CN104628414B - 矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法 - Google Patents

矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法 Download PDF

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CN104628414B CN201510036758.5A CN201510036758A CN104628414B CN 104628414 B CN104628414 B CN 104628414B CN 201510036758 A CN201510036758 A CN 201510036758A CN 104628414 B CN104628414 B CN 104628414B
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Abstract

本发明公开了一种矿用快硬无机充填支护材料,它由组分A和组分B组成,所述组分A由以下重量份的原料组成:硫铝酸盐水泥熟料93‑97份、XWZ‑A型复合外加剂2‑5份、引气剂0.01‑0.1份、加气剂0.0‑0.05份、稳泡剂0.2‑1.0份、纤维0.25‑2份;所述组分B由以下重量份的原料组成:石膏75‑88份、石灰10‑25份、XWZ‑B型复合外加剂2‑5份、引气剂0.01‑0.1份、加气剂0.0‑0.05份、稳泡剂0.2‑1.0份、纤维0.25‑2份。本发明制得的充填支护材料具有速凝、轻质、快硬、早强、可压缩性好、残余强度高、良好气密性等特点,特别适用于矿山充填支护方面。

Description

矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法
技术领域
[0001]本发明属于矿用充填支护技术领域,具体涉及一种矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法,主要应用于煤矿通风闭墙构筑、巷道冒顶区处理,以及超高区域填充等工程。
背景技术
[0002]在煤矿巷道掘进或使用过程中,由于顶板破碎或者受采动影响,巷道会发生冒顶或出现超高区域,目前主要采用高分子材料进行注浆加固或充填,高分子材料成本较高,有毒、腐蚀性,且有水存在时极易发泡致使阻燃性降低,存在自燃风险;另外,通风闭墙是常见的通风构筑物之一,传统闭墙构筑方法主要包括砖砌、浇筑混凝土,以及水泥沙喷筑等方式,均存在材料运输量大,施工周期长,作业环境恶劣等问题,更重要的是墙体可变形量小,受采动影响后,受压开裂,造成瓦斯泄漏,存在较大的安全隐患。
[0003]巷道冒顶区、超高区域充填和加固材料,以及闭墙构筑材料等,由于其受力特性,均要求其具备良好的可压缩特性、残余强度较高,尤其是闭墙构筑材料。对材料密度而言,巷道冒顶区、超高区域充填和加固材料应该尽量低,最好不超过0.6t/m3,闭墙构筑材料可适当大一些。
[0004] CN102491690B公开了一种煤矿巷道高冒区充填材料,该材料采用珍珠岩作为骨料,以水泥作为胶结料,辅以减水剂、膨胀剂、速凝剂等添加剂,加水固结后形成轻质不燃材料,起到填充作用。上述专利,虽然质轻不燃,但存在施工工艺复杂,固化速度慢,强度低(3d强度仅有1.4MPa),压缩率低(压缩变形率为2%),残余强度更低,脆性明显等缺点,且仅适合作为高冒区充填材料,难以起到支撑作用。
发明内容
[0005]针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法,本发明制备工艺简单、施工方便,且制得的充填支护材料具有速凝、轻质、早强、可压缩性好、良好气密性、施工方便等特点,特别适用于矿山充填支护方面的无机材料。
[0006]为解决上述问题,本发明采用以下技术方案:
[0007] —种矿用快硬无机充填支护材料,它由组分A和组分B组成,所述组分A由以下重量份的原料组成:硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份;所述组分B由以下重量份的原料组成:石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-
0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份。硫铝酸盐水泥熟料应满足国家标准《硫铝酸盐水泥》GB 20472-2006中附录A的技术要求,XWZ-A型和XWZ-B型复合外加剂为自主研制的复合外加剂,具有减水、增稠、调凝的作用。
[0008]所述XWZ-A型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成:减水剂15%、速凝剂45%、悬浮剂25%、缓凝剂15%;所述XWZ-B型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成:减水剂12%、速凝剂55%、悬浮剂8%、缓凝剂25%。
