CN110357465B - 一种注浆加固材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及巷道维护技术领域，具体公开一种注浆加固材料及其使用方法,所述注浆加固材料包括以下质量百分比的组分：高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料65‑75％、石膏10‑15％、石粉5‑10％、白灰6.5‑10％、纤维1‑3％和复合外加剂0.1‑0.5％，本发明的注浆加固材料稳定性好、机械强度高、凝结时间快、工艺要求低，可有效防止基材的进一步开裂。

Description

一种注浆加固材料及其使用方法

技术领域

本发明涉及巷道维护技术领域，尤其涉及一种注浆加固材料及其使用方法。

背景技术

在掘砌动压巷道时，处于原始应力场中的巷道遭受采动影响，会改变静压平衡状态，引起巷道围岩应力的多次重新分布，使巷道最初的静压平衡状态被打破，致使巷道围岩出现压力升高和显著变形，若巷道支护未能适应因采动影响引起的应力变化或未及时实施与之匹配的加固补强措施，则巷道将遭受不同程度的破坏，例如，巷道围岩变形、松动失稳，进而产生冒顶和片帮，使巷道正常安全运营遭受严重影响。对于留窄煤柱回采巷道，将经受多次采动影响，支护的强化加固难度极大，因此为满足生产要求，有必要对动压巷道围岩的控制做深入研究。

目前动压巷道围岩控制的方法多采用注浆加固，由于巷道围岩变形破坏是持续发展的，利用注浆加固材料充填与固结原有及新生的裂缝面，为巷道围岩的进一步稳定提供更好的围岩条件。

对于注浆加固来说注浆加固材料是非常重要的，注浆加固效果取决于注浆加固材料性能的好坏，目前常用的注浆加固材料分为三种，第一种是水泥或在水泥中掺加外加剂制成料浆，但其存在可溶性差、凝结时间长、控制困难等问题；第二种以水玻璃和水泥作为主料，进行双液注入，此种方法比水泥可溶性好，凝结时间段易控制，但结石强度低、工艺要求高；第三种为树脂型材料，结石强度高、膨胀率高，但其易燃、不稳定、机械化程度低。

发明内容

针对现有动压巷道围岩控制中用的注浆加固材料存在凝结时间难以控制、结石强度低、不稳定、机械强度低以及工艺要求高等问题，本发明提供一种注浆加固材料及其使用方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种注浆加固材料，包括以下质量百分比的组分：

高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料65-75％、石膏10-15％、石粉5-10％、白灰6.5-10％、纤维1-3％和复合外加剂0.1-0.5％。

相对于现有技术，本发明提供的注浆加固材料中的高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料本身具有较高的水化活性，可有效增加注浆加固材料的抗压和抗折强度，但是高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料中的贝利特矿物主要以β-C₂S晶型存在，水化相对较慢，加入一定含量的白灰后，即可有效稳定β-C₂S，同时又会引起贝利特晶格畸变，活化贝利特矿物，大大提高高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料水化活性速度，缩短材料凝结时间，提高注浆加固材料的早期强度，使其短时间内即可起到加固作用；另一方面，高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料水化过程中掺入一定含量的纤维后，高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料在会纤维表面附着硬化，形成具有高粘附性和高机械齿合力的抗开裂加固材料，且其与加固基材具有较强的贴合性能，可有效预防裂纹的继续延伸；

高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料水化过程中体积具有一定程度的收缩，易导致注浆加固材料与基材的脱离，而石膏加入后，遇水可增加固相体积，一定含量的石膏的加入，可刚好抵消高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料水化过程中收缩的体积，使材料的稳定性好、失水收缩性小；

石粉的加入可有效填充注浆加固材料遇水膨胀过程中产生的疏松结构的空隙，进一步增加材料的稳定性以及硬度，提高注浆加固材料的结石强度。

优选的，所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料由高硫型贝利特硫铝酸盐水泥生料在1250-1300℃下煅烧得到；所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料的比表面积为400-450m²/kg；和/或

所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料中贝利特的含量为45-50wt％，无水硫铝酸钙的含量为35-40wt％，铁铝酸四钙的含量≤10wt％，硫酸钙的含量≤10wt％。

粉磨至比表面积为400-450m²/kg的高硫型贝利特硫铝酸盐水泥具有更高的水化活性，提高了注浆加固材料的抗压、抗折强度。高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料中的硫酸钙是在上述熟料制备过程中伴随着熟料矿物的形成产生的，这种硫酸钙与通常情况下直接煅烧得到的石膏在溶解速率和水化活性方面都存在一定区别，其具有特殊的晶型结构，其能够显著提高注浆加固材料的早期强度，促进钙矾石的形成，保证注浆加固材料强度的发展。

