CN114988821A - 一种低热早强水泥基材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿材料工程技术领域，具体来说是一种低热早强水泥基材料及其制备方法和应用，低热早强水泥基材料由如下重量份数的原料制成：水泥70‑100份、干扰剂0.2‑1份、导热填料5‑8份、相变材料15‑30份、掺合料10‑15份、减水剂0.1‑0.5份、骨料100‑200份、水21‑40份。本发明采用水泥、干扰剂、导热填料、相变材料、掺合料和减水剂制得低热早强水泥基材料，低热早强水泥基材料的温度峰值低于煤炭自燃临界温度值，内外温差不至于产生温度裂缝，且早期强度较高可给予巷道足够的支撑力，因此能够被应用于制备矿用水泥基材料中。

Description

一种低热早强水泥基材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及煤矿材料工程技术领域，具体涉及一种低热早强水泥基材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前矿用有机胶凝材料，以聚氨酯为例，当煤岩层裂隙发育较大或存在空洞时，注浆材料会大量聚集，其化学反应过程中释放的高热量，将使其内部温度升高至150℃左右或者更高，有时甚至高达200℃，温度过高则将会导致有机胶凝材料发生自燃。有机胶凝材料在矿井下都是通过掺入阻燃剂来实现阻燃要求，但是这些阻燃剂都是含高氯离子类化学物质，一旦材料发生高温冒烟或着火，高含氯离子的化学物质燃烧后会生成有害气体，导致井下工人佩戴的呼救器失效，进而发生更大的潜在人员安全事故。

矿用水泥基材料由于自身优异的阻燃性能，在煤矿下拥有广阔的应用前景。而目前无机材料在浇筑后，首先由于体积过大，使得材料内部的温度与表面温度差别太大，从而产生温度应力，当温度应力超过抗拉强度时，使表面发生开裂，继而改变结构的受力条件，导致局部甚至整体发生破坏；其次，无机早强材料虽能有效得达到早期支撑强度，但其早期放热量高，应用于巷道支护时散热条件不足，高热量堆积易导致硬化过程中温度裂缝的产生，从而降低了其在煤矿巷道中的服役寿命；最后，矿区地下水阴离子主要以硫酸根和氯离子为主，由于温度应力产生了裂缝，阴离子更易导致胶凝材料的开裂与损坏。

水泥基材料的低热与早强是一个矛盾点，一般来说，水泥早期水化热越高，强度发展越快，降低早期水化热必定对早期强度产生影响，无法给结构提供迅速有效的支护强度；但水化热过高的话，又会导致温度裂缝，从而影响支护结构的耐久性。综上所述，在煤矿掘进过程中，急需早强胶凝材料提供支护作用，而无机早强胶凝材料早期温度聚集导致材料开裂，影响服役寿命；有机材料凝结时间短，早强强度高，但其温度峰值高，远超煤炭自燃临界温度60℃，易造成自燃，引起瓦斯爆炸等危害。

因此需要一种用于煤矿的低热早强水泥基材料，其水泥基材料温度峰值需低于煤炭自燃临界温度值，内外温差较小不至于产生温度裂缝，早期强度较高可给予巷道足够的支撑力。继而通过低热早强水泥基材料的使用，保证煤矿下施工人员的安全性，拓宽矿下工程材料的适用性，加快施工的可操作性，减少安全隐患，具有非常重要的经济意义，对于无机材料在煤矿下快速支护的推广具有显著的社会意义。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供了一种低热早强水泥基材料及其制备方法和应用，本发明采用水泥、干扰剂、导热填料、相变材料、掺合料和减水剂制得低热早强水泥基材料，低热早强水泥基材料的温度峰值低于煤炭自燃临界温度值，内外温差不至于产生温度裂缝，且早期强度较高可给予巷道足够的支撑力，因此能够被应用于制备矿用水泥基材料中。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种低热早强水泥基材料，其特征在于，由如下重量份数的原料制成：水泥70-100份、干扰剂0.2-1份、导热填料5-8份、相变材料15-30份、掺合料10-15份、减水剂0.1-0.5份，骨料100-200份、水21-40份；

其中，水泥选自早强类水泥，干扰剂选自螯合剂、缓凝剂中的一种或两种，掺合料选自活性掺合料、非活性掺合料中的一种或两种。

优选的，所述水泥选自铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、双快硅酸盐水泥中的一种或几种，水泥选自早强类水泥，可保证水泥基材料基础强度。

优选的，所述螯合剂选自多磷酸盐、三磷酸钠、纯碱、乙二胺四乙酸二钠盐、氨三乙酸钠盐、乙酰丙酮、多胺中的一种或多种；螯合剂主要螯合金属离子，比如钙、铝和铁等，从而影响水泥反应速率；

