超细硫铝酸盐矿物基注浆材料的实验研究与工程应用

超细硫铝酸盐矿物基注浆材料的实验研究与工程应用超细硫铝酸盐矿物基注浆材料的实验研究与工程应用 全日制硕士学位论文超细硫铝酸盐矿物基注浆材料的实验研究与工 程应用申请人姓名仲启方指导教师管学茂教授专业名称矿业工程研 究方向巷道矿压及其控制河南理工大学能源科学与工程学院二 一 三年六月TD353密级公开UDC622单位代码10460超细硫铝酸盐矿物基 注浆材料的实验研究与工程应用The experimentalresearch andengineering applicationsfor the sulphoaluminate mineral based grouting material申请人姓名仲启方申请学位工学硕士学科专业矿业工程研 究方向巷道矿压及其控制导师管学茂职称教授提交日期xx 04答辩日 期xx 06河南理工大学河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声 明所呈交的学位论文超细硫铝酸盐矿物基注浆材料的实验研究与工 程应用 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外 不包含任何其他个人或 集体已经公开发表或撰写过的研究成果 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声 明并表示了谢意 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任 学位论文作者签名 年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本 学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留 使用学位论 文的规定 即学校有权保留和向有关部门 机构或单位送交论文的 复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 允许将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播 允许采用任何方式 公布论文内容 并可以采用影印 缩印 扫描或其他手段保存 汇 编 出版本学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权 学位论文作者签名导师签名年月日年月日致谢光阴似箭 岁月如梭 难忘的研究生生活即将结束 值此论文完成之际 我要感谢导师管 学茂教授 三年来 导师在生活上给予了无微不至的关怀 在学习 上不断地指引和鞭策着我 教会了我勤奋学习 踏实研究 诚实做 人 导师学识渊博 治学严谨 思想深邃 视野雄阔 从论文选题 开 题到最终论文成稿和修改 无不浸透着导师的心血 导师废寝忘食 的工作态度 乐观向上的生活态度深深折服了我 是我今后工作生 活中学习的榜样 再次 谨向尊敬的管学茂教授致以衷心的感谢 谢谢您 管老师 在进行毕业实验及论文写作的过程中 得到了学院其他老师的悉心 教导和无私帮助 感谢勾密峰老师 杨政鹏老师 刘小星老师 特 别感谢张海波老师 他们为我的学习 实验的顺利进行提供了巨大 帮助 与课题组的师兄弟姐妹方明星 王卫东 孙倩 宋纤纤 刘素霞 朱涛 李世凯 李龙梓 孙钰坤 赵松海 李晓帆 郭亚楠等一起 度过了丰富多彩的研究生生活 他们给了我很多帮助 关心和支持 在此向他们表示谢意 感谢在我身边一直默默支持我 鼓励我的 朋友们 在我迷茫和缺乏动力的时候 他们的陪伴和鼓舞为我指明 了方向 使我一次次找到正确的人生目标 他们是我今生最大的财 富 在此衷心地感谢他们 感谢我的家人 他们的关心 激励和期 待 是我最大的精神支柱 无论何时何地 无论遇到什么困难和挫 折 他们都一如既往地支持我 关心我 在此衷心地感谢他们 感 谢文中所引用到的参考文献的所有编 著 译者 他们为论文研究 提前打下了坚实的理论基础 使我认清了不足 拓宽了视野 最后 感谢各位专家 学者能在百忙之中审阅本论文 并殷切希望 得到您的指正和赐教 I摘要随着煤炭开采深度日益增加 软岩巷道 支护问题逐渐显现 注浆技术可以从本质上改善围岩性质 已经成为软岩巷道的一种行 之有效的支护方式 