巖石巷道錨噴復合隔熱型混凝土材料研究

陶梓鋒，張一蕭，李 爽，王一雋，吳 兵

（中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

目前，國內外諸多深層煤礦礦井均已達到了35℃以上的地溫，例如河南平頂山的五礦，采深718 m時，原始巖溫達到了42.18 ℃；平頂山八礦，采深663 m 時，井下原始巖溫為43 ℃以上。這將使得作業場所的環境溫度超過正常作業的要求，且會對人體造成負擔和傷害[1]。

在現有的解決方案中通風降溫法、減少熱源法占主流，另有礦井空調、空氣冷卻裝置等主動制冷的方法[2-4]。其中，保溫隔熱混凝土在建筑領域的研究已經非常成熟[5-14]。隔熱方法主要分為2 種：①摻雜低導熱系數的隔熱骨料或添加劑以提升混凝土整體隔熱性能，即輕骨料混凝土；②將混凝土加氣，制成泡沫混凝土，利用氣孔中空氣的優良隔熱性能以提升混凝土整體隔熱效果，即發泡混凝土。

目前，行業內通過加入60%氣凝膠，可以制作出導熱性能出色的氣凝膠輕集料混凝土，實際導熱性能可以達到0.26 W/（m·K）[15]。根據韓金光等[16]與王鵬[17]對膨脹珍珠巖混凝土以及陶粒混凝土的熱力學測試，復合改性膨脹珍珠巖保溫混凝土導熱系數可降低至0.40 W/（m·K），而陶粒混凝土導熱系數可降低至0.337 W/（m·K）；根據宋雪嬌等[18]、張澤平[19]對玻化微珠混凝土的研究，可發現該種混凝土隔熱性能優良，在使用再生粗骨料以及6%摻量玻化微珠的混凝土導熱系數為0.835 W/（m·K）；但根據郭文兵等[20]的研究，用于井下巷道的導熱系數最好低于0.23W/（m·K）才會有比較好的隔熱效果。為此，以隔熱材料中的隔熱混凝土作為著手點，通過正交試驗，研究1 種具有高隔熱效果的噴涂混凝土材料，作為錨噴工程的補充材料，有效隔絕原巖攜帶的熱量，減弱通風風流與原巖的熱交換，降低礦井風流的溫度，從而達到井下熱害防治的目的。

1 材料的配比及試樣制作

1.1 材料選取

1）混凝土基料。①水泥：選用32.5 級普通硅酸鹽水泥以及42.5 級硫鋁酸鹽水泥；②河沙：本地河沙，細度模數2.5 左右；③石子：粒徑約為5～10 mm。

2）輕集料。以提升混凝土隔熱效果為目的的摻雜骨料有諸多品種，其中氣凝膠材料、膨脹珍珠巖（憎水與不憎水2 種）、玻化微珠因市場認可度、成本高昂等問題，不予考慮。而根據趙美艷等[21]對聚苯顆粒混凝土的研究，確定了聚苯顆粒的摻雜對混凝土導熱性能提升明顯且造價低廉，但并沒有和發泡混凝土相結合。綜上，采用陶粒和聚苯顆粒為輕集料：①聚苯顆粒：河北廊坊卓澤節能科技生產的小顆粒聚苯顆粒；②陶粒：考慮混凝土噴射設備要求，粒徑≤2 cm。

3）發泡劑。發泡方式主要分為物理發泡和化學發泡2 種，其中化學發泡法，即通過添加化學發泡劑使混凝土發泡，可以通過調節發泡劑添加時間，讓發泡集中期在噴射完成之后，更適合噴漿工藝，所以研究采取化學發泡方式，并選取鄒平縣精創顏料有限公司生產的GLS-65 型鋁粉膏作為發泡劑。

4）外摻劑。選用增稠劑以調節砂漿黏度，防止聚苯顆粒因密度小于水而上浮，并選用減水劑與穩泡劑盡量減少發泡后的強度損失。具體如下：①增稠劑：石家莊寇格纖維素有限公司生產的25 萬黏度HPMC 增稠劑；②減水劑：天津偉合科技發展有限公司生產的混凝土早強減水劑；③穩泡劑：衡水通力工程材料有限公司生產的混凝土用表面活性劑。

1.2 確定基礎配合比

可選的基礎材料配合比見表1。通過小批量制作試塊，驗證鋁粉膏的添加所導致的水泥減損對試塊性狀的影響，最終確定出最為恰當的配合比和鋁粉膏添加量。試塊于室溫20 ℃的房間中靜置養護7 d 后，其外觀圖如圖1。