所述缓凝剂选自酒石酸、硼砂、硼酸、磷酸二钠、硫酸亚铁中的一种或几种，缓凝剂会吸附于固体颗粒表面，延缓水泥和浆体结构的形成。

优选的，所述导热填料选自氮化铝、氧化锌、碳粉、氧化镁、石墨中的一种或几种。

优选的，所述相变材料选自三水氯化锂、四水氟化钾、十水硫酸钠、六水硝酸锌、四水硝酸钾、三水醋酸钠、六水氯化镁、氯化石蜡、硬脂酸、月桂酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、新戊二醇、季戊四醇中的一种或几种。

优选的，所述活性掺合料选自粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、偏高岭土、硅灰中的一种或几种，活性掺合料可降低水泥用量，并生成具有胶凝能力的水化产物；所述非活性掺合料选自石灰石、磨细石英砂、重质碳酸钙中的一种或几种，非活性掺合料可降低水泥用量，并在水泥中起到填充作用。

优选的，所述减水剂选自萘系减水剂、聚羧酸减水剂、三聚氰胺减水剂中的一种或几种，减水剂可改善水泥基材料流动性，保证工作性能。

本发明还保护了低热早强水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量份数称取原料：水泥70-100份、干扰剂0.2-1份、导热填料5-8份、相变材料15-30份、掺合料10-15份、减水剂0.1-0.5份，骨料100-200份、水21-40份，备用；

(2)将水泥、干扰剂、导热填料、相变材料与掺合料依次加入搅拌机，并搅拌混合均匀，然后向其中加入骨料与减水剂的混合物，再向其中加水，混合后得到低热早强水泥基材料；

其中，骨料与水泥质量比为2:1；水泥与水的质量比为1：0.3-0.4。

本发明还保护了低热早强水泥基材料在制备矿用水泥基材料中的应用。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明公开了一种低热早强水泥基材料，包括速凝水泥、干扰剂、导热填料、相变材料、掺合料与减水剂。水泥为早强类，可保证水泥基材料基础强度；干扰剂影响水泥水化，影响水泥水化历程，降低水化热峰值；导热填料有利于基体材料沿各维度散热，且均匀分散，避免温度聚集；相变材料的主要作用是将发热材料产生的热量通过相变的形式储存起来，当浆体温度低于某一个阈值时释放，使温度处于合理的范围；掺合料可降低水泥用量，并在体系后期起到胶凝或填充作用；减水剂可保证水泥基材料流动性，且通过影响水泥反应，减弱水化波峰；将上述材料充分混合后，引入骨料与水，制成低热早强水泥基材料，保证水泥基材料拥有较高的小时强度，降低温度峰值比例可达20％以上，拓宽了水泥基材料在实际施工的使用范围。

2、本发明公开一种低热早强水泥基材料的制备方法，将水泥、干扰剂、导热填料、相变材料、掺合料、减水剂与骨料加入搅拌机混合，最后加入合理水灰比的用水量制成低热早强水泥基材料，方法流程简单易实现，实现了矿用水泥基材料低热与早强的共同目标，拓宽了水泥基材料在巷道中的应用，避免了温度裂缝的产生，同时早期提供亟需的支撑力，加快了施工的进程，具有非常重要的经济意义。

3、本发明制得的低热早强水泥基材料保证了在常规喷射厚度7cm-10cm时，温度峰值低于煤炭自燃临界温度60℃，同时减弱内部与表面温度差值，降低温度裂缝产生的可能性，早期强度2h达到15MPa，4h达到20MPa，提供早期足够的支撑力，拓宽其在实际施工中的运用。

附图说明

图1是本发明实施例1以硫铝酸盐水泥为胶凝材料制备的低热早强水泥基材料温度曲线图；

图2是本发明实施例2以铝酸盐水泥为胶凝材料制备的低热早强水泥基材料温度曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1