优选的，所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥生料包括石灰石、铝矾土、粉煤灰、磷石膏和石膏，且细度≤0.01mm；所述生料中氧化铝的含量为45-55wt％。

优选的，所述石膏包含质量比为1:0.8-1.2的氟石膏和改性石膏，且石膏过80μm孔筛后，筛余量＜10％。

上述细度的石膏粉体，增大了氟石膏和改性石膏与水接触的比表面积，有利于石膏的溶解；添加的氟石膏对改性石膏的活性具有激发作用，一定量氟石膏的添加，可使改性石膏的凝结时间变短，进一步缩短注浆加固材料的最终凝结时间，当氟石膏与改性石膏按1:0.8-1.2配比混合时，石膏活性达到最佳状态。

优选的，所述氟石膏中CaF₂的含量为0.5-1wt％；所述改性石膏是将硬石膏与硬石膏质量的1-2％的五氧化二钒混合后，加热至100-200℃，煅烧2-3h，停止加热并保温2-3h。

改性石膏制备过程中，将硬石膏在低温下进行煅烧，有利于石膏晶体在加热和冷却过程中破碎为不完整的细小颗粒，提高了硬石膏的细度，而这种细度是机械粉磨达不到的，增大了改性石膏颗粒的比表面积，同时，低温煅烧后的硬石膏晶体颗粒体积相对较大，晶胞参数的增大使晶格变松散，晶粒间的空隙变大，呈膨胀和松弛的状态，有利于与水的接触，增大改性石膏的溶解程度，进一步加快注浆加固材料的水化过程；氟石膏在水化过程中由无水石膏转化为二水石膏，使水化体系固相体积增加，当氟石膏与改性石膏按1:0.8-1.2的质量比添加时，增加的固相体积刚好能抵消注浆加固材料水化过程中的体积收缩，使注浆加固材料具有更好的体积稳定性。

优选的，所述石粉是由砂子磨成的粉体，主要化学成分为SiO₂；所述石粉过80μm孔筛后，筛余量＜20％。

上述细度的石粉可以充分填充在注浆加固材料遇水形成的疏松结构中，增加材料的密度和硬度。

优选的，所述白灰中钙的质量含量≥80％；所述白灰过80μm孔筛后，筛余量＜10％。

优选的，所述纤维由质量比为20:1-1.5的钢纤维和PVA纤维组成；和/或

所述钢纤维的直径为0.4-0.5mm，长度为8-10mm；所述PVA纤维的比重为1.3-1.5g/cm³，直径为0.024-0.025mm，长度为6-8mm。

钢纤维和PVA纤维的结合加入可明显提高注浆加固材料的粘合强度，在基体有开裂倾向的初始阶段可有效抵抗裂缝的产生和发展，其对基体裂缝的控制率明显高于其它纤维及组合，大大提高了基体的稳定性。

比重为1.3-1.5g/cm³、直径为0.024-0.025mm的PVA纤维的拉升极限为6-8％、抗拉强度为800-1600MPa、弹性模量达到20GPa以上，且PVA纤维安全无毒、抗酸碱性高，加入注浆加固材料后可最大限度的提高对基体裂缝的控制率，使注浆加固材料对裂缝的控制率达到72％以上。

优选的，所述复合外加剂由质量比为1.5-2:0.8-1.2:0.8-1.2:3的木质素磺酸盐、硼酸、碳酸锂和碳酸钠组成。

纤维的加入增大了注浆加固材料加水后形成的料浆的粘度，搅拌阻力增加，同时也影响了纤维在料浆中的分散度，上述复合外加剂的加入可降低纤维的加入带来的粘度增加的影响，使料浆具有良好的流动性，减少搅拌阻力，提高纤维在料浆中的均匀性，同时，添加的复合外加剂的组合还能促进料浆中钙矾石等水化物的生成速度，改变颗粒的絮凝结构，释放颗粒中的结合水，增加自由水量，降低凝结速度，使原料间能充分反应，降低工艺要求。

本发明还提供所述注浆加固材料的使用方法，至少包括以下步骤：将注浆加固材料与水按质量比为5:4-4.5混合均匀，搅拌成浆状，输送进入需加固的裂缝中，凝结加固。

相对于现有技术，本发明提供的注浆加固材料的使用方法中，将注浆加固材料与水按一定比例混合，使材料中的高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料、复合石膏和白灰发生水化反应，水化产物的结晶体主要是钙矾石，钙矾石大量吸收周围水分变为本身的结晶水，在结晶过程中由于结晶动力大于胶体聚集力，所以水化结晶体逐渐伸向体系的胶体颗粒之中，晶粒逐渐长大，胶粒逐渐缩小，最后形成为一个坚固的钙矾石网状骨架，使浆体快速硬化，形成具有高强度、抗开裂和抗压性能好的基体加固材料，使用方法简单、工艺要求低。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种注浆加固材料，包括以下质量百分比的组分：

