑分布趨于減少，形成連續完整的空間網狀結構，水泥與聚合物發生物理化學反應，增強水化產物之間的連接，混凝土趨于轉化成一種連續而密實的結構，極大地提高了材料的力學性能和耐久性能。

4　應　用

表5　混凝土配合比

本研究所得聚合物改性混凝土的應用在某煤礦進行，該礦二水平煤層巷道兩側有大量裂縫、蜂窩麻面、空洞等，為了評價改性混凝土的使用效果，在井巷兩側分別使用聚合物改性混凝土和普通混凝土進行修補。普通混凝土(P0)和高性能聚合物混凝土(P1)的配合比見表5。

圖1　摻入聚合物改性混凝土SEM照片(a)×3000;(b)×6000Fig.1　SEM images of polymer modified concrete

圖2　混凝土修補巷道回彈儀現場檢測數據Fig.2　Field test data of the concrete repair roadway rebound mete

修補后的巷道經用錨桿鉆機打孔進行檢測，聚合物改性混凝土和煤層的粘結較緊密。并用ZC2-A型回彈儀，現場測試了不同位置的混凝土強度。方法是在巷道的施工長度上，每個修補位置測試2～3次，取平均值，共選取10個位置，測試結果如圖2所示。

按照《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50082001) 的規定，對巷道修補用混凝土的強度進行檢測，采用混凝土大板切割成標準試塊的方法進行。試驗數據如表6所示。

表6　修補用混凝土性能檢測結果

從成本方面分析普通混凝土和巷道使用的聚合物改性混凝土材料成本見表7。

表7　普通噴射混凝土和巷道修補用聚合物改性混凝土材料成本

從表6和表7可以看出，與普通混凝土相比，聚合物改性混凝土抗壓強度提高了13.76%，粘接性能提高了153%，每立方米混凝土成本僅高了0.6%，性價比大大提高。

5　結　論

(1)單摻聚合物改性混凝土28 d抗折強度提高了26.3%，28 d劈裂強度提高了37.5%；雙摻聚合物乳液和硅灰混凝土28 d抗壓強度提高了10.3%，28 d抗折強度和劈裂強度分別提高了36.8%和53.1%。聚合物改性混凝土力學性能得到較大的提高;

(2)摻入聚合物較大提高了混凝土粘結強度。與普通混凝土相比，單摻時提高50%；雙摻時提高68%，這表明加入聚合物可以改善混凝土新老界面粘結強度，聚合物改性混凝土可以作為一種優良的界面修補粘結材料;

(3)摻入聚合物混凝土耐久性能得到明顯改善。加入聚合物，混凝土抗滲性提高了77.2%，雙摻聚合物和硅灰，混凝土抗滲性進一步提高到83.3%，同時混凝土抗凍性和抗氯離子滲透性都得到了極大的提高;

(4)通過試驗，優選出一種新型用于井巷修補的聚合物改性混凝土的最佳配合比。水灰比0.45，聚灰比0.10，砂率40%，減水劑摻量為水泥的1.2%，硅灰摻量為水泥摻量的12%。經現場工業性試驗表明，聚合物改性混凝土不論在材料自身強度還是與巷道的粘結強度方面都優于普通混凝土，且性價比更高。

[1]中華人民共和國國家統計局,2014年國民經濟和社會發展統計公報[R].中國統計資料館,2015.

[2]張春光.礦用高性能聚合物改性混凝土研究[D].焦作,河南理工大學學位論文,2009.

[3]John N,Karadelis,Lin Y G.Flexural strengths and fibre efficiency of steel-fibre-reinforced,roller-compacted,polymer modified concrete[J].Construction and Building Materials,2015,93:498-505.

[4]農金龍,易偉建,黃政宇,等.加固用丁苯混凝土長期黏結性能及機理研究[J].建筑結構學報，2012,33(12):112-120.

[5]Retno S R M I,Harianto H,Sri T,et al.The advantage of natural polymer modified mortar with seaweed:green construction material innovation for sustainable concrete[J].Procedia Engineering,2014,95:419-425.

[6]楊建森,姜曉楠.聚合物膠粉改性混凝土的力學性能[J].硅酸鹽通報,2015,34(3):649-652.

[7]John N K,Lin Y G.A comparison of flexural strengths of polymer (SBR and PVA) modified,roller compacted concrete[J].Data in Brief,2015,4:422-429.

[8]徐方,袁宗征,劉苗,等.有機纖維與聚合物對水泥混凝土層間黏結性能影響研究[J].混凝土,2015,(1):90-93.

[9]Konga X M,Wua C C,Zhang Y R,et al.Polymer-modified mortar with a gradient polymer distribution:preparation,permeability,and mechanical behaviour[J].Construction and Building Materials,20013,38:195-203.

[10]衡艷陽,趙文杰.聚合物改性水泥基材料的研究進展[J].硅酸鹽通報,2014,33(2):365-371.

Research and Application in Coal Mine of Polymer Modified Concrete

XIE Yu-fen，DUAN Xing-ze，LIAO Jian-guo，ZHANG Yi-shun

(School of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Through the mechanical properties and durability of the study on the emulsion polymer modified concrete,a new,used for laneway repair of polymer modified concrete has been received,and the various components of the best Content has been identified. The results show that emulsion polymer had more positive effect on the properties of concrete. Compared with the ordinary concrete,the flexural strength,splitting tensile strength,bond strength and impermeability of the emulsion polymer modified concrete are increased by 36.8%,53.1%,68%,83.3%,respectively. At the same time by scanning electron microscope photographs of the polymer modified concrete mechanism is analyzed.The continuous and complete space network structure is formed in the emulsion polymer modified concrete,which greatly improves the mechanical properties and durability of the materials.

emulsion polymer;silicon fume;mechanical property;durability property;mechanism analysis

國家自然科學基金(U1304820)；河南省重點科技攻關計劃(152102210103)；河南省教育廳基礎研究計劃(13A430331)

謝玉芬(1979-)，女，講師.主要從事水泥基復合材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0568-05