鋁鹽添加劑超細水泥水玻璃漿液配比試驗研究

王宇涵，張藝昕

(中國礦業大學(北京)，北京 100083)

0 引言

我國的煤礦行業正處于向深部發展的階段，復合頂板煤巷的數量和比例不斷增加，隨之而來的是井下圍巖壓力的不斷增大，增大的壓力給礦井巷道支護的穩定性提出了更高的要求，原有的在淺部的支護方案已不適用于深部巷道，巷道的安全性和穩定性亟待解決。巷道深部的滲水問題也隨著增大，巷道滲水已經成為影響巷道施工安全的重要因素。

注漿，即在被注漿體的縫隙和夾層中注入一種可以凝固的漿液，使得其強度增大，被注漿體中的孔隙變少，更加密實。在深部巷道注漿中注漿的條件更加惡劣，對漿液的要求也越來越高，尋求一種強度高、抗滲性好的漿液成為了專家學者的目標，其中張松林[1]驗證了水泥水玻璃漿液在黃土加固中有很好的性能，而且漿液是以滲透的形式擴散；鄭青[2]在富水細砂地層中，確立了合適的水泥水玻璃漿液配比，成功的在暗挖隧道中達到了注漿止水的效果；易健勝等[3]研究了礦渣對水泥水玻璃漿液的影響，發現了在不同的配比中，礦渣粉對漿液的流動性和析水性有良好的促進效果，不僅加強了漿液的性質，還合理利用了礦渣；焦寶祥[4]研究了水泥水玻璃的凝結時間，通過尋求不同的磷酸鹽、含鈣材料的不同配比，得到了部分含鈣材料對漿液有良好的緩凝效果；馬安博等[5]針對磷酸鹽對水泥固化的影響進行了大量實驗，結果發現鎂基磷酸鹽水泥的固化時間、放熱溫度及抗壓強度會隨磷酸鹽及其組合配比的變化有較大差異，萬秀峰[6]研究了氯化鋁溶液作為水泥水玻璃的外加劑，外加劑能延緩純水泥水玻璃漿液的凝膠時間，漿液的結實率高，能作為一種良好的外加劑使用；石增利[7]研究了鋰鹽對水泥-膨潤土-水玻璃漿液性能的影響，研究出一種凝膠時間短、流變性好、穩定性高、早期強度高的水泥-膨潤土-水玻璃注漿材料。

1 工程背景

趙莊煤礦1313巷道處于煤礦的一盤區，巷道位于地下1 000多米，地質條件復雜，煤層之間的構造多，滲水量大，而且整個煤巷屬于高瓦斯濃度狀態，對于施工要求極其嚴格。1313巷道煤層為3號，整個巷道的圍巖強度低，頂底板松軟，屬于“三軟煤層”。煤層的平均厚度為4.7 m，巷道在原有的注漿條件下，煤層之間的膠結能力差，擴散能力不強，滲水問題嚴重，圍巖的強度低，嚴重影響了巷道的正常使用，并有很高的安全隱患。

2 水泥水玻璃漿液反應機理

水泥和水玻璃，是由水泥的水化，變成膠質狀態，加入水玻璃后，氫氧化鈣水玻璃發生反應，生成膠體，這時膠體便有了強度。鋁離子的加入加快水泥水玻璃的反應，生成的鋁硅酸鹽聚合物含有Al—O—Si鍵，聚合物就有了網狀結構，所以整個固結體抗壓強度得以提升。

3 鋁鹽水泥水玻璃漿液配比實驗

選取兩種鋁鹽，Al(OH)3，Al2(SO4)3和普通超細水泥水玻璃分別進行漿液對照實驗，結合漿液研究相關經驗設置研究范圍。對三種漿液進行凝結時間、自由膨脹率還有抗壓強度對比，選出三種鋁鹽漿液最合適的配比方案。再與普通超細水泥進行對比，驗證鋁鹽對超細水泥水玻璃漿液有改良作用。

3.1 試驗方案

試驗共有4個控制因素分別為鋁鹽添加劑量、水灰比、超細水泥漿液和水玻璃劑量比，并根據經驗每個控制因素分別設置四個控制水平，設計一個三因素三水平的正交實驗表(見表1)。把3個因素按鋁鹽添加劑-A,水灰比-B, 超細水泥漿液和水玻璃比-C來代表三因素。一種漿液做9組實驗，每次實驗做3個試件，一共81個試件。

