CN116498377B - 一种仿生结构胶结充填材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生结构胶结充填材料及其制备方法与应用，属于胶结充填材料的结构改性方法及超高吸能特性土木材料研发领域，该仿生结构胶结充填材料包括仿生蜂窝骨架和胶结充填浆料，所述胶结充填浆料浇筑在仿生蜂窝骨架内。本发明解决了当前普遍应用胶结充填材料易受脆性破坏、难以适应深地工程高应力条件的瓶颈难题，从结构改性的新视角，提供了一种仿生结构胶结充填材料，具有应变硬化与超高吸能特性，可以有效抵抗深部高应力围岩的长时作用。
Description
技术领域
本发明属于胶结充填材料的结构改性方法及超高吸能特性土木材料研发领域，特别是涉及一种仿生结构胶结充填材料及其制备方法与应用。
背景技术
煤炭地下开采中留设的煤柱极大地浪费了煤炭资源，且随着煤矿开采逐渐走向地球深部，煤柱宽度增大、集中应力增强、煤帮变形加剧，进一步影响煤炭回收，还会引发巷道围岩灾害，对煤炭资源可持续开发造成严重危害。
无煤柱沿空留巷巷旁充填技术是解决深部地压、维护巷道稳定、减少巷道掘进支护成本和煤炭损失的关键技术，利用矸石生产胶结充填材料可以实现废物源头减量减害，有利于煤矿安全绿色高效开采。
巷旁胶结充填材料具有支护阻力大、增阻速度快和机械化程度高等突出优点，目前得到了广泛应用，但其能否安全稳定留巷并解决上述难题，取决于胶结充填材料的力学特性。
目前针对强化胶结充填材料的力学特性主要遵从两个基本思路，一是使材料内部孔隙结构致密化，二是增强胶结基质和界面过渡区，所涉及方法包括优化骨料粒径分布、胶结材料种类和用量以及使用辅助添加剂等，工程现场还会使用锚杆索支护对充填体进一步进行加固。但上述方法均未能改变胶结充填材料与充填体结构在力学响应上表现为应变软化的根本局限。在深部高应力作用下，巷道围岩变形持续增大，胶结充填材料与充填体结构的这种脆性破坏极大地劣化了围岩稳定性，造成经济损失和人员伤亡。
工程上使用胶结充填材料搭配锚杆支护构筑胶结充填体，常用两种强化方法：1.增强胶结充填材料；2.增强支护。上述方法虽然提高了强度，但仍无法解决高应力作用下胶结充填材料的脆性破坏难题。在上覆岩层的长时间作用下，胶结充填材料承载变形，不仅要求其具有足够的强度，也对其变形性能有较高的要求。
因此，本领域亟需一种高应力下能够克服脆性破坏问题的胶结充填材料。
发明内容
基于上述问题，本发明从结构改性的新视角，提出应变硬化吸能胶结充填材料，从根本上突破了传统材料难以适用深部高应力的难题，保障巷旁充填沿空留巷围岩稳定，并进一步促进矸石等大宗固废的功能化资源化利用。当前易脆性破坏的胶结充填材料无法满足足够的强度和较高的变形性能要求。
本发明提出了结构改性方法，并公开了一种仿生结构胶结充填材料，采用3D打印仿生蜂窝骨架，然后在骨架内部浇筑胶结充填浆料，该材料是一种仿生吸能胶结充填材料，具有优越的吸能特性，弥补了当前材料的不足并解决了工程中存在问题，该结构改性通过仿生自然界最优二维拓扑蜂窝结构实现应变硬化与超高吸能特性，从根本上解决了深部高应力作用下巷旁充填围岩稳定控制难题。
本发明提供了一种仿生结构胶结充填材料，包括仿生蜂窝骨架和胶结充填浆料，所述胶结充填浆料浇筑在仿生蜂窝骨架内。
进一步地，所述仿生蜂窝骨架中蜂窝单元中孔边长为24～60mm，相邻蜂窝层间距为6.25～25mm，蜂窝支架直径为1.5mm；所述仿生蜂窝骨架的材质选自树脂、尼龙或铝合金。
进一步地，所述胶结充填材料由以下质量份原料制备：水泥300～500份、粉煤灰100～150份、尾砂400～500份、矸石粉400～500份、木质纳米纤维0.5～1.0份、减水剂5～25份、复合碱激发剂5～30份、硅灰50～100份、水300～500份。
所述尾砂为选矿尾料，所述矸石粉为细磨泥质矸石。为了消除碱骨料危害，尾砂比表面积高于500m2/kg，矸石粉比表面积高于200m2/kg。
为了便于地下运输，提高浆料流动性，本发明未采用大粒径骨料，而是选择粒径小于5mm的矸石。
所述粉煤灰为P级超细粉煤灰，其中CaO含量达到8％以上，比表面积高于500m2/kg，利于长期碱活化效应。
所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，有利于增强浆料流动性的同时降低浆料中水的含量。
本发明使用的水泥为复合硅酸盐32.5水泥，成本低廉。本发明选用的木质纳米纤维同专利CN 114149226 A中木质纳米纤维，木质纳米纤维水溶性好，使用过程中无需超声分散，也无需额外加入分散剂即可分散均匀，其作用是强化胶结基质与3D打印仿生蜂窝骨架间的界面粘结，桥接胶结基质与3D打印蜂窝骨架间的胶结界面；木质纳米纤维作为胶结基质与3D打印蜂窝骨架间水化反应成核位点，加速水化产物的生成以粘结该界面。