高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料65％、石膏15％、石粉10％、白灰8.9％、纤维1％和复合外加剂0.1％。

其中，高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料的制备方法为：将包含石灰石、铝矾土、粉煤灰、磷石膏和天然石膏的生料混合后经过破碎、均化，并粉磨至平均细度≤0.01mm；通过五级预热器对生料进行预热后，进入回转窑进行煅烧，煅烧温度为1250℃，保温时间为30min；煅烧完成后，采用风吹快冷的方式进行物料的冷却，粉磨至比表面积为400m²/kg，得到高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料；生料中氧化铝的含量为45wt％；高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料中贝利特的含量为45wt％，无水硫铝酸钙的含量为35wt％，铁铝酸四钙的含量为10wt％，硫酸钙的含量为10wt％；

石膏由质量比为1:0.8的氟石膏和改性石膏组成的复合石膏粉体，复合石膏粉体过80μm孔筛后，筛余量为8％；所述氟石膏中CaF₂的含量为0.5wt％；所述改性石膏是将硬石膏与硬石膏质量的1％的五氧化二钒混合后，在100℃下煅烧3h，停止加热后，保温3h得到；

石粉是由砂子磨成的粉体，主要化学成分为SiO₂；石粉过80μm孔筛后，筛余量为15％；

白灰中钙的质量含量为80％；白灰过80μm孔筛后，筛余量为8％；

纤维由质量比为20:1的钢纤维和PVA纤维组成；钢纤维的直径为0.4mm，长度为8mm；PVA纤维的比重为1.3g/cm³，直径为0.024mm，长度为6mm。

复合外加剂由质量比为1.5:0.8:0.8:3的木质素磺酸盐、硼酸、碳酸锂和碳酸钠组成。

上述述注浆加固材料的使用方法包括以下步骤：

将注浆加固材料与水按质量比为5:4加入搅拌桶中混合均匀，搅拌成料浆；搅拌桶与注浆泵通过管路连接，注浆泵将料浆通过输浆管输送至断面，输浆管与注射枪连接，注射枪与事先安装在钻孔内的注浆管连接，最终注射枪将料浆打压进裂缝内，完成加固过程。

实施例2

一种注浆加固材料，包括以下质量百分比的组分：

高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料70％、石膏12％、石粉6％、白灰10％、纤维1.7％和复合外加剂0.3％。

其中，高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料的制备方法为：将包含石灰石、铝矾土、粉煤灰、磷石膏和天然石膏的生料混合后经过破碎、均化，并粉磨至平均细度≤0.01mm；通过五级预热器对生料进行预热后，进入回转窑进行煅烧，煅烧温度为1270℃，保温时间为30min；煅烧完成后，采用风吹快冷的方式进行物料的冷却，粉磨至比表面积为420m²/kg，得到高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料；生料中氧化铝的含量为50wt％；高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料中贝利特的含量为45wt％，无水硫铝酸钙的含量为40wt％，铁铝酸四钙的含量为10wt％，硫酸钙的含量为5wt％；

石膏由质量比为1:1的氟石膏和改性石膏组成的复合石膏粉体，复合石膏粉过80μm孔筛后，筛余量为6％；所述氟石膏中CaF₂的含量为0.8wt％；所述改性石膏是将硬石膏与硬石膏质量的1.5％的五氧化二钒混合后，在150℃下煅烧2.5h，停止加热后，保温2h得到；

石粉是由砂子磨成的粉体，主要化学成分为SiO₂；石粉过80μm孔筛后，筛余量为17％；

白灰中钙的质量含量为80％；白灰过80μm孔筛后，筛余量为5％；

纤维由质量比为20:1.2的钢纤维和PVA纤维组成；钢纤维的直径为0.5mm，长度为9mm；PVA纤维的比重为1.4g/cm³，直径为0.025mm，长度为8mm。

复合外加剂由质量比为2:1:1:3的木质素磺酸盐、硼酸、碳酸锂和碳酸钠组成。

上述述注浆加固材料的使用方法包括以下步骤：

将注浆加固材料与水按质量比为5:4.5加入搅拌桶中混合均匀，搅拌成料浆；搅拌桶与注浆泵通过管路连接，注浆泵将料浆通过输浆管输送至断面，输浆管与注射枪连接，注射枪与事先安装在钻孔内的注浆管连接，最终注射枪将料浆打压进裂缝内，完成加固过程。

