應力預養(yǎng)護對硫鋁酸鹽注漿材料強度與微結構的影響

狄紅豐，張海波,2，侯成巖，鄭冬冬，柴虎成，劉浪，管學茂,2

(1.河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南省深地材料科學與技術重點實驗室，河南 焦作 454000)

0 引 言

隨著煤炭開采深度增加，“深部”開采成為常態(tài)[1]。深部開采地應力高，漿液很難注入圍巖裂隙，高壓劈裂注漿[2]能有效改善注漿效果并提高圍巖自承能力。注漿是采用一定形式的動力將具有膠結能力的漿液注入薄弱地質(zhì)體，從而改善其物理力學性能。注漿加固技術被廣泛應用于煤礦巷道支護[3-5]。高壓注漿時需用滲透性高和黏度低的注漿材料[6]，而硫鋁酸鹽水泥基注漿材料[7-9]是最常見的注漿加固材料之一，它具有凝結時間可調(diào)、黏度低、早強性好、強度高、抗?jié)B性好等優(yōu)點，被廣泛用于煤礦注漿加固[7]。

由于顆粒較大，水泥漿體很難注入微小裂隙[10]。水泥顆粒變細對凝結時間、早期強度和28 d抗壓強度有改善作用[11]。隨著硫鋁酸鹽水泥類注漿材料性能的不斷優(yōu)化，在注漿加固方面的應用越來越廣，王江峰等[12]將其應用于煤礦煤壁加固；李為華[13]將其應用在某高邊坡弱面加固工程；管學茂等[14]將其應用在軟巖巷道修復工程，且都達到了注漿加固的目的，取得了良好的經(jīng)濟效益。煤炭的賦存狀態(tài)受到垂直地應力和水平地應力的影響，尤其在深部開采中，受地應力作用很大[1]。在千米深井注漿加固工程應用中漿液在泵送壓力作用下注入地質(zhì)體，并在高地應力作用下硬化[2]。梁元濂等[15]研究表明，可以泵送高密度水泥漿的注漿泵最大注漿壓力為50 MPa；宋彥波等[16]研究表明，破碎帶注漿加固時注漿壓力最大可達28 MPa。A.Nuchaipichat等[17]研究了養(yǎng)護壓力對膠結土壤固化和壓縮性能的影響；F.Veloso等[18]采用三軸圍壓研究了人工膠結土的真實性能。

在口孜東礦200 m注漿加固示范巷道的加固效果檢測時發(fā)現(xiàn)，結石體的強度高于實驗室結石體的強度，鑒于結石體成型及強度發(fā)展過程，注漿壓力和地應力的持續(xù)作用(合稱為應力)應該是這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因，而關于應力對注漿材料增強規(guī)律的研究至今未見報道。本文采用自制加壓裝置模擬應力，研究了應力對硫鋁酸鹽類注漿材料強度與結構影響，獲得了有益的研究結果，為進一步研究現(xiàn)場注漿條件下注漿材料的性能提供了理論基礎。

1 實驗原料

實驗原料分為黃料和白料。黃料主要成分為硫鋁酸鹽水泥熟料，白料主要成分為石膏和石灰。黃料的化學組成及礦物組成分別見表1～2；白料化學組成見表 3。原料粒徑分布見圖1，黃料、白料粒徑D95分別為8.95 μm和7.79 μm。