[0009]所述减水剂为萘系高效减水剂、密胺高效减水剂或聚羧酸系高效减水剂;所述速凝剂为偏铝酸钠、硫酸钠或碳酸钠;所述悬浮剂为羧甲基纤维素钠、水溶性聚乙烯醇或轻丙基甲基纤维素;所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、硼砂或柠檬酸。
[0010] 所述石膏为生石膏、和/或天然石膏、和/或烟气脱硫石膏、和/或磷石膏,所述石膏的三氧化硫含量大于等于35%,自然含水率小于1%,比表面积大于200m2/kg。
[0011]所述石灰为生石灰、和/或消石灰,石灰的有效氧化钙含量大于等于60%,含水率小于1%,比表面积大于200m2/kg。
[0012]所述引气剂为表面活性剂,所述表面活性剂为松香树脂类、和/或三萜皂苷、和/或十二烷基硫酸钠、和/或a-烯烃磺酸钠。
[0013]所述加气剂为铝粉,铝粉应满足建材行业标准《加气混凝土用铝粉膏》JC/T 407-2008中的水剂型铝粉膏;所述稳泡剂为三聚磷酸钠、和/或六偏磷酸钠。
[0014]所述纤维为木质纤维、和/或聚丙烯纤维、和/或抗碱玻璃纤维。
[0015] —种矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,包括以下步骤:
[0016] (I)将硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份,加入试验磨中粉磨并混匀,然后加入纤维0.25-2份和A组分总重量0.8-2.0倍的水,得到浆液A;
[0017] (2)将石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份加入试验磨中粉磨并混匀,加入纤维0.25-2份和B组分总重量0.8-2.0倍的水,得到浆液B ;
[0018] (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为30s〜5min,5min〜30min完全固化,硬化体容重为0.5〜1.5g/cm3,2h单轴抗压强度为1.31-8.86MPa,3d单轴抗压强度为3.86-18.25MPa,可压缩变形率为12.5〜30%。
[0019] —种矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,包括以下步骤:
[0020] (I)将硫铝酸盐水泥熟料10000g,XWZ-A型复合外加剂400g,引气剂5g,加气剂3g,稳泡剂50g,加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入10g纤维和9000g水,得到浆液A;
[0021] (2)将石膏8500g,生石灰1500g,XWZ-B型复合外加剂400g,引气剂5g,加气剂3g,稳泡剂50g,加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,加入10g纤维和9000g水,得到浆液B;
[0022] (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为2min,8min完全固化,硬化体容重为1.40g/cm3,2h单轴抗压强度为5.37MPa,3d单轴抗压强度为8.15MPa,可压缩变形率为18%。
[0023]与现有技术相比,本发明的有益效果为:①本发明全部为无机材料组成,不自燃,无毒、无腐蚀性,且成本低廉;②本发明施工工艺简便,按照不同配比,两种浆液单独存放硬化时间超过24h,混合后30s〜5min失去流动性,5min〜30min完全固化,硬化体容重为0.5~
1.5t/m3,固结体可压缩率变形率为12.5-30%,单液流动性好、双液混合后硬化时间可调,早期强度高,具有一定的可压缩性,有利于在该领域内的推广应用,且充填固结体密度、强度等调节方便,能够满足不同工程需要;③本发明制得的充填支护材料具有速凝、轻质、快硬、早强、可压缩性好、残余强度高、良好气密性等特点,较为适合采空区通风闭墙、巷道冒顶区等受压较大且需要良好密闭作用的构筑工程,特别适用于矿山充填支护方面;④本发明制得的充填支护材料能够快速固化,从而简化充填工艺,节省材料、还可以降低充填模板强度要求,很好的起到支撑作用,且能够满足工程时效性需要;⑤应采用栗送方式施工,材料消耗量小,且能够采用远距离栗送方式,可以减少材料运输工作,改善作业环境,降低工人劳动强度;应采用双液栗送方式,解决了浆液的远距离栗送和快速凝固之间的矛盾,即两种浆料在混合强应有足够的存放时间,通过混合器混合后,在较短时间内快速固化。
附图说明
[0024]图1为本发明实施例1施工结构示意图。
[0025]图2为本发明实施例2施工结构示意图。
[0026]图3为本发明实施例3施工结构示意图。
[0027]图4为本发明产品的性能测试图。
具体实施方式
[0028] 实施例1
[0029]如图1和图4所示,本实施例矿用快硬无机充填支护材料,它由组分A和组分B组成,所述组分A由以下原料组成:硫铝酸盐水泥熟料9700g、XWZ-A型复合外加剂300g、AH-l型引气剂3g、铝粉2g、三聚磷酸钠50g、聚丙烯纤维90g,其中XWZ-A型复合外加剂包括萘系高效减水剂45g、偏铝酸钠135g、羧甲基纤维素钠75g、葡萄糖酸钠45g;组分B由以下原料组成:石膏8000g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂300g、十二烷基硫酸钠3g、铝粉2g、六偏磷酸钠50g、抗碱玻璃纤维90g,其中XWZ-B型复合外加剂包括密胺高效减水剂36 g、柠檬酸75g、水溶性聚乙烯醇24 g、硫酸钠165 go