表1 可選的基礎材料配合比Table 1 Available mix proportion of basic materials

圖1 7 d 后外觀圖Fig.1 The exterior after 7 days

1～3 號強度明顯逐漸上升，3～4 號試塊的強度近似，觀察其氣孔狀態以及膨脹效果，3 號膨脹效果明顯優于4 號，分析其原因為4 號添加鋁粉膏過量使發泡過程中氣泡過大，相較小氣孔，過大氣泡更容易向上浮動、排出氣體，使凝結后的氣泡大量減少，反而導致發泡效果不佳。而1 號試塊因水泥添加量過少，鋁粉膏在發泡過程中會與水泥中的Ca（OH）2反應，減少水泥中的有效成分，水泥強度降低。綜上，選取擴大水泥添加量并加入適量鋁粉膏的3 號方案作為基本配方，即水泥∶河沙∶石子∶水=1∶0.67∶0.56∶0.50，每公斤混凝土添加4 g 鋁粉膏。

1.3 制備過程

在3 號試塊配合比的基礎之上，將聚苯顆粒、高鋁水泥、陶粒的含量作為影響因素，為便于表述，將聚苯顆粒代替細骨料占比、高鋁水泥代替硅酸鹽水泥的比例、陶粒代替粗骨料占比，分別用因素A、B、C 代替。確定3 個含量水平，并由此設計正交試驗。影響因素表見表2，共設計的9 組正交試驗見表3，換算形成的具體配方見表4。

表2 影響因素表Table 2 The table of impact factors

表3 正交試驗表Table 3 Orthogonal experimental table

表4 具體配方表Table 4 The table of formulations

試塊的制作采用模擬噴射場景的方式，首先將鋁粉膏等發泡劑按照配比形成發泡漿體，同時將水泥，河沙，石子，水，陶粒置于容器中進行不少于4 min 的充分攪拌。攪拌均勻后將發泡漿體與水泥漿體進行混合，同時進行約2 min 的攪拌，使其達到均質化。為模擬噴射過程，將攪拌好的漿料從距離地面3 m 處用力傾倒入模具中。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》將混凝土試塊置于養護室中養護14 d 后拆模，進行混凝土試塊隔熱系數和抗壓強度等測試。

2 檢測與模擬

2.1 檢測結果與計算

根據表4 所確定的試驗方案，按各號試驗規定的試驗條件，進行了抗壓強度實驗，各組抗壓強度見表5。

表5 各組抗壓強度Table 5 The results of compressive strength experiments

不難發現，試塊強度均低于GB 50086—2015 中規定的錨噴作業C20 混凝土強度要求，即標準立方體抗壓強度要達到20 MPa，但高于強度要求計算值1 MPa[21]，故可使用正常工程用混凝土作為強度層，在其基礎之上噴射此隔熱混凝土。

隨后進行試塊的導熱系數測定實驗，并利用正交表來分析試驗結果。各組的導熱系數詳見表6。

表6 導熱系數、抗壓強度試驗數據匯總表Table 6 The results of thermal conductivity and compressive strength experiment

根據極差R 數據可知，因素C 較大，因素B 最小。這反映了因素C 水平變動時，導熱系數波動最大，因素B 的水平變動時，指標波動較小。由此可根據極差的大小順序排出因素的主次順序：C（陶粒代替粗骨料占比）＞A（聚苯顆粒代替細骨料占比）＞B（高鋁水泥代替硅酸鹽水泥的占比）。

根據K1、K2、K3的大小可知，在因素B、C 摻量增加、因素A 摻量減小時，導熱系數值也在增加，因此，為降低導熱系數，提高隔熱性能，可以使B、C 摻量較低。

遠離陶粒位置的混凝土截面圖如圖2，陶粒附近位置的混凝土截面圖如圖3。

圖2 遠離陶粒位置的混凝土截面圖Fig.2 Sectional drawing of concrete away from ceramsite

由圖2、圖3 可以看出，在陶粒附近的混凝土發泡效果普遍劣于其他遠離陶粒部分的混凝土，這導致了在添加過量陶粒后材料隔熱性能的降低，而這個現象形成的原因是在膨脹過程中，陶粒因密度低于混凝土其他部分，上浮速度較快，表面的粗糙部分剮蹭已發泡但尚未干涸的混凝土部分，導致起泡破裂、氣孔坍塌。

圖3 陶粒附近位置的混凝土截面圖Fig.3 Sectional drawing of concrete near ceramsite

高鋁水泥的添加同樣會導致材料整體隔熱性能下降，其原因為在化學發泡過程中放出較多的熱量，本身便使得水分蒸發加快，初凝時間提前，不利于起泡的產生，讓導熱系數升高，隔熱能力下降。