注浆材料是注浆技术中重要组成部分 其性能好坏直接关系到注浆 支护效果 在简要分析总结了目前注浆材料研究现状的基础上 对超细硫铝酸 盐矿物基注浆材料的浆液流变性能和力学性能开展了深入研究 并 进行了工程应用 得到如下结论 1 对注浆材料浆液流变性能进行实验研究 采用回归分析法处理 数据 对于黄料而言 掺加乳胶粉 水灰比 1 2 减水剂掺量 2 0 缓凝剂掺量 1 5 浆液粘度均随时间呈指 数函数增长 细度越小 粘度增长越快 增大水灰比或外加剂掺量 粘度随时间呈线性函数增长 对于白料而言 水灰比 1 5 减水剂掺量 1 0 浆液粘度随时间呈线性函数增长 普通细度 增大水灰比或减水剂掺量 粘度随时间基本保持不变 早强剂A B C的加入分别使得浆液粘度随时间呈线性函数 指数函数和对数 函数增长 2 注浆材料水化反应生成大量AFt 存在少量的AFm 峰值应力随着龄期延长而逐渐增大 增大水灰比 峰值应力降低 减水剂和缓凝剂的加入降低了早期峰值应力 提高了后期峰值应力 早强剂的加入均显著提高了早期峰值应力 但后期峰值应力倒缩 乳胶粉的加入降低了峰值应力 增大了峰值应变 掺加适量的矿物掺合料可以改善材料的后期强度 粉煤灰 硅灰和 矿粉最优掺量分别为10 5 5 3 现场工业性试验表明 采用该注浆材料加固软岩巷道可以取得 较好的支护效果 关键词硫铝酸盐矿物基注浆材料 回归分析法 粘度 时变性 应 力应变 III AbstractThe problemson soft rock roadwayappear graduallywith theincreasing depthof coalmining Grouting technologycan improvethe roadwaysurrounding rockstructure significantly It s aneffective meansof supportingsoftrockroadway The groutingmaterial isan importantpart of the grouting technology Its performancedirectly linksto thesupporting effectof grouting Firstly this papersummarizes theresearch statusof the groutingmaterialbriefly Then adeep studyof the rheological propertiesand mechanicalproperties forsulphoaluminate mineral based groutingmaterial iscarried out The engineeringapplications havepleted finally It refersthe followingconclusions 1 Regression analysisis usedto studytherheologicalproperties of the groutingmaterials The yellowslurry s viscositygrows exponentiallywith time in the following cases the slurryis mixedwith polymerpowder water cement ratiois lessthan orequal to1 2 the water reducing admixture s dosage is lessthan orequal to2 0 the retarder s dosageis lessthan orequal to1 5 The viscositygrows fasterwhen thefineness issmaller The viscosity s growthplies withthe linearrelationship byincreasing the water cement ratioor admixturecontent The whiteslurry s viscositygrows linearwith timein