巷道破碎圍巖膨脹注漿加固材料改性試驗及應用

關(guān)鍵詞：膨脹注漿；加固材料；正交試驗；高性能混凝土膨脹劑；抗壓強度

中圖分類號：TQ177.6+6 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0072-04

針對煤礦巷道等破碎圍巖的特點，采取相應的支護手段，可以提高巷道破碎圍巖的穩(wěn)定[1]。其中，注漿加固就是一種新型巷道支護手段，具備實施工藝簡單、成本低等特點[2]。大量學者對此進行了研究，如研究了一種充填型的聚氨酯注漿材料，并設(shè)計正交試驗對其參數(shù)配比進行優(yōu)化[3]。以鋼渣、赤泥等固廢材料，制備了一種高性能注漿加固材料，并研究其性能[4]。除此之外，通過最優(yōu)配比試驗，制備了一種新型無機注漿材料，并對其加固性能進行研究，加固效果良好[5]。基于此，本試驗以P·O42.5普通硅酸鹽水泥為主要材料，針對TEA復配早強劑摻量、聚羧酸減水劑摻量，以及HSCA膨脹劑摻量，設(shè)計正交試驗，制備一種膨脹注漿材料，并研究其性能。

1試驗部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：三乙醇胺（TEA）（AR，振威新材料）；P·O42.5普通硅酸鹽水泥（工業(yè)純，固耐特建材）；硫氰酸鈣（AR，多聚化學）；氟鋁酸鈣（AR，鑫潤德化學）；PC-1009聚羧酸減水劑（AR，福鑫精細化工）。高性能混凝土膨脹劑（HCSA）（工業(yè)純，世紀藝高環(huán)保科技）。

主要設(shè)備：FA2204E型電子天平（根拓機電）；TQ-810型旋轉(zhuǎn)黏度計（世通科創(chuàng)技術(shù)）；NJ-160型攪拌機（鑫龍建筑儀器）；BW50-3型手動注漿泵（金林機械設(shè)備）；HNB-500N型萬能試驗機（森倍科技）；SP-175型膨脹測量儀（華科嘉誠科技）；YH-90B養(yǎng)護箱（鑫鑫試驗儀器）。

1.2試驗方法

1.2.1膨脹注漿材料配比設(shè)計

試驗以P·O42.5普通硅酸鹽水泥為主要材料，添加適量的TEA復配早強劑、聚羧酸減水劑（PC-1009），以及HSCA膨脹劑，制備膨脹注漿材料。其中，TEA復配早強劑是硫氰酸鈣、氟鋁酸鈣和TEA以5∶200∶1配置[6-7]。為探究該膨脹注漿材料的最佳配比，以不同TEA早強劑摻量（B）、PC-1009摻量（C）和HCSA膨脹劑摻量（A）設(shè)計正交試驗，具體試驗配比如表1和表2所示[8]。

1.2.2破碎圍巖加固試驗

通過手動注漿泵、注漿箱體、注漿管和止?jié){閥，模擬注漿試驗裝置。然后分別采用本試驗制備的膨脹注漿材料、以及水灰比為0.6的純水泥漿液，對破碎圍巖進行模擬注漿加固試驗。具體步驟如下：

（1）對注漿箱體內(nèi)部進行抹油處理，并覆蓋一層塑料薄膜。先在注漿箱體中添加一定量的煤礦巷道破碎圍巖，然后通過常水頭試驗法，對注漿滲透系數(shù)進行測定。之后，用密封膠密封注漿箱體，將箱體蓋蓋上，并使用螺絲加固箱蓋；

（2）先檢查模擬注漿試驗的裝置安全情況，在確認無誤后，通過手動注漿泵，將本試驗制備的膨脹注漿材料或純水泥漿液加入到注漿箱體中；

（3）當注漿壓力上升到1MPa時，用量杯接住并測量注漿箱體下部焊接管流出的液體，并在5min后關(guān)閉注漿閥門，停止注漿；

（4）清洗模擬注漿試驗裝置各部件，將注漿箱體靜置2d。打開注漿箱體，取出材料。按照標準試樣進行取芯，養(yǎng)護一定時間，獲得破碎圍巖加固試樣，貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3性能測試

1.3.1流動度測試

將膨脹注漿材料倒入截椎圓模中，并采用平直刀將截椎圓模表面刮平。然后立即豎直放置截椎圓模，在30s后測量膨脹注漿材料的擴散程度。其中，以測量的擴散面2個最大直徑的平均值來表征材料的流動度。