[0030]本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,包括以下步骤:
[0031] (I)将硫铝酸盐水泥熟料9700g、XWZ-A型复合外加剂300g、AH-l型引气剂3g、铝粉2g、三聚磷酸钠50g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入聚丙烯纤维90g和IlOOOg水,得到浆液A;其中XWZ-A型复合外加剂包括萘系高效减水剂45g、偏铝酸钠135g、羧甲基纤维素钠75g、葡萄糖酸钠45g;
[0032] (2)将石膏8000g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂300g、十二烷基硫酸钠3g、铝粉2g、六偏磷酸钠50g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入抗碱玻璃纤维90g和IlOOOg水,得到浆液B;其中XWZ-B型复合外加剂包括密胺高效减水剂36 g、柠檬酸75g、水溶性聚乙烯醇24 g、硫酸钠165 g;
[0033] (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为1.5min,5min完全固化,硬化体容重为1.31g/cm3,2h单轴抗压强度为3.3IMPa,3d单轴抗压强度为4.86MPa,7d即可达到最终强度的80%,14d可达最终强度6.35MPa,可压缩变形率为18%。
[0034]如图1所示,本实施例中第一料桶I中的浆液A和第二料桶2中的浆液B分别通过第一吸浆管3和第二吸浆管4送入双液注浆栗5,双液注浆栗分别通过第一输浆管6和第二输浆管7远距离栗送,在充填地点通过混合器8和混合管9混合后,经灌浆管10灌注入闭墙构筑模板11充填空间内形成充填固结体12,即可快速固化形成通风闭墙13,材料固化过程中反应温度不超过55 °C。
[0035]这种方式构筑通风闭墙具备施工工艺简单,材料运输量小,劳动强度低;构筑的墙体具备良好的可压缩性,残余强度较高,有效防止受压开裂导致瓦斯泄漏或漏风隐患。
[0036] 实施例2
[0037]如图2和图4所示,本实施例矿用快硬无机充填支护材料,它由组分A和组分B组成,所述组分A由以下原料组成:硫铝酸盐水泥熟料9600g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-l型引气剂4g、六偏磷酸钠20g、木质纤维50g,其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、硫酸钠180g、羟丙基甲基纤维素100g、柠檬酸60g;组分B由以下原料组成:烟气脱硫石膏8500g、生石灰1100g、XWZ-B型复合外加剂400g、a-烯烃磺酸钠4g、三聚磷酸钠20g、抗碱玻璃纤维50g,其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂48g、柠檬酸100g、羧甲基纤维素钠32 g、碳酸钠220 go
[0038]本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,包括以下步骤:
[0039] (I)将硫铝酸盐水泥熟料9600g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-l型引气剂4g、六偏磷酸钠20g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入木质纤维50g和15000g水,得到浆液A;其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、硫酸钠180g、羟丙基甲基纤维素100g、柠檬酸60g;
[0040] (2)将烟气脱硫石膏8500g、生石灰1100g、XWZ-B型复合外加剂400g、a-烯烃磺酸钠4g、三聚磷酸钠20g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入抗碱玻璃纤维50g和15000g水,得到浆液B;其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂48g、柠檬酸100g、羧甲基纤维素钠32 g、碳酸钠220 g;
[0041] (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为0.5min,8min完全固化,硬化体容重为1.0g/cm3,2h单轴抗压强度为1.45MPa,3d单轴抗压强度为2.95MPa,7d即可达到最终强度的80%,14d可达最终强度3.45MPa,可压缩变形率为 20%。
[0042]如图2所示,本实施例中两种浆料,在冒顶区处理时,先采用低水灰比材料通过下部充填管17注入下部冒落区域14,将冒落的碎石固结成整体,起到加固作用。再提高水灰比,混合后的浆液通过上部充填管16注入上部空间15,即可把冒顶区域充填密实,主要起到充填作用。