thefollowing cases water cement ratiois lessthan orequal to1 5 thewater reducing admixture s dosageis lessthan orequal to1 0 The viscosityremains substantiallyunchanged over timeinthefollowingcases ordinary fineness increasing thewater cement ratioor thewater reducing admixture s dosage The earlystrength agentA canprompt theslurry s viscositywith alinear functionof growthover time The earlystrength agentB canprompt theslurry s viscositywith anexponential functionof growthover time The earlystrength agentC canprompt theslurry s viscositywith alogarithmic functionof growthovertime 2 The groutingmaterials generatea largenumber ofAFt byhydration reaction while existingsmall amountsof AFm The peak stress increasesgradually asthe ageoftheprolonged The peak stress decreaseswhen water cement ratioincreases The additionof water reducing admixtureand retardercan lowerearly peak stress but increase latterpeakstress The additionof early strength agentcan improvethe earlyIV peakstress significantly but causethe latterpeakstress s retraction The additionof latexpowder canreduce the peakstress butincreasethepeakstrain Mixed withthe rightamount ofmineral admixturescan improvethe latestrength ofthe material The flyash silica fume slag optimaldosageis10 5 and5 xx年我国煤炭产量达到36 6亿吨 约占世界总产量的50 在已探明的化石能源中 煤炭约占94 3 石油和天然气仅占5 7 1 我国是一个贫油 少气 富煤的国家 煤炭作为最可靠和廉价的可 利用能源 在一次消费结构中 一直作为第一主要能源而占据主导 地位 随着新能源的开发和利用 煤炭在一次能源中的消费比重将会逐年 下降 但是 我国要实现到2020年国内生产总值翻一番 全面实现小康社 会的目标 还是必须有煤炭能源作为保障 因此 煤炭在能源消费 格局中的主导地位在未来50年内不会改变 根据目前的开采状况 浅部煤炭资源日益枯竭 我国的煤炭开采逐 步转向深部 开采深度以每年8m 12m的速度增加 2 3 越来越多的软岩巷道随着开采深度的增大而逐渐显现 据统计 每年的巷道掘进量长达6000km 其中软岩巷道占10 以上 4 巷道进入软岩状态表现在破碎岩体增多 地质条件恶化 各种灾害 频发 对行人 运输 通风等构成极大威胁 影响煤矿的安全生产 据统计 全国有大约30多个矿区例如吉林舒兰 辽宁沈阳 山东济 宁和龙口 内蒙古平庄 河南义马 安徽淮南和淮北 浙江长光 贵州六盘水 广东茂名以及青海大通等数百个矿井的开发和建设 都遇到了软岩巷道支护这一技术难题 5 软岩巷道压力受地压增大的影响而逐渐增大 巷道围岩变形量相应 增大 巷道维护难度增大 