1.3.2黏度測試

使用黏度計對膨脹注漿材料進行測試，分析材料黏度。

1.3.3抗壓強度測試

將膨脹注漿材料倒入圓柱形模具中，靜置1d后脫模，取出，養(yǎng)護。最后，通過試驗機對膨脹注漿材料試樣進行測試，分析其抗壓強度。

1.3.4膨脹率測試

先在膨脹測量儀內(nèi)部涂抹一層機油，然后將制備好的膨脹注漿材料倒入膨脹測量儀中，注意一邊倒入一邊插搗。當膨脹注漿材料灌滿膨脹測量儀后，蓋上玻璃板，并在玻璃板中央位置放一個測量頭，將已經(jīng)凋零處理的千分表與測量頭進行對接。在7d后，記錄千分表讀數(shù)，即膨脹注漿材料的7d膨脹率。

1.3.5單軸壓縮試驗

通過試驗機對破碎圍巖加固試樣進行單軸壓縮試驗，分析其單軸壓縮性能。

2結(jié)果與分析

2.1膨脹注漿材料基本性能

2.1.1流動度

圖1為各正交試驗方案制備的膨脹注漿材料的流動度情況。

由圖1可知，當HCSA膨脹劑的添加量增加時，流動度先升后降，極差值為3.9cm。這表明，在膨脹注漿材料中應當適量添加HCSA膨脹劑，不能添加過少或過多。隨著TEA復配早強劑摻量的增多，流動度也呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，但極差僅為1.8cm。這表明，TEA復配早強劑摻量對膨脹注漿材料流動度的作用效果較小。除此之外，當膨脹注漿材料中的聚羧酸減水劑摻量增多時，流動度迅速增高，極差達到4.6cm。通過以上這些現(xiàn)象可知，聚羧酸減水劑摻量對膨脹注漿材料流動度的作用效果最強，其次是HCSA膨脹劑摻量，最后是TEA復配早強劑摻量。同時，從試驗結(jié)果可知，在正交試驗中，本試驗制備的膨脹注漿材料流動度最大的組合應為A₂B₂C₃。

2.1.2黏度

圖2為各正交試驗方案制備的膨脹注漿材料的黏度情況。

由圖2可知，隨著膨脹注漿材料中添加的HCSA膨脹劑增多，黏度不斷增加，極差達到10mPa·s。材料基體整體膨脹，密實度增加，黏度提高[9]。但是，當在膨脹注漿材料中HCSA膨脹劑的添加量大于8%時，材料的黏度迅速增大。這表明，HCSA膨脹劑不應添加過多。除此之外，當TEA復配早強劑的摻量增加時，膨脹注漿材料的黏度也呈現(xiàn)緩慢增加的現(xiàn)象，但是極差僅為5mPa·s。這表明，TEA復配早強劑添加量的變化對膨脹注漿材料的黏度的作用效果較小。另外，隨著材料中添加的聚羧酸減水劑增多，黏度迅速降低，極差最大，達到21mPa·s。綜上可知，TEA復配早強劑的摻量對膨脹注漿材料黏度的作用效果最大，其次是聚羧酸減水劑摻量，而HCSA膨脹劑摻量則影響最小。考慮到膨脹注漿材料的黏度可以決定該材料的擴散半徑，黏度越小，則擴散半徑越大，更有利于實際破圍巖等的加固。因此，本試驗中，膨脹注漿材料的最佳黏度組合應為A₁B₁C₃。

2.1.3抗壓強度

圖3為各正交試驗方案制備的膨脹注漿材料試件，在養(yǎng)護7d時的抗壓強度情況。

由圖3可知，當膨脹注漿材料中添加的HCSA膨脹劑逐漸增加時，抗壓強度漸漸減小，從31.2MPa降低至29.8MPa，極差為1.4MPa。而當膨脹注漿材料中添加的TEA復配早強劑不斷增加時，抗壓強度迅速增加，從26.8MPa增加到32.7MPa，極差達到5.9MPa。這表明，TEA復配早強劑添加量的變化，對膨脹注漿材料早期抗壓強度的作用效果較大。因此，膨脹注漿材料基體的密實度增加，早期強度提高[10-12]。從圖3還可觀察到，隨著材料中添加的聚羧酸減水劑增多，抗壓強度也在緩慢上升，但極差僅為1.0MPa。這說明，膨脹注漿材料中聚羧酸減水劑添加量的變化，對其抗壓強度的作用效果較小。根據(jù)以上試驗結(jié)果，在早期抗壓強度方面，各因素的作用效果從大到小依次為：TEA復配早強劑摻量、HCSA膨脹劑摻量、聚羧酸減水劑摻量。綜上，為獲得早期抗壓強度較好的膨脹注漿材料，本試驗確定最佳因素組合為A₁B₃C₃。