更进一步地，所述复合碱激发剂由碳酸钠、硅酸钠和氢氧化钙以质量比1∶1∶2组成，在确保充分碱激发反应环境中相关组分的同时，还能够补充额外钙源。
本发明还提供了一种仿生结构胶结充填材料的制备方法，包括以下步骤：在仿生蜂窝骨架内浇筑胶结充填浆料。
进一步地，所述仿生蜂窝骨架的制备方法为：
S1.使用三维建模软件设计多孔蜂窝结构,设置蜂窝单元中孔边长和相邻蜂窝层间距控制多孔蜂窝结构；
S2.以0.1mm的精度打印多孔蜂窝结构；
S3.通过光固化3D打印得到仿生蜂窝骨架。
进一步地，所述胶结充填浆料的制备方法为：
将木质纳米纤维、减水剂、复合碱激发剂和水混合5min，以300rpm搅拌均匀后，加入粉煤灰、尾砂和矸石粉后，以500rpm搅拌30min，最后加入水泥和硅灰，以500rpm搅拌5min，得到胶结充填材料。
本发明还提供了一种仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
本发明还提供了所述仿生结构胶结充填材料的制备方法制得的仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
本发明的有益效果：
1)从材料上，本发明解决了当前普遍应用胶结充填材料易脆性破坏、难以适应深地工程高应力条件的瓶颈难题，从结构改性的新视角，提供了一种仿生结构胶结充填材料，是一种仿生吸能胶结充填材料，具有应变硬化与超高吸能特性，可以有效抵抗深部高应力围岩的长时作用。
2)从工程上，本发明摒弃以往施工作业量大、成本高的传统胶结充填材料搭配锚杆支护构件来构筑巷旁胶结充填体的方法，采用3D打印仿生蜂窝骨架，然后在骨架内部浇筑胶结材料，提出仿生吸能胶结充填材料的一体化构筑的方法，实现了巷旁充填沿空留巷的快速成功构筑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的仿生蜂窝骨架的蜂窝单元中孔边长从左向右依次为60、48、36、24mm的结构示意图；
图2为本发明中仿生蜂窝骨架的相邻蜂窝层间距为从左向右依次为25、12.5、8.33、6.25mm的结构示意图；
图3为实施例2所得仿生结构胶结充填材料示意图；
图4为实施例1所得胶结充填浆料以及实施例2-4所得仿生吸能胶结充填材料力学-能量测试结果对比图，其中(a)为应力-应变对比图，(b)为能量-应变对比图；
图5为对比例1所得普通胶结充填浆料和实施例2和3所得仿生结构胶结充填材料宏观破坏特征对比图，其中(a)为对比例1中普通胶结充填浆料的宏观破坏效果照片，(b)为实施例2和3的仿生结构胶结充填材料宏观破坏效果照片。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明提供了一种仿生结构胶结充填材料，包括仿生蜂窝骨架和胶结充填浆料，所述胶结充填浆料浇筑在仿生蜂窝骨架内。
为了便于胶结充填浆料的浇筑，需要对蜂窝单元中孔边长和相邻蜂窝层间距进行设置，用于控制多孔蜂窝结构，通过蜂窝单元中孔边长控制蜂窝孔大小，通过相邻蜂窝层间距控制蜂窝层空间密度。当蜂窝单元中孔边长过大，蜂窝孔过大，造成蜂窝结构粗疏，力学硬化及吸能作用大大降低；当蜂窝单元中孔边长过小，会造成蜂窝孔过小，造成浆料浇筑困难及内部气泡劣化；当相邻蜂窝层间距过大，蜂窝层空间密度过低，造成内部蜂窝结构失效，无法形成吸能骨架；当相邻蜂窝层间距过小，蜂窝层空间密度过大，造成吸能效果不明显及材料浪费。
因此，在一些优选实施例中，所述仿生蜂窝骨架中蜂窝单元中孔边长为24～60mm，相邻蜂窝层间距为6.25～25mm，蜂窝支架直径为1.5mm。
图1为本发明中仿生蜂窝骨架的蜂窝单元中孔边长从左向右依次为60、48、36、24mm的结构示意图；图2为本发明中仿生蜂窝骨架的相邻蜂窝层间距从左向右依次为25、12.5、8.33、6.25mm的结构示意图。
由于仿生蜂窝骨架的材质对骨架韧性、胶结充填浆料和骨架间的界面粘结性能以及仿生结构胶结充填材料的吸能特性均会产生影响，因此宜选择抗拉强韧、表面粗糙、与碱性胶结充填浆料匹配性好的材料，因此本发明的一些优选实施例中仿生蜂窝骨架的材质选自树脂、尼龙或铝合金。
在本发明的一些优选实施例中，所述胶结充填材料由以下质量份原料制备：水泥300～500份、粉煤灰100～150份、尾砂400～500份、矸石粉400～500份、木质纳米纤维0.5～1.0份、减水剂5～25份、复合碱激发剂5～30份、硅灰50～100份、水300～500份。