导致传统支护物损坏严重 巷道翻修量 呈不断增大的趋势 对矿井的安全 高效生产造成了较大影响 软岩巷道的支护问题已经成为世界矿业界和岩石力学研究所遇到的 技术难题 也是目前国内外专家学者都给予关注的工程热点问题 随着科学的进步 支护实践的不断发展以及理论研究的不断完善 软岩巷道支护技术获得了很大进步 传统的被动支护理念逐步被主动支护理念所取代 支护理念的转变 使得巷道的支护形式也相应发生改变 传统的支架支护形式向锚杆 和注浆支护形式转变 支护手段由单一支护向联合支护方向发展 因此 研究软岩巷道支护技术对我国煤矿安全 高效生产具有重要 意义与应用价值 河南理工大学硕士学位论文21 2软岩巷道支护研究现状软岩的定义 在早期出现了很大争议 直到20世纪90年代才明确了地质软岩和工 程软岩两种概念的区别和联系 地质软岩仅以岩体的单轴抗压强度作为衡量标准 而工程软岩除了 强调地质软岩定义中的低强度指标外 更重视岩体在工程力作用下 产生的显著塑性变形 目前的软岩工程中多以工程软岩来定义 根据软岩产生塑性变形的机理的不同 有节理化软岩 膨胀性软岩 高地应力软岩和复合型软岩等几种 软岩从力学属性上来看 有膨胀性 可塑性 流变性 崩解性和易 扰动性等几个显著特点 经过长期的支护实践和理论研究 对于软岩巷道支护技术研究 取 得了很大的成果 6 7 目前主要存在如下几种常见的支护技术 1 砌碹支护砌碹支护一般由拱 侧墙和基础组成 拱的作用是承受压应力 并将其传递给侧墙和围岩 侧墙的作用是承受拱推力 围岩主动侧压力和围岩抗力 基础的作用是把墙传来的载荷和自重均匀传递给底板 砌碹支护是一个连续支护体 对围岩起到封闭和防止风化的作用 该支护方式具有坚固 耐久 防火 阻水 通风阻力小 材料广泛 可就地取材等优点 但是具有施工复杂 效率低 不易机械化 劳动强度大 成本高 进度缓慢等缺点 2 锚杆支护 8 9 锚杆的支护作用体现为支承作用 加固作用 组合梁作用 悬吊 作用等 锚杆约束围岩变形并向围岩施压 将软弱岩层与坚固稳定围岩联接 起来 锚杆向围岩提供了轴向力和切向力 提高了围岩的整体性和 稳定性 从而改善了围岩的力学性质 另外 锚杆群能将多层岩层相连 增大了不同层理间的内摩擦阻力 从而达到了改善围岩应力状态的目的 锚杆支护具有施工简单 可机械化操作 施工速度快等优点 但是 一般用于地质条件相对较好的围岩 对于围岩松散破碎 完 整性差 节理裂隙发育等条件下的软岩巷道 锚杆支护作用效果不 明显 锚杆支护不能封闭围岩 无法防止围岩的风化和潮解 3 金属支架支护 10 11 在煤矿软岩巷道使用的金属支架类型有U型钢可缩性支架和矿用 工字钢可缩性梯形支架 12 可缩性支架能够使得围岩压力得到暂时卸除 支架在弹性力作用下 又能恢复到初始状态 这样既能保持围岩的稳定 又能避免支架严 重损坏 但是 这种支护方式也存在弊端 具体表现在一般情况下支架与巷 道表面均存在尺寸大小不一的空穴 支架初撑力不能充分发挥 当 围岩受力变形时 支架受到不均匀的集中载荷和偏心载荷作用而失 稳变1绪论3形 支架易出现压弯 扭曲等变形而失效 另外 金属支架支护需要消耗大量钢材 支护成本高 4 锚喷支护锚杆及喷射混凝土形成的锚喷支护也是软岩巷道支护 的一种有效手段 锚杆的锚固作用使得松动圈范围内岩体形成一定厚度的拱形压缩带 防止围岩的移动和继续破坏 喷射混凝土高速射向岩体表面 射入张开的节理 裂隙并封闭围岩 表面 有效防止围岩的风化 潮解 使破碎的裂隙粘接在一起 提 高围岩的内聚力和内摩擦角 显著改善围岩受力状态 表面铺设的金属网可以支承锚杆间的围岩 连接相邻锚杆形成锚杆 群 提高支护整体性 由于锚喷支护是以锚杆支护为基础 所以 围岩松软破碎 地质条 件差的巷道使用效果欠佳 另外 喷射混凝土的骨料回弹率量大 施工时粉尘大也是不可忽视 的缺陷 5 注浆支护技术软岩巷道围岩松动范围大 岩体强度低 注浆支 护技术是解决松散破碎型软岩巷道的有效途径 注浆后浆液将裂隙中水分及空气排挤出去 可以有效防止围岩吸水 膨胀和风化 浆液渗透到裂隙中 将破碎岩体胶结成整体 可以改善围岩的松散 结构 提高岩体的内聚力和内摩擦角 进而提高围岩的自身强度 充分调动围岩的自承能力 浆液在裂隙中固结 形成网络骨架结构 当围岩发生较大变形时 结构具有良好的韧性和粘接强度 这种骨架作用提高了围岩体的残 余强度 