实施例3

一种注浆加固材料，包括以下质量百分比的组分：

高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料75％、石膏10％、石粉5％、白灰6.5％、纤维3％和复合外加剂0.5％。

其中，高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料的制备方法为：将包含石灰石、铝矾土、粉煤灰、磷石膏和天然石膏的生料混合后经过破碎、均化，并粉磨至平均细度≤0.01mm；通过五级预热器对生料进行预热后，进入回转窑进行煅烧，煅烧温度为1300℃，保温时间为30min；煅烧完成后，采用风吹快冷的方式进行物料的冷却，粉磨至比表面积为450m²/kg，得到高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料；生料中氧化铝的含量为55wt％；高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料中贝利特的含量为50wt％，无水硫铝酸钙的含量为40wt％，铁铝酸四钙的含量为5wt％，硫酸钙的含量为5wt％；

石膏由质量比为1:1.2的氟石膏和改性石膏组成的复合石膏粉体，复合石膏粉体过80μm孔筛后，筛余量为7％；所述氟石膏中CaF₂的含量为1wt％；所述改性石膏是将硬石膏与硬石膏质量的2％的五氧化二钒混合后，在200℃下煅烧2h，停止加热后，保温2h得到；

石粉是由砂子磨成的粉体，主要化学成分为SiO₂；石粉过80μm孔筛后，筛余量为19％；

白灰中钙的质量含量为80％；白灰过80μm孔筛后，筛余量为9％；

纤维由质量比为20:1.5的钢纤维和PVA纤维组成；钢纤维的直径为0.5mm，长度为10mm；PVA纤维的比重为1.5g/cm³，直径为0.024mm，长度为8mm。

复合外加剂由质量比为2:1.2:1.2:3的木质素磺酸盐、硼酸、碳酸锂和碳酸钠组成。

上述注浆加固材料的使用方法包括以下步骤：

将注浆加固材料与水按质量比为5:4.5加入搅拌桶中混合均匀，搅拌成料浆；搅拌桶与注浆泵通过管路连接，注浆泵将料浆通过输浆管输送至断面，输浆管与注射枪连接，注射枪与事先安装在钻孔内的注浆管连接，最终注射枪将料浆打压进裂缝内，完成加固过程。

对实施例1-3所述的注浆加固材料的凝结时间及凝结不同时间后的单轴抗压强度进行检测，检测结果如下表所示：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种注浆加固材料，其特征在于：包括以下质量百分比的组分：

高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料65-75％、石膏10-15％、石粉5-10％、白灰6.5-10％、纤维1-3％和复合外加剂0.1-0.5％；

所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料中贝利特的含量为45-50wt％，无水硫铝酸钙的含量为35-40wt％，铁铝酸四钙的含量≤10wt％，硫酸钙的含量≤10wt％；

所述石膏包含质量比为1:0.8-1.2的氟石膏和改性石膏，且石膏过80μm孔筛后，筛余量＜10％；所述氟石膏中CaF₂的含量为0.5-1wt％；所述改性石膏是将硬石膏与硬石膏质量的1-2％的五氧化二钒混合后，加热至100-200℃，煅烧2-3h，停止加热并保温2-3h；

所述纤维由质量比为20:1-1.5的钢纤维和PVA纤维组成；所述钢纤维的直径为0.4-0.5mm，长度为8-10mm；所述PVA纤维的比重为1.3-1.5g/cm³，直径为0.024-0.025mm，长度为6-8mm；

所述复合外加剂由质量比为1.5-2:0.8-1.2:0.8-1.2:3的木质素磺酸盐、硼酸、碳酸锂和碳酸钠组成。

2.如权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料由高硫型贝利特硫铝酸盐水泥生料在1250-1300℃下煅烧得到；所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料的比表面积为400-450m²/kg。

3.如权利要求2所述的注浆加固材料，其特征在于：所述高硫型贝利特硫铝酸盐水泥生料包括石灰石、铝矾土、粉煤灰、磷石膏和石膏，且细度≤0.01mm；所述生料中氧化铝的含量为45-55wt％。

4.如权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：所述石粉是由砂子磨成的粉体，其过80μm孔筛后，筛余量＜20％。

5.如权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：所述白灰中钙的质量含量≥80％；所述白灰过80μm孔筛后，筛余量＜10％。

6.权利要求1-5任一项所述的注浆加固材料的使用方法，其特征在于：将注浆加固材料与水按质量比为5:4-4.5混合均匀，搅拌成浆状，输送进入需加固的裂缝中，凝结加固。