在本发明的一些优选实施例中，所述复合碱激发剂由碳酸钠、硅酸钠和氢氧化钙以质量比1∶1∶2组成。
本发明实施例还提供了一种仿生结构胶结充填材料的制备方法，包括以下步骤：在仿生蜂窝骨架内浇筑胶结充填浆料。
在本发明的一些优选实施例中，所述仿生蜂窝骨架的制备方法为：
S1.使用三维建模软件设计多孔蜂窝结构,设置蜂窝单元中孔边长和相邻蜂窝层间距控制多孔蜂窝结构；
S2.以0.1mm的精度打印多孔蜂窝结构；
S3.通过光固化3D打印得到仿生蜂窝骨架。
在本发明的一些优选实施例中，所述胶结充填浆料的制备方法为：
将木质纳米纤维、减水剂、复合碱激发剂和水混合5min，以300rpm搅拌均匀后，加入粉煤灰、尾砂和矸石粉后，以500rpm搅拌30min，最后加入水泥和硅灰，以500rpm搅拌5min，得到胶结充填材料。
本发明实施例还提供了一种仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
本发明实施例还提供了上述制备方法制得的仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
本发明实施例中的水泥为复合硅酸盐32.5水泥；减水剂为高效聚羧酸减水剂。
本发明实施例中所用“份”若无特殊说明均为“重量份数”。
实施例1
胶结充填浆料的制备
S1.将1份木质纳米纤维、5份减水剂、20份复合碱激发剂(由碳酸钠、硅酸钠和氢氧化钙以质量比1∶1∶2组成)、500份水混合，以300rpm搅拌5min，得到混合物1；
S2.向混合物1中依次加入100份粉煤灰、500份尾砂、1000份矸石粉，以500rpm高速搅拌30min，得到混合物2；
S3.将混合物2与500份水泥、100份硅灰混合，以500rpm高速搅拌5min，制得胶结充填浆料。
实施例2
一种仿生吸能胶结充填材料的制备方法
3D打印仿生蜂窝骨架
S1.使用三维建模软件设计多孔蜂窝结构，设置蜂窝单元中孔边长为60mm和相邻蜂窝层间距为25mm；
S2.设定蜂窝支架的直径为1.5mm，以0.1mm的精度，使用树脂打印多孔蜂窝结构；
S3.通过光固化3D打印得到仿生蜂窝骨架。
将实施例1所得胶结充填浆料浇筑到上述仿生蜂窝骨架中，养护28天(温度25℃，湿度95％)得到一种仿生吸能胶结充填材料，图3为本实施例所得仿生结构胶结充填材料示意图。
实施例3
一种仿生吸能胶结充填材料的制备方法
3D打印仿生蜂窝骨架
S1.使用三维建模软件设计多孔蜂窝结构，设置蜂窝单元中孔边长为24mm和相邻蜂窝层间距控制为8.5mm；
S2.设定蜂窝支架的直径为1.5mm，以0.1mm的精度，使用树脂打印多孔蜂窝结构；
S3.通过光固化3D打印得到仿生蜂窝骨架。
将实施1所得胶结充填浆料浇筑到上述仿生蜂窝骨架中，得到一种仿生吸能胶结充填材料。
实施例4
一种仿生吸能胶结充填材料的制备方法
3D打印仿生蜂窝骨架
S1.使用三维建模软件设计多孔蜂窝结构，设置蜂窝单元中孔边长为32mm和相邻蜂窝层间距控制为12.5mm；
S2.设定蜂窝支架的直径为1.5mm，以0.1mm的精度，使用铝合金打印多孔蜂窝结构；
S3.通过光固化3D打印得到仿生蜂窝骨架。
将实施1所得胶结充填浆料浇筑到上述仿生蜂窝骨架中，得到一种仿生吸能胶结充填材料。
对比例1
一种普通胶结充填材料的制备
S1.将5份减水剂和500份水混合，以300rpm搅拌5min，得到混合物1；
S2.向混合物1中依次加入100份粉煤灰、500份尾砂、1000份矸石粉，以500rpm高速搅拌30min，得到混合物2；
S3.将混合物2与500份水泥和100份硅灰混合，以500rpm高速搅拌5min，制得胶结充填浆料。
对比例2
S1.将5份减水剂、20份复合碱激发剂(由碳酸钠、硅酸钠和氢氧化钙以质量比1∶1∶2组成)、500份水混合，以300rpm搅拌5min，得到混合物1；
S2.向混合物1中依次加入100份粉煤灰、500份尾砂、1000矸石粉份，以500rpm高速搅拌30min，得到混合物2；
S3.将混合物2与500份水泥、100份硅灰混合，以500rpm高速搅拌5min，制得胶结充填浆料。
对比例3
同实施例2，不同之处仅在于蜂窝单元中孔边长72mm，相邻蜂窝层间距50mm。
对比例4
胶结充填浆料的制备方法同实施例1，不同之处仅在于未加入木质纳米纤维，将制备得到的胶结充填浆料浇筑到实施例2所得仿生蜂窝骨架中，得到一种仿生吸能胶结充填材料。
对比例5