綜上，可以得到：聚苯顆粒代替細骨料占比為15%、高鋁水泥代替硅酸鹽水泥的占比為6%、陶粒代替粗骨料占比為20%的方案為最優方案。

2.2 各工況巷道模擬

建立1 條1 km 長，橫斷面積11.569 m2的平直巷道，混凝土噴射厚度取0.2 m。風速選取2、2.5、3、4 m/s 4 種情況，入口風流溫度考慮到季節變化，取20、25 ℃2 種情況。在巖石溫度40 ℃的情況下，進行模擬。巷道正視圖如圖4，巷道側視圖如圖5，各部分導熱系數見表7。

表7 各部位導熱系數Table 7 The thermal conductivities of each part

圖4 巷道正視圖Fig.4 The front view of roadway

圖5 巷道側視圖Fig.5 The end view of roadway

對8 種不同工況進行模擬，得到的各工況模擬結果匯總表見表8。經計算，得到的入口風流溫度為20 ℃（冬天）和25 ℃（夏天）時，使用復合隔熱型混凝土與普通混凝土的巷道風流溫升與入口風流的關系分別如圖6、圖7。

表8 各工況模擬結果匯總表Table 8 The results of simulation under each working conditions

由圖6 和圖7 可以看出：對于風速工況而言，隨著入口風流速度的變化，不論是在入口風流溫度25℃（夏季）環境中還是在入口風流溫度20 ℃（冬季）環境中，巷道風流溫升都呈現負相關，即入口風流速度越大，巷道風流溫升越低。但使用了復合隔熱型混凝土的巷道明顯溫升降低趨勢較大，降溫效果顯著，且經分析可發現，隔熱性能好的復合隔熱型混凝土對風流速度的變化更敏感，所以更推薦復合隔熱型混凝土配合其它加大風流速度措施。

圖6 20 ℃下巷道風流溫升與入口風流曲線Fig.6 Curves of wind temperature increase and inlet wind speed under 20 ℃

圖7 25 ℃下巷道風流溫升與入口風流的曲線Fig.7 Curves of wind temperature increase and inlet wind speed under 25 ℃

出口風流溫度與入口風速的曲線如圖8，2 種巷道的出口風流溫差與入口風速的曲線如圖9。

圖8 出口風流溫度與入口風速的曲線Fig.8 Curves of outlet wind temperature and inlet wind speed

圖9 2 種巷道的出口風流溫差與入口風速的曲線Fig.9 Curves of inlet wind speed and outlet temperature difference of two kinds of roadway

由圖8 可以看出：對于2 種入口風流溫度以及2 種混凝土的情況而言，入口風流速度越高，降溫效果越好，但這并不意味著在任何工況條件下，使用了復合隔熱型混凝土后，入口風速越高，其降溫效果比之普通混凝土就越顯著。

由圖9 可以看出：在入口風流溫度為20 ℃的工況下，風速在3 m/s 時復合隔熱混凝土比之普通混凝土的優越性最為明顯，相比之下，能將巷道出口風流溫度降低約8.8 ℃。

3 結 語

1）經過試驗研究，確定了鋁粉膏發泡劑最佳的添加量，并以陶粒、聚苯顆粒以及高鋁水泥摻量為影響因素，通過正交試驗，確定影響水平，最終探索出1 種可以在巷道錨噴工程中應用的復合隔熱型混凝土材料。其方案為：在水泥∶河沙∶石子∶水=1∶0.67∶0.56∶0.50，每公斤混凝土添加4 g 鋁粉膏的基礎上，使用聚苯顆粒代替15%細骨料、高鋁水泥代替6%硅酸鹽水泥、陶粒代替20%粗骨料。

2）經檢測復合隔熱型混凝土材料導熱系數已降低至0.23 W/（m·K）以下，達到預期，僅為0.139 8 W/（m·K），相當于普通錨噴C20 混凝土的1/12。

3）根據后續模擬實驗，相較使用普通C20 混凝土錨噴工藝，能夠將巷道溫度有效降低，特別在入口風流溫度20 ℃、風速3 m/s 的工況下，能將巷道出口風流溫度降低約8.8 ℃，很大程度地延緩了巖石熱向巷道內傳遞。

4）隔熱性能好的復合隔熱型混凝土對風流速度的變化更敏感，更推薦復合隔熱型混凝土配合其它加大風流速度措施。

5）泡沫混凝土在巷道應用中優點與缺點并存，在大幅降低導熱系數，提升保溫性能的同時，需要普通的C20 錨噴混凝土作為基底。

6）泡沫混凝土的發泡劑與混凝土混合后極短時間便開始發泡，若在錨噴中提前預混攪拌后再進行噴漿將會造成還未噴出便已開始發泡的狀況，故也需要對錨噴混凝土工藝、設備做出一定改進。