一种低热早强水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

水泥：硫铝酸盐水泥70份；

干扰剂：纯碱0.1份、酒石酸0.1份；

导热填料：氧化镁3份、石墨2份；

相变材料：月桂酸5份、氯化石蜡10份；

掺合料：粉煤灰5份、石灰石5份；

减水剂：萘系减水剂0.1份；

骨料：140份；

水：21份；

(1)按规定重量份数称取各组分原料；

(2)将水泥、干扰剂、导热填料、相变材料与掺合料依次缓慢加入搅拌机，搅拌机转速为400/min，搅拌10min；

(3)称取骨料，骨料与水泥质量为2:1，将骨料与减水剂混合后加入搅拌机，搅拌机转速为200r/min，搅拌5min；

(4)向步骤(3)的混合物中加水，并继续搅拌3min，得到低热早强水泥基材料；

其中，水泥与水的质量比为1：0.3。

实施例2

一种低热早强水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

水泥：铝酸盐水泥100份；

干扰剂：多磷酸盐0.5份、硼砂0.5份；

导热填料：氧化锌2份、碳粉6份；

相变材料：硬脂酸20份、氯化石蜡10份；

掺合料：硅灰10份、重质碳酸钙5份；

减水剂：聚羧酸减水剂0.5份；

骨料：200份；

水：40份；

(1)按规定重量份数称取各组分原料；

(2)将水泥、干扰剂、导热填料、相变材料与掺合料依次缓慢加入搅拌机，搅拌机转速为800r/min，搅拌15min；

(3)称取骨料，骨料与水泥质量为2:1，将骨料与减水剂混合后加入搅拌机，搅拌机转速为400r/min，搅拌10min；

(4)向步骤(3)的混合物中加水，并继续搅拌5min，得到低热早强水泥基材料；

其中，水泥与水的质量比为1：0.4。

实施例3

一种低热早强水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

水泥：铝酸盐水泥80份；

干扰剂：纯碱0.3份、硼酸0.3份；

导热填料：氮化铝2份、氧化镁4份；

相变材料：十水硫酸钠10份、聚乙二醇10份；

掺合料：偏高岭土8份、磨细石英砂5份；

减水剂：三聚氰胺减水剂0.3份；

骨料：160份；

水：28份；

(1)按规定重量份数称取各组分原料；

(2)将水泥、干扰剂、导热填料、相变材料与掺合料依次缓慢加入搅拌机，搅拌机转速为600r/min，搅拌12min；

(3)称取骨料，骨料与水泥质量为2:1，将骨料与减水剂混合后加入搅拌机，搅拌机转速为300r/min，搅拌8min；

(4)向步骤(3)的混合物中加水，并继续搅拌4min，得到低热早强水泥基材料；

其中，水泥水的质量比为1：0.35。

下面以实施例1-2的低热早强水泥基材料为例，进行体积温度的测定，具体测定方法和结果如下所示：

将实施例1的低热早强水泥基材料，按照《煤矿加固煤岩体用高分子材料》(AQ/T1089-2020)中方法测试其体积温度，温度曲线见附图1，在常规喷射厚度7-10cm时，温度峰值为58.4℃，低于煤炭自燃临界温度，且纯硫铝酸盐水泥基材料温度峰值为75.5℃，降低温度峰值为22.6％，并测试2h抗压强度可达20.01MPa，4h抗压强度可达25.48MPa。

将实施例2的低热早强水泥基材料，按照《煤矿加固煤岩体用高分子材料》(AQ/T1089-2020)中方法测试其体积温度，温度曲线见附图2，在常规喷射厚度7-10cm时，温度峰值为59.2℃，低于煤炭自燃临界温度，且铝酸盐水泥基材料温度峰值为78.4℃，降低温度峰值为24.5％，并测试2h抗压强度可达21.43MPa，4h抗压强度可达26.75MPa。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种低热早强水泥基材料，其特征在于，由如下重量份数的原料制成：水泥70-100份、干扰剂0.2-1份、导热填料5-8份、相变材料15-30份、掺合料10-15份、减水剂0.1-0.5份，骨料100-200份、水21-40份；

其中，水泥选自早强类水泥，干扰剂选自螯合剂、缓凝剂中的一种或两种，掺合料选自活性掺合料、非活性掺合料中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的一种低热早强水泥基材料，其特征在于，所述水泥选自铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、双快硅酸盐水泥中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种低热早强水泥基材料，其特征在于，所述螯合剂选自多磷酸盐、三磷酸钠、纯碱、乙二胺四乙酸二钠盐、氨三乙酸钠盐、乙酰丙酮、多胺中的一种或多种；

所述缓凝剂选自酒石酸、硼砂、硼酸、磷酸二钠、硫酸亚铁中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种低热早强水泥基材料，其特征在于，所述导热填料选自氮化铝、氧化锌、碳粉、氧化镁、石墨中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种低热早强水泥基材料，其特征在于，所述相变材料选自三水氯化锂、四水氟化钾、十水硫酸钠、六水硝酸锌、四水硝酸钾、三水醋酸钠、六水氯化镁、氯化石蜡、硬脂酸、月桂酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、新戊二醇、季戊四醇中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种低热早强水泥基材料，其特征在于，所述活性掺合料选自粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、偏高岭土、硅灰中的一种或几种，所述非活性掺合料选自石灰石、磨细石英砂、重质碳酸钙中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的一种低热早强水泥基材料，其特征在于，所述减水剂选自萘系减水剂、聚羧酸减水剂、三聚氰胺减水剂中的一种或几种。

8.一种权利要求1-7任一项所述低热早强水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量份数称取原料：水泥70-100份、干扰剂0.2-1份、导热填料5-8份、相变材料15-30份、掺合料10-15份、减水剂0.1-0.5份，骨料100-200份、水21-40份，备用；

(2)将水泥、干扰剂、导热填料、相变材料与掺合料依次加入搅拌机，并搅拌混合均匀，然后向其中加入骨料与减水剂的混合物，再向其中加水，混合后得到低热早强水泥基材料；

其中，骨料与水泥质量比为2:1；水泥与水的质量比为1：0.3-0.4。

9.一种权利要求1所述的低热早强水泥基材料在制备矿用水泥基材料中的应用。

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