限制了围岩的破坏 注浆支护通常与锚杆支护配合使用 在围岩性质得到改善后 锚杆 的锚固作用能够得到更有效地发挥 另外 注浆支护还具有施工成本低 工作效率高等优点 综上所述 目前在软岩巷道支护方面存在的不同支护方式 各自的 优缺点明显 大多为被动支护 而注浆支护技术却是从改善围岩性质角度提高支护效果 能够充分 发挥围岩的自承能力 在软岩巷道支护方面具有明显优势 1 3注浆支护技术研究现状1 3 1注浆技术发展过程注浆是指借助气 压 液压等外力的作用 把浆液通过注浆管路注入被注介质中 从 而达到改善其物理力学性质的一种施工方法 注浆法作为一种特殊的施工方法 可以应用于治理一些特殊地质条 件下的煤体 岩体 土体等 具有施工工期短 注浆设备简单 可 操作性强 成本低 效果明显等优势 已广泛应用于水利 隧道 矿山 交通等不同领域 13 16 河南理工大学硕士学位论文4注浆技术的发展已有200多年的历史 17 大致经历了四个阶段 如表1 1所示表表1 1注浆技术发展历程简表Tab 1 1The developmentprocess ofgroutingtechnology时间阶段所用注浆材料1802 1857原始粘土浆液注浆阶段粘土浆液1858 1919初级水泥浆液注浆阶段水泥浆液1920 1969中级水泥浆和化学浆注浆阶段水泥浆液简单改性和化学浆液196 9至今新型浆液注浆阶段新型注浆材料由表1 1可以看出 注浆材料的发展过程很大程度上反映了注浆技术的发展 过程 注浆技术的标志性事件是法国人在1802年使用粘土和石灰对港口砌 筑墙进行注浆加固 18 英国人在1864年对井筒进行注浆堵水时第 一次使用硅酸盐水泥并取得了成功 从此以后水泥作为注浆材料而 被大量使用 随着注浆实践的不断发展 化学注浆材料 水玻璃 水泥注浆材料 水玻璃 氯化钙注浆材料等各种不同注浆材料相继出现 每种注浆材料的出现均有与之对应的注浆工艺方法 即注浆材料的 发展促进了注浆技术的不断进步 在20世纪40年代 注浆技术的研究和应用达到了一个鼎盛时期 不 同类型注浆材料不断出现 很大程度上促进了注浆技术的应用范围 和使用规模 19 我国最早是在上个世纪50年代初才开始应用和研究注浆技术 虽然 起步较晚 但是经过60多年的发展 我国的注浆技术取得了很大进 步 注浆材料的研制已经处于世界先进水平 研发出的各种注浆材 料可以适应多种不同地质条件 大大拓宽了注浆使用范围 20 注浆材料种类繁多 一种理想的注浆材料应该满足以下要求 21 浆 液的流动性及稳定性好 凝胶时间可调 浆液无毒 无臭 无污染 注浆操作简单 浆液对设备 管路等无腐蚀性 便于清理 结石 体强度高 不收缩 粘结性较好等 但是目前传统的注浆材料在某些方面均存在一些缺陷 例如 无机注浆材料中使用最广泛的水泥浆材 虽然具有结石体强 度高 成本低廉 原材料广泛 注浆工艺简便等优点 但是颗粒较 大 通常情况下只能注入直径大于0 2mm的孔隙 22 注入细微裂隙 的难度较大 有机注浆材料粘度低 可注性较好 可以注入细微裂隙 但是一般 有机浆材具有一定的毒性 容易污染地下水及环境 并且价格高昂 结石体强度相对较低 在含水量大的地质条件下使用效果1绪论5 差 传统浆材的自身缺陷严重限制了它们的使用范围 为此 世界各国对传统浆材进行了大量的改性研究 推出一批低毒 或无毒 高能效的改进型浆材 迄今为止 国内外已经存在百余种注浆材料 我国不仅拥有国外多 数甚至全部的注浆材料 也有自己国家的新型浆材 23 近年来 新开发的超细水泥改善了传统注浆材料的许多缺点 既具 有传统水泥浆材结石体强度高的特点 又具有有机化学浆材渗透性 好的优点 且对环境无污染 这种新型注浆材料为注浆技术开辟了 新的领域 在地下水封堵 坝基加固及隧道防渗 堵漏 复杂地基 的处理和煤矿巷道支护等工程中取得了良好的效果 有逐步取代传 统浆材的趋势 随着材料颗粒细度的减小 其水化性能发生变化 相应的流变性能 和物理力学性能均会发生很大变化 目前对超细水泥基注浆材料的流变性能等缺乏系统深入的研究 导 致了其应用发展缓慢 对超细水泥基注浆材料进行流变性能和物理力学性能研究 能够拓 宽超细水泥基注浆材料在注浆领域的应用范围 且对注浆设计提供 参考依据 具有重要意义和价值 1 3 2注浆材料流变性能研究现状注浆材料流变性能可以是指注浆材 料流体的流变性能 