[0043] 本实施例中两种浆料,通过双液注浆栗远距离栗送,在冒顶区域通过混合器和混合管混合后,通过注浆钻孔,注入冒落矸石中,或者灌入冒顶区上部,起到加固和充填的双重作用。
[0044]本实施例材料性能能够满足巷道冒顶区注浆加固和充填需要,快速失去流动性可以使注入冒落矸石中的浆料不流失,节省材料,快速固化可以使破碎矸石快速形成整体。
[0045] 实施例3
[0046]如图3和图4所示,本实施例矿用快硬无机充填支护材料,它由组分A和组分B组成,所述组分A由以下原料组成:硫铝酸盐水泥熟料9500g、XWZ-A型复合外加剂500g、AH-l型引气剂10g、铝粉5g、六偏磷酸钠100g、聚丙烯纤维200g,其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂75g、碳酸钠225g、羧甲基纤维素钠125g、硼砂75g;组分B由以下原料组成:磷石膏7800g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂500g、松香树脂类10g、铝粉5g、六偏磷酸钠100g、抗碱玻璃纤维200g,其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂60g、葡萄糖酸钠125g、羧甲基纤维素钠40g、碳酸钠275 g。
[0047]本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,包括以下步骤:
[0048] (I)将硫铝酸盐水泥熟料9500g、XWZ-A型复合外加剂500g、AH-l型引气剂10g、铝粉5g、六偏磷酸钠10g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入聚丙烯纤维200g和20000g水,得到浆液A;其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂75g、碳酸钠225g、羧甲基纤维素钠125g、硼砂75g;
[0049] (2)将磷石膏7800g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂500g、松香树脂类10g、铝粉5g、六偏磷酸钠10g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入抗碱玻璃纤维200g和20000g水,得到浆液B;其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂60g、葡萄糖酸钠125g、羧甲基纤维素钠40g、碳酸钠275 g;
[0050] (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为5min,20min完全固化,硬化体容重为0.6g/cm3,2h单轴抗压强度为0.86MPa,3d单轴抗压强度为1.12MPa,7d即可达到最终强度的80%,14d可达最终强度2.35MPa,可压缩变形率为 30%。
[0051]如图3所示,本实施例首先在巷道超高区下部用工字钢18对穿,工字钢上面铺木板19,木板上面铺上风筒布20,封闭充填区域22,然后利用双液注浆栗栗送至充填点,并通过混合器和混合管路经注浆孔21灌注入充填区域,可快速固结成型,起到充填密闭、防止巷道超高区域瓦斯积聚。
[0052]本实施例形成的材料具备成型密度小,固结块,压缩率大,韧性好等性能优点,较为适合巷道超高区域充填。该种方式充填巷道超高区域具备施工工艺简单、安全,材料用量小、成本低、劳动强度低、充填体成型密度小,且材料完全阻燃等优点。
[0053] 实施例4
[0054]如图4所示,本实施例矿用快硬无机充填支护材料,它由组分A和组分B组成,所述组分A由以下原料组成:硫铝酸盐水泥熟料10000g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-l型引气剂5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g、聚丙烯纤维100g,其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、碳酸钠180g、羧甲基纤维素钠100g、硼砂60g;组分B由以下原料组成:石膏8500g,生石灰1500g、XWZ-B型复合外加剂400g、松香树脂类5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g、抗碱玻璃纤维100g,其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂42g、葡萄糖酸钠87.5g、羧甲基纤维素钠28g、碳酸钠192.5 go
[0055]本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,包括以下步骤:
[0056] (I)将硫铝酸盐水泥熟料10000g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-l型引气剂5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入聚丙烯纤维10g和9000g水,得到浆液A;其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、碳酸钠180g、羧甲基纤维素钠100g、硼砂60g;
[0057] (2)将石膏8500g,生石灰1500g、XWZ-B型复合外加剂400g、松香树脂类5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入抗碱玻璃纤维10g和9000g7K,得到浆液B;其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂42g、葡萄糖酸钠87.5g、羧甲基纤维素钠28g、碳酸钠192.5 g;
[0058] (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为2min,8min完全固化,硬化体容重为1.4g/cm3,2h单轴抗压强度为5.37MPa,3d单轴抗压强度为8.15MPa,7d即可达到最终强度的80%,14d可达最终强度12MPa,可压缩变形率为18%。

Claims (9)

1.一种矿用快硬无机充填支护材料,其特征在于:它由组分A和组分B组成,所述组分A由以下重量份的原料组成:硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂.0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25_2份;所述组分B由以下重量份的原料组成:石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份;其中,所述XWZ-A型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成:减水剂15%、速凝剂45%、悬浮剂25%、缓凝剂15% ;所述XWZ-B型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成:减水剂12%、速凝剂55%、悬浮剂8%、缓凝剂25%。
2.根据权利要求1所述的矿用快硬无机充填支护材料,其特征在于:所述减水剂为萘系高效减水剂、密胺高效减水剂或聚羧酸系高效减水剂;所述速凝剂为偏铝酸钠、硫酸钠或碳酸钠;所述悬浮剂为羧甲基纤维素钠、水溶性聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素;所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、硼砂或柠檬酸。
3.根据权利要求1-2任一所述的矿用快硬无机充填支护材料,其特征在于:所述石膏为生石膏、和/或天然石膏、和/或烟气脱硫石膏、和/或磷石膏。
4.根据权利要求3所述的矿用快硬无机充填支护材料,其特征在于:所述石灰为生石灰、和/或消石灰。
5.根据权利要求4所述的矿用快硬无机充填支护材料,其特征在于:所述引气剂为表面活性剂,所述表面活性剂为松香树脂类、和/或三萜皂苷、和/或十二烷基硫酸钠、和/或a-烯烃磺酸钠。
6.根据权利要求5所述的矿用快硬无机充填支护材料,其特征在于:所述加气剂为铝粉;所述稳泡剂为三聚磷酸钠、和/或六偏磷酸钠。
7.根据权利要求6所述的矿用快硬无机充填支护材料,其特征在于:所述纤维为木质纤维、和/或聚丙烯纤维、和/或抗碱玻璃纤维。
8.—种权利要求7所述的矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤: (1)将硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份,加入试验磨中粉磨并混匀,然后加入纤维0.25-2份和A组分总重量0.8-2.0倍的水,得到浆液A ; (2)将石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份加入试验磨中粉磨并混匀,加入纤维0.25-2份和B组分总重量0.8-2.0倍的水,得到浆液B ; (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为30s〜5min。
9.根据权利要求8所述的矿用快硬无机充填支护材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤: (1)将硫铝酸盐水泥熟料10000g,XWZ-A型复合外加剂400g,引气剂5g,加气剂3g,稳泡剂50g,加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,然后加入10g纤维和IlOOOg水,得到浆液A; (2)将石膏8500g,生石灰1500g,XWZ-B型复合外加剂400g,引气剂5g,加气剂3g,稳泡剂.50g,加入试验磨中粉磨并混匀,比表面积达到200m2/kg,加入10g纤维和I 100g水,得到浆 液B; (3)将浆液A和浆液B按1:1体积比混合,通过双液注浆栗进行施工,所得材料凝结时间为2min。
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