胶结充填浆料的制备的方法同实施例1，不同之处仅在于未加入减水剂，将制备得到的胶结充填浆料浇筑到实施例2所得仿生蜂窝骨架，得到一种仿生吸能胶结充填材料。
对比例6
胶结充填浆料的制备的方法同实施例1，不同之处仅在于未加入复合碱激发剂，将制备得到的胶结充填浆料浇筑到实施例2所得仿生蜂窝骨架，得到一种仿生吸能胶结充填材料。
对比例7
同实施例2，不同之处仅在于蜂窝骨架的材质为尼龙。
性能验证例1
通过单轴压缩试验测定上述实施例和对比例所得产品的抗压强度、峰值应变、峰值点对应的吸收能量、最大吸收能量，结果见表1。
表1
| 案例 | 抗压强度MPa | 峰值应变％ | 峰值吸收能MJ/m-3 | 吸收能量极值MJ/m-3 |
| 实施例1 | 15.34 | 1.27 | 0.086 | 0.247 |
| 实施例2 | 20.92 | 3.05 | 0.384 | 1.589 |
| 实施例3 | 32.68 | 9.01 | 2.376 | 3.508 |
| 实施例4 | 42.37 | 15.26 | 5.251 | 7.753 |
| 对比例1 | 7.87 | 1.21 | 0.027 | 0.101 |
| 对比例2 | 12.11 | 1.25 | 0.032 | 0.142 |
| 对比例3 | 16.96 | 2.24 | 0.253 | 0.986 |
| 对比例4 | 16.03 | 2.68 | 0.234 | 1.072 |
| 对比例5 | 18.24 | 2.82 | 0.345 | 1.395 |
| 对比例6 | 17.55 | 2.59 | 0.298 | 1.111 |
| 对比例7 | 26.09 | 7.00 | 1.511 | 2.320 |
由表1可知，实施例2与实施例1相比，由于将胶结充填浆料浇筑到仿生蜂窝内，强韧的蜂窝结构约束胶结基质变形，同时胶结充填浆料中的木质纳米纤维和复合碱激发剂增强了浆料与蜂窝支架间界面的粘结性能，从而提升了所得仿生结构胶结充填材料的上述性能(抗压强度、峰值应变、峰值点对应的吸收能量、最大吸收能量)。
实施例3与实施例2相比，在蜂窝骨架材质不变的情况下，蜂窝孔缩小且蜂窝层空间密度增大，提高了蜂窝结构的强度和变形特性,使上述性能得到提升。
实施例4与实施例3相比，蜂窝孔变大，且蜂窝层空间密度变小，但是上述性能依然得到提升，原因在于实施例4采用了铝合金材质，铝合金的力学性能优于树脂，使得上述性能提升。
对比例1与实施例1相比，去除了木质纳米纤维和复合碱激发剂，由于缺乏木质纳米纤维作为水化反应成核位点，水化产物难以完全填充粘结微小孔隙、缺乏碱激发分子来激活矸石粉和粉煤灰的潜在活性，造成上述性能下降。
对比例2与实施例1相比，仅去除了木质纳米纤维，性能下降，是由于失去木质纳米纤维对微小孔隙及裂隙的填充作用、减少了体系内微孔间水化反应成核位点、降低了胶结基质强度。
对比例3与实施例2相比，材质未改变，但是由于蜂窝孔变大，且蜂窝层空间密度变小，使得上述性能下降，原因在于蜂窝结构强度和韧性的降低，且对胶结基质的约束减弱。
对比例4与实施例2相比，由于加入的胶结充填浆料中去除了木质纳米纤维，使得胶结基质与蜂窝支架间界面粘结性能大大减弱，造成成上述性能下降。
对比例5与实施例2相比，由于加入的胶结充填浆料中去除了减水剂，使得胶结充填浆料流动性大大减弱，不利于仿生结构胶结充填材料浇筑，在内部形成粗孔结构，造成成上述性能下降。
对比例6与实施例2相比，由于加入的胶结充填浆料中去除了复合碱激发剂，使得矸石粉和粉煤灰的潜在活性未被充分激发，造成上述性能下降。
对比例7与实施例2相比，由于蜂窝支架材质发生了变化，尼龙的力学性能以及与胶结充填浆料的粘结性能及匹配性发生变化，造成上述性能提高。
性能验证例2
通过单轴压缩试验测定上述实施例1-4的力学-能量相应曲线，结果如图4和5所示。由图4可知，实施例1所得胶结充填浆料在应变1％-1.5％破坏，吸收能量通常低于0.1MJ/m-3；证明使用超高性能木质纳米纤维和复合碱激剂进行改性，有利于强化胶结充填材料力学特性，但仍为脆性材料，不适应深部高应力和强扰动环境，材料容易发生脆性破坏。本发明研发的仿生结构胶结充填材料得益于植入仿生蜂窝骨架，其力学强度和吸能性均大大提高，强度提高2倍以上，且峰值应变可提高至3％-20％，吸收能量高达0.3-8MJ/m-3，远超实施例1所得胶结充填浆料。
对实施例2和3的仿生结构胶结充填材料以及对比例1的普通胶结充填浆料进行单轴压缩试验。图5为宏观破坏特征对比图，其中(a)为对比例1中普通胶结充填材料的宏观破坏照片，(b)为实施例2和3的仿生结构胶结充填材料宏观破坏照片。