表1 因素水平表

3.2 試驗設備和材料

試驗主要設備為水泥凈漿攪拌機、DNS萬能試驗機、電子天平、燒杯、量筒等。試驗材料為兩種鋁鹽、1 000目超細水泥、磷酸氫二鈉、水玻璃等。

3.3 試驗方法

抗壓強度、凝結時間、自由膨脹率分別由單軸壓縮試驗、倒杯法、間接測定法來進行試驗。

1)單軸壓縮試驗，試件采用40 mm×40 mm×160 mm的模具，養護28 d后利用萬能壓縮機進行壓縮，單軸壓縮強度的計算公式：P=F/A。

其中，P為單軸壓縮強度，MPa；F為外加荷載，N；A為試樣的原始橫截面積，mm2。

2)凝膠時間采用“倒杯法”測試，使用100 mL燒杯配置超細水泥水玻璃漿液，再把鋁鹽倒入漿液中開始計時。材料開始混合后，將混合后的漿液在兩個燒杯中反復的傾倒，待漿液在燒杯傾斜 45°或 90°不再流動時所經歷的時間就為漿液的凝結時間。3個樣品作為一組，取平均值。

3)自由膨脹率采用“間接測定法”測試，使用不同配比的鋁鹽配置不超過250 mL的鋁鹽超細水泥水玻璃漿液，將其倒入250 mL的量筒中，并記錄此刻量筒的數值V1；等待漿液冷卻凝固，體積不再發生變化時，加入自來水使總體積達到250 mL，再將水倒入量筒稱量，得到加入水的體積V2；最后用250 mL減去水的體積，即得到膨脹后的漿液體積(250-V2)mL，最后通過計算得到漿液的自由膨脹率F。3個樣品作為一組，取平均值。

其中，F為自由膨脹率，%；V1為漿液的初始體積，mL；V2為加入水的體積，mL。

3.4 試驗結果

3.4.1 鋁鹽對壓縮強度的影響分析

呂鹽對壓縮強度的影響見圖1。

可以看出，在經過實驗室標準養護28 d， Al2(SO4)3強度處于圖形的最上方，是最大值，說明兩種鋁鹽中Al2(SO4)3對漿液的強度有更大的提升。圖1中3種方案的走勢基本是在3%達到最大值，在6%急劇下降，在9%又有所回升。所以可以得出在本次試驗的3個水平因素上，3%添加量為最佳。

3.4.2 鋁鹽對凝結時間和自由膨脹率的影響分析

由圖2可以看出，Al2(SO4)3對于凝結時間的延長有所增益，而Al(OH)3對于凝結時間則沒有增益，整個凝結時間的最大值在7 min左右，最小值在1 min左右。

對于膨脹性，Al2(SO4)3，Al(OH)3都是在3%達到最大值，整體趨勢為先減小再增大，由于普通超細水泥不添加鋁鹽，所以其膨脹性一直有所增大，增大的幅度較小，所以選取3%為最佳。

3.4.3 水灰比對壓縮強度、凝結時間和自由膨脹率的影響分析

通過分析圖3～圖5可以看出，在水灰比(質量比)達到1.6時，漿液的固結強度達到最大值；在添加兩種鋁鹽的漿液中的凝結時間隨著水灰比的增大逐漸增大；三種漿液的膨脹性中，普通漿液的膨脹性略低一點，兩種鋁鹽漿液的膨脹性略高，選取水灰比(質量比)1.6為最佳。

3.4.4 水玻璃對壓縮強度、凝結時間和微膨脹性的影響分析

在水泥和水玻璃體積比達到1∶0.6時，漿液的固結強度達到最大值；在添加兩種鋁鹽的漿液中的凝結時間隨著水泥和水玻璃體積比的增大而逐漸減??；三種漿液的膨脹性中，其膨脹性基本一致，說明水玻璃的添加量對漿液膨脹性的變化基本沒有影響，選取1∶0.6時為最佳(見圖6～圖8)。

4 實驗分析和結論

從結果可知，當配比選取A-3%，B-1.6，C-1∶0.6時為最佳，由于此組并不在正交試驗表中，還需做一組驗證，結果為壓縮強度為37.584 MPa，凝結時間為278 s，膨脹性為1.5%。符合試驗結果。

本試驗中，壓縮強度在鋁鹽添加量為3%時最大，呈現先下降后上升的趨勢，凝結時間、膨脹性也隨鋁鹽添加量呈現出先下降后上升的趨勢，且優于普通超細水泥水玻璃漿液。所以鋁鹽超細水泥水玻璃漿液相比于普通超細水泥水玻璃，具有更高的強度，更優的性質，擁有更高的可研究性。