2.1.4膨脹率

圖4為各正交試驗方案制備的膨脹注漿材料的膨脹率結(jié)果。

由圖4可知，隨著HCSA膨脹劑摻量的增多，材料的膨脹率從0.071%增加至0.153%，極差為0.082%。由此可見，在膨脹注漿材料中，增加HCSA膨脹劑的摻量，可以提高其膨脹率。除此之外，當材料中添加的TEA復配早強劑增多時，膨脹率呈現(xiàn)先增加后減小的變化。當TEA復配早強劑摻量為4%時，膨脹率最大，為0.127%，但極差僅為0.025。這表明，TEA復配早強劑添加量的變化對膨脹注漿材料膨脹率的作用效果較小。然而，當聚羧酸減水劑摻量增多時，材料的膨脹率不斷下降，從0.132%減小到0.085%，極差達到0.047%。在膨脹率方面，各因素的作用效果從大到小依次是：HCSA膨脹劑摻量、聚羧酸減水劑摻量、TEA復配早強劑摻量。同時，這種膨脹效果可以對破碎圍巖產(chǎn)生一定的擠壓，使破碎圍巖基體的緊密型增加，從而恢復破碎圍巖中的三向應力，達到加固的效果[13]。綜上，本試驗中，膨脹注漿材料膨脹率最大的組合是A₃B₂C₁。

2.2破碎圍巖加固應用效果

根據(jù)2.1中的膨脹注漿材料正交試驗結(jié)果，采用綜合平衡法，本試驗確定膨脹注漿材料的最佳參數(shù)配比應為：HSCA膨脹劑摻量8%、TEA復配早強劑摻量4%、聚羧酸減水劑摻量0.9%。并按照1.2.2中的試驗步驟，以最佳配比的膨脹注漿材料進行破碎圍巖模擬注漿加固試驗。其中，對照組為水灰比0.6的純水泥漿液。單軸壓縮試驗的測試結(jié)果見表3。

由表3可知，對于未破碎的煤礦巷道圍巖試件，不需要進行養(yǎng)護處理，其單軸抗壓強度為62.452MPa。當采用膨脹注漿材料對破碎圍巖進行加固時，試件在養(yǎng)護7、28d時的單軸抗壓強度分別是16.245、33.147MPa，破碎圍巖的強度恢復系數(shù)分別達到0.26、0.53。當采用純水泥材料對破碎圍巖進行加固處理時，試件在養(yǎng)護7、28d時的單軸抗壓強度分別是16.143、19.758MPa，強度恢復系數(shù)分別為0.26、0.32。由此可見，在養(yǎng)護早期，膨脹注漿材料與純水泥材料對破碎圍巖強度恢復的作用效果基本相同。但是，在養(yǎng)護后期，采用膨脹注漿材料對破碎圍巖進行加固的加固效果遠高于純水泥加固，加固效果提高65.6%。綜上，在最佳參數(shù)配比下，本試驗制備的膨脹注漿材料對破碎圍巖的加固效果較好，且在注漿加固后期優(yōu)于純水泥加固。

3結(jié)語

（1）通過正交試驗，分析了HCSA膨脹劑摻量、聚羧酸減水劑摻量以及TEA復配早強劑摻量對膨脹注漿材料的作用效果，確定該材料的最佳參數(shù)配比為：HSCA膨脹劑摻量8%、TEA復配早強劑摻量4%、聚羧酸減水劑摻量0.9%；

（2）在最佳參數(shù)配比下，破碎圍巖膨脹注漿材料加固試件在養(yǎng)護7、28d時的單軸抗壓強度分別是16.245、33.147MPa，強度恢復系數(shù)分別達到0.26、0.53。其中，后期強度恢復系數(shù)比純水泥加固提高65.6%；

（3）本試驗制備的膨脹注漿材料可以用于破碎圍巖的注漿加固處理，且加固效果優(yōu)于純水泥材料。