由图5中(a)可知，对比例1的普通胶结充填浆料承载应变1.5％后即发生破坏，产生宏观破裂面；由图5中(b)可知，本发明实施例2和3提供的仿生结构胶结充填材料的承载应变高达20％，未见明显破裂面，材料表现出明显的结构硬化特征。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种仿生结构胶结充填材料，其特征在于，包括仿生蜂窝骨架和胶结充填浆料，所述胶结充填浆料浇筑在仿生蜂窝骨架内；
所述仿生蜂窝骨架中蜂窝单元中孔边长为24～60mm，相邻蜂窝层间距为6.25～25mm，蜂窝支架直径为1.5mm；
所述胶结充填材料由以下质量份原料制备：水泥300～500份、粉煤灰100～150份、尾砂400～500份、矸石粉400～500份、木质纳米纤维0.5～1.0份、减水剂5～25份、复合碱激发剂5～30份、硅灰50～100份和水300～500份。
2.根据权利要求1所述的仿生结构胶结充填材料，其特征在于，所述仿生蜂窝骨架的材质选自树脂、尼龙或铝合金。
3.根据权利要求1所述的仿生结构胶结充填材料，其特征在于，所述复合碱激发剂由碳酸钠、硅酸钠和氢氧化钙以质量比1∶1∶2组成。
4.一种权利要求1～3任一项所述的一种仿生结构胶结充填材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在仿生蜂窝骨架内浇筑胶结充填浆料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述仿生蜂窝骨架通过3D打印制备，制备方法为：
S1.使用三维建模软件设计多孔蜂窝结构，设置蜂窝单元中孔边长和相邻蜂窝层间距控制多孔蜂窝结构；
S2.以0.1mm的精度打印多孔蜂窝结构；
S3.通过光固化3D打印得到仿生蜂窝骨架。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述胶结充填浆料的制备方法为：
将木质纳米纤维、减水剂、复合碱激发剂和水混合5min，以300rpm搅拌均匀后，加入粉煤灰、尾砂和矸石粉后，以500rpm搅拌30min，最后加入水泥和硅灰，以500rpm搅拌5min，得到胶结充填材料。
7.一种权利要求1～3任一项所述的仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
8.一种由权利要求4～6任一项所述的制备方法制得的仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
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Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4072018A (en) * | 1975-04-30 | 1978-02-07 | Alvarez Calderon Alberto | Tunnel support structure and method |
| EP0191570A2 (en) * | 1985-01-29 | 1986-08-20 | Alethea Rosalind Melanie Hall | Support member |
| DE19812747A1 (de) * | 1998-03-24 | 1999-09-30 | Richard Pott | Konstruktionselement mit armiertem Stützkern |
| US6635202B1 (en) * | 1998-10-23 | 2003-10-21 | Vantico Inc. | Method for filling and reinforcing honeycomb sandwich panels |
| RU94238U1 (ru) * | 2008-08-20 | 2010-05-20 | Фердинанд Иренеушевич Стасюлевич | Строительный элемент на основе ячеистого каркаса |
| CN103011662A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-04-03 | 桂林华越环保科技有限公司 | 一种碱激发高性能减水剂及制备方法 |