研究浆体受粘滞力作用下的流动情况 也可以 是指注浆材料结石体在受力后变形的流变特性 研究材料受载荷作 用下发生蠕变的情况 在本文的研究中 对注浆材料的流变性能研究是指对注浆材料浆液 流动性能的研究 而非岩石力学中的流体流变 对于注浆材料而言 浆液流动性能是表征注浆材料性能好坏的一个 重要指标 只有浆液有较好的流动性才能保证浆液在围岩内部有较 大的扩散范围 起到更好的加固效果 研究注浆材料浆液流动性 主要是研究牛顿流体和非牛顿流体的流 动特性 牛顿流体是指在流变曲线中剪切力与剪切速率呈线性函数变化的一 类流体 自然界中最常见的牛顿流体是水 不遵循牛顿流体变化规律的流体统称为非牛顿流体 从浆液的流变特性是否与时间相关来划分 非牛顿流体可以大致分 为两类与时间相关和与时间无关 浆液的流体分类如图1 1所示 近年来 国内外很多学者对浆液的流变性能进行了大量的试验研究 Raffle 24 和Greenwood发现普通硅酸盐水泥的浆液粘度和剪切强度 与水灰比有关 均随浆液水灰比增大而降低 注浆早期主要受水泥 浆粘度和后期受剪切强度的影响 Ish Shalom等人 25 研究发现水泥浆的剪切强度和早期粘度均很小 并 研究了水泥浆液在不同条件下的浆液粘度的变化规律 杨晓东 26 认为浆液粘度随河南理工大学硕士学位论文6时间延长逐 渐增大 但剪切力基本保持不变 针对工程上使用的浆液 文献 27 认为单液水泥浆的w c 1时 浆 液为宾汉流体 阮文军 28 对水泥浆 水泥粘土浆 水泥复合浆及化学浆等几种常 见浆液进行了流型判断和时变性分析 曾祥熹等人 29 指出普通硅酸盐水泥浆液在不同水灰比下表现为不 同的流体类型 近年来 很多专家学者对浆液流动规律进行了系统研究 但是均忽 略了浆液粘度时变性的影响 例如 张良辉 30 推导了牛顿流体注浆时间与扩散半径关系的公式 没有考虑浆液的粘度时变性 G Lombardi 31 推导出了浆液在缝 宽为 的裂缝中的最大扩散半径 没有考虑浆液粘度的时变性及地 下水的影响 杨晓东 26 推导了宾汉流体在裂隙中注浆压力的衰减 公式 没有考虑浆液粘度时变性和地下水的影响 Wittker 32 推导 了宾汉流体在二维平面等厚光滑裂隙中的压力分布及最终的扩散范 围公式 没有考虑浆液粘度的时变性的影响 黄春华 33 推导了宾 汉流体在平面径向等厚裂隙的扩散公式 该公式没有考虑浆液粘度 的时变性 图图1 1浆液流体分类Fig 1 1The classificationof cementgrouting fluid由前述研究现状可以看出 许多学者对浆液流动性能进行了系 统研究 在水泥浆液的研究方面 多是以普通硅酸盐水泥浆液为研 究对象 缺乏对硫铝酸盐水泥浆液的研究 尤其是超细化后的浆液 的流动性能研究更是匮乏 另外 现阶段宾汉流体流体分类纯粘性流体与时间无关膨胀性流体 震凝性流体触变性流体带屈服值的膨胀性流体带屈服值的假塑性流 体带屈服值的幂律流体假塑性流体幂律流体牛顿流体非牛顿流体与 时间有关粘弹性流体1绪论7国内外学者已推导出来的煤岩体裂隙注 浆扩散公式大多忽视了浆液粘度时变性的影响 因此 对浆液粘度时变性进行研究 对指导工程实际具有很重要的 意义 1 3 3注浆材料力学性能研究现状注浆材料从广义上来说 囊括了原 材料 浆液和结石体 原材料可以从市场上直接采购得到 有主剂和助剂之分 注浆材料中可以没有助剂 但是一定含有主剂 主剂可能是一种也 可能是多种材料组成 助剂根据其在注浆材料中起到的作用不同可 分为减水剂 早强剂 缓凝剂 膨胀剂等 原料在加水或者其他溶剂后配制成浆液 浆液有悬浊液 真溶液等 配制成的注浆浆液用作注浆材料的组分 可能是单液浆 也可能 是双液浆 这就决定了需要不同的注浆工艺 结石体是指浆液发生 了一系列复杂的物理化学变化后形成的固结体 对被注介质中的裂 隙和空隙进行充填 可以起到注浆堵水和加固的目的 本文即是以掺加各种助剂的双液超细硫铝酸盐矿物基注浆材料为研 究对象 对其进行结石体强度的研究 目前注浆材料中大量使用的普通水泥多为硅酸盐水泥 其存在一些 缺点和不足 主要表现为早期强度偏低 需要进一步提高 熟料烧 成温度高 导致能源消耗高 熟料中C3S含量高 需要消耗大量品质 高的石灰石资源 煅烧石灰石产生大量CO2等废气 造成环境污染 水泥水化后期体积收缩会导致内部产生裂纹 