圖1 黃料、白料粒徑分布

表1 黃料化學組成

表2 黃料礦物組成

表3 白料化學組成

2 實驗方法

2.1 試樣制備

針對應力的持續(xù)作用，目前實驗室還沒有專門的設備用于應力養(yǎng)護試件，因此采用持續(xù)圍壓近似代替應力的持續(xù)作用，具體制作試件方法如下：第一步，用水泥凈漿攪拌機將黃料和白料分別拌水攪拌均勻，水灰比為1.0，然后黃料與白料漿液按質(zhì)量比1∶1混合攪拌均勻；第二步，將混合后的漿液倒入套有40 mm× 40mm×160 mm自封袋的模具中，如圖2(a)所示，排空空氣并密封自封袋；第三步，將其放入自行設計的加壓裝置(圖2(b))中，圖3為加壓裝置示意圖，在加壓容器中(圖2(c))進行應力預養(yǎng)護，時間分別為2 h和4 h，應力分別為5，10，20，30 MPa，養(yǎng)護溫度20 ℃；第四步，應力養(yǎng)護到設計時間后脫模，放入標準養(yǎng)護箱(溫度20 ℃，濕度96%以上)繼續(xù)養(yǎng)護到測試齡期，試樣編號分別為Am和Bm，A表示預養(yǎng)護時長為2 h，m代表應力，B表示預養(yǎng)護時長為4 h，常壓養(yǎng)護試樣編號用STP表示。

圖2 試樣制備裝置

圖3 加壓裝置示意圖

2.2 測試方法

參照GB 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法,分別測試2.1中制備試樣的抗折、抗壓強度；采用美國AUTOPORE 9500 壓汞儀測試試樣孔隙率，汞的表面張力取480 mN/m，汞與水泥浸潤角取130°；采用德國D8ADVANCE型X射線衍射分析儀分析水化產(chǎn)物種類，采用Cu靶，掃描速度5°/min，掃描角度為5°～80°；采用德國蔡司Merlin Compact型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察和分析樣品的形貌。

3 結果及討論

該注漿材料顆粒較細，水化速度快，其主要水化反應見式(1)，水化產(chǎn)物主要為三硫型鈣礬石。

(1)

在現(xiàn)有實驗條件下，無法準確測定壓力對凝結時間的影響，但根據(jù)實驗過程，漿液在加壓作用下的凝結時間應滯后于常壓下的凝結時間，滯后時間不長。為此繪制了常壓下注漿材料在不同水灰比下的凝結時間，如圖4所示。

圖4 常壓下不同水灰比注漿材料的凝結時間

3.1 應力對強度的影響

試樣抗折、抗壓強度測試結果如圖5(a)和(b)所示，齡期分別為4 h，1 d，3 d，7 d，28 d?？梢钥闯?，與常壓養(yǎng)護試樣相比，應力能顯著增加注漿結石體抗折、抗壓強度，隨著齡期增加，強度的增加速率先增大后趨緩，齡期為7 d時增加量達到最大值，此時抗折、抗壓強度分別提高24.3%，21.6%；應力預養(yǎng)護時間2 h和4 h對試樣強度影響并不顯著，A5和B5兩組試樣在1 d后抗壓、抗折強度差都小于4.6%；相同應力預養(yǎng)護時間下，隨應力增加，試樣抗壓抗折強度增加，A30與A5相比,抗折、抗壓強度最大值分別提高了7.9%和5.9%。

圖5 應力預養(yǎng)護齡期對強度性能的影響

3.2 應力對密度影響

測定STP，A5，A10，A20和A30試樣3 d齡期的密度，結果如圖6(a)所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著應力增加，試樣密度增加，應力小于10 MPa時，密度相對于應力大于10 MPa增加較快，且呈一定的線性關系，但總體上密度增幅不大。試樣表觀密度與抗壓強度的關系如圖6(b)所示，試樣抗壓強度與密度表現(xiàn)出二次曲線關系，而非線性關系。說明應力增加會引起試樣密度增加，從而提高試樣的強度性能。

圖6 應力預養(yǎng)護對表觀密度的影響以及密度、抗壓強度與應力的關系曲線

3.3 應力對水化產(chǎn)物的影響

圖7為STP，A5，A10和A30試樣3 d齡期的XRD圖?？梢钥闯?，隨著應力增加，鈣礬石特征衍射峰不斷增強，且峰位沒有變化，表明應力預養(yǎng)護促進了水化產(chǎn)物鈣礬石晶體的生成，但對鈣礬石晶體結構沒有影響。同時硬石膏的衍射峰強度有所降低，表明應力增加了原料的消耗量，從而提高了生成物產(chǎn)量。