影响力学性能与耐久 性 目前使用较广泛的另一类无机注浆材料水玻璃 水泥类注浆材料 其也存在一些缺点 主要表现在水玻璃加入浆液 后会与体系中的Ca OH 2迅速反应生成水化硅酸钙 凝胶结构网迅速 生成 并包裹于水泥颗粒表面阻碍了水泥的正常水化 造成结石体 后期强度较低 且存在干缩现象 以无水硫铝酸钙 43C AS 矿物为主的硫铝酸盐系列水泥是一类新型水泥品种 具有传统 硅酸盐水泥不可比拟的优良特性 43C AS水化活性很高 加水后能迅速发生水化反应生成钙矾石和氢氧化 铝 AH3 凝胶 使得早期强度较高 由于熟料烧成温度较低 低温下形成的C2S活性较高 能较早地形成 C S H凝胶 AH3和C S H凝胶在形成的钙矾石晶体骨架中分散充填 增加了结构的致密性 保证了后期强度的持续增长 以硫铝酸盐水泥作为注浆材料有着更广阔且美好的应用前景 以无水硫铝酸钙为主要矿物成分 决定了硫铝酸盐水泥具有了速凝 早强的特性 但是作为注浆材料而言 早强是有益的 但是速凝使 得注浆工艺无法匹配 故借鉴有机注浆材料的使用方法 考虑采用 双液注浆法 仍然需要助剂即外加剂来改善其性能 河南理工大学硕士学位论文8外加剂在硅酸盐水泥中的应用已经非常 普遍 但是 在硫铝酸盐水泥中的应用研究则相对较少 王燕谋等人 34 针对硫铝酸盐水泥的特性研究开发了专用外加剂 但是成分没有对外公开 陈阳如等人 35 研究了柠檬酸 分析纯和化学纯 橄榄油 油酸 高效减水剂FDN等几种外加剂对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响 胡 二中等人 36 研究了LiCl和木质素磺酸钙复合外加剂对硫铝酸盐水 泥性能的影响 付兴华等人 37 研究了木质素磺酸钙 糖钙减水剂 和蜜胺树脂胶粘剂 Na2SO4等外加剂对水泥性能的影响 杨克锐等 人 38 研究发现合适比例掺量的硼砂和Al2 SO4 3可以减缓水泥凝结 时间 且能提高水泥的早期及后期强度 侯文萍等人 39 研究发现 醚胺树脂 糖钙 木质素磺酸钙等有机外加剂在一定掺量范围内都 能有效地延缓硫铝酸盐水泥的凝结时间 糖钙与木质素磺酸钙或醚 胺树脂复掺效果较好 陈娟等人 40 研究了FDN H3BO3和四种早强 剂Li2CO 3 NaNO 2 A12 SO4 3 Na2SO4对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响 张德成等 41 研究了缓 凝剂H 1 聚羧酸减水剂 粉煤灰和矿渣复合掺合料对硫铝酸盐水泥浆体的 凝结时间 浆体流动度及早期 后期强度的影响 彭艳周等人 42 研究了葡萄糖酸钠 硼酸等外加剂对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响 制备出了用于硫铝酸盐水泥的缓凝保塑高效减水剂 叶正茂等人 43 用可再分散乳胶粉改性硫铝酸盐水泥 发现可再分散乳胶粉可以 提高水泥砂浆的抗折强度 改善砂浆的柔韧性 1 4研究内容与技术路线1 4 1研究内容以晋煤集团赵庄矿为工程背 景 对本课题组研制的超细硫铝酸盐矿物基注浆材料凝固前的浆液 流变性能和凝固后的力学性能进行深入研究 1 针对该注浆材料的浆液体系 利用流变性实验分析方法 对其 流变性规律进行系统的实验研究和理论分析 采用回归分析的方法 建立浆液粘度随时间的变化函数关系式 找出在不同水灰比 细度 和外加剂的影响下浆液粘度随时间的变化规律 2 对注浆材料的水化反应进行定量计算 为力学性能提供理论解 释 3 为充分了解注浆材料的力学性能特点 研究了水灰比 外加剂 等因素对注浆材料应力应变的影响规律及矿物掺合料对注浆材料抗 压强度的影响规律 并对注浆材料固结煤岩体进行了探索研究 1绪论9 4 在赵庄矿西翼南回风巷进行现场注浆试验 分析并确定合理的 注浆加固参数 研究与该注浆材料相匹配的双液注浆工艺 1 4 2技术路线本文主要技术路线如图1 2所示图图1 2技术路线Fig 1 2The technicalroute水化产物定量计算超细硫铝酸盐矿物基注浆材料的 实验研究与工程应用注浆参数设计赵庄矿软岩巷道注浆试验材料力 学性能研究浆液流动性能研究工程应用 1 分析软岩巷道支护现状 注浆支护技术存在的优势 2 浅析注浆支护的发展历程 注浆技术的发展历史就是注浆材料