圖7 應力預養(yǎng)護對樣品XRD衍射的影響

圖8為STP，A5，A10和A30試樣1 d齡期的DTA-TG曲線，可以看出，DTA曲線在75～175 ℃與260～280 ℃的兩個吸熱峰分別為鈣礬石脫水分解吸熱峰和鋁膠脫水分解吸熱峰，相應溫度區(qū)間TG曲線出現(xiàn)失重臺階，說明隨著應力增加，鈣礬石晶體產(chǎn)物不斷增加，而鋁膠生成量差別不大。這是因為硫鋁熟料與水反應生成了鈣礬石和鋁膠，在硬石膏存在的條件下鋁膠繼續(xù)反應生成鈣礬石，所以反應生成的鈣礬石多，鋁膠少，即鈣礬石分解吸收峰差別明顯，鋁膠差別不明顯，這也驗證了XRD測試結果的正確性。

圖8 應力預養(yǎng)護對樣品DTA-TG曲線的影響

3.4 應力對孔結構的影響

圖9(a)為試樣孔隙率與預養(yǎng)護應力的關系曲線，可以看出，隨著應力增加，孔隙率降低，且在10 MPa前，孔隙率隨壓力增加降低迅速，之后降低減緩。圖9(b)為試樣孔徑分布微分曲線，可以看出，常壓試樣孔徑范圍在600 nm左右，而經(jīng)壓力預養(yǎng)護后，試樣孔徑小于300 nm，說明在應力作用下試樣的總孔隙率降低，大孔隙減少。

圖9 應力預養(yǎng)護對孔結構的影響

3.5 應力對結石體微觀結構影響

圖10為STP，A5，A10和A30不同應力下3 d齡期試樣的掃描電鏡照片。常壓下(圖10(a))注漿結石體孔隙率高，鈣礬石結構比較疏松；應力5 MPa作用下(圖10(b))，結石體孔隙率顯著降低，棱柱狀的鈣礬石長度約2 μm，彼此相互搭接緊密。隨應力增加，結石體結構更加密實(圖10(c)，(d))。

圖10 應力預養(yǎng)護對3 d齡期試樣微觀形貌的影響

3.6 討論

X射線衍射(圖7)與熱分析(圖8)結果表明，應力增加可以促進主要反應產(chǎn)物鈣礬石的快速生成；表觀密度(圖6)、孔隙率(圖9)和掃描電子顯微圖像(圖10)觀測結果表明，應力增加，降低了試樣的孔隙率，增加了密實度，從而提高了強度性能(圖5)。

應力作用機理體現(xiàn)在兩個方面：一方面注漿材料反應產(chǎn)物在圍壓作用下接觸更加緊密，壓力越大，試樣越密實，但由于反應產(chǎn)物鈣礬石晶體為棒狀，相互搭接形成骨架結構(圖10)，壓實到一定程度后進一步壓實將更加困難，應力5 MPa試樣表觀密度與常壓相比大幅增加，而應力30 MPa試樣表觀密度與5 MPa相比增加不大正是這個原因。另一方面，應力作用加速水分向注漿材料顆粒內(nèi)部擴散，從而加速了注漿材料反應速率，相同齡期應力越大，反應產(chǎn)物鈣礬石越多，試樣密實度越高。

應力增加引起密度增加，密度增加導致強度性能增加(圖6(b))。即已知注漿壓力就可以評估結石體的密度，繼而評估注漿結石體的強度。反之檢測注漿效果時，可以使用結石體密度評估結石體強度在加固區(qū)的強度分布特征。這為注漿加固的隱蔽工程增加了一種檢測方法。

4 結 論

(1)應力增加可以顯著提高注漿材料抗壓、抗折強度，抗折強度最大增加24.3%，抗壓強度最大提高21.6%。

(2)隨著應力增加，注漿材料抗壓、抗折強度先快速增加，后緩慢增加，最佳應力為10 MPa。

(3)應力增加可以促進注漿材料水化，主要水化產(chǎn)物鈣礬石早期生成量顯著增加，水化產(chǎn)物的種類不變。

(4)應力增加可以顯著降低結石體孔隙率，而且最可幾孔徑也大幅減小。

(5)通過檢測注漿結石體的密度可以在一定程度上評估注漿加固的質(zhì)量。