| US9010053B1 (en) * | 2014-01-28 | 2015-04-21 | Robert Jeffrey Kupferberg | High strength thermal barrier panel for an H.V.A.C. unit housing |
| KR20170116770A (ko) * | 2016-04-12 | 2017-10-20 | 한형섭 | 천연 유기질 골재를 이용한 투수성 블록 및 이의 생산 방법 |
| CN112727539A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-04-30 | 北京科技大学 | 一种利用可收缩的网状材料充填假顶构筑方法 |
| CN215057558U (zh) * | 2021-03-25 | 2021-12-07 | 天地科技股份有限公司 | 沿空留巷刚柔协同的混凝土墙结构 |
| CN114149226A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-08 | 中国矿业大学 | 一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料及其制备方法 |
| CN114856694A (zh) * | 2022-04-25 | 2022-08-05 | 北京科技大学 | 一种基于一体化柔性框架的充填挡墙及施工方法 |
| CN114961726A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-08-30 | 中国矿业大学 | 小窑破坏区煤层充填复采方法 |
| CN115286305A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-11-04 | 龙岩学院 | 一种土洞或溶洞充填注浆材料及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0804487D0 (en) * | 2008-03-11 | 2008-04-16 | Terram Ltd | Cellular structures |
-
2023
- 2023-06-14 CN CN202310704162.2A patent/CN116498377B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4072018A (en) * | 1975-04-30 | 1978-02-07 | Alvarez Calderon Alberto | Tunnel support structure and method |
| EP0191570A2 (en) * | 1985-01-29 | 1986-08-20 | Alethea Rosalind Melanie Hall | Support member |
| DE19812747A1 (de) * | 1998-03-24 | 1999-09-30 | Richard Pott | Konstruktionselement mit armiertem Stützkern |
| US6635202B1 (en) * | 1998-10-23 | 2003-10-21 | Vantico Inc. | Method for filling and reinforcing honeycomb sandwich panels |
| RU94238U1 (ru) * | 2008-08-20 | 2010-05-20 | Фердинанд Иренеушевич Стасюлевич | Строительный элемент на основе ячеистого каркаса |
| CN103011662A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-04-03 | 桂林华越环保科技有限公司 | 一种碱激发高性能减水剂及制备方法 |
| US9010053B1 (en) * | 2014-01-28 | 2015-04-21 | Robert Jeffrey Kupferberg | High strength thermal barrier panel for an H.V.A.C. unit housing |
| KR20170116770A (ko) * | 2016-04-12 | 2017-10-20 | 한형섭 | 천연 유기질 골재를 이용한 투수성 블록 및 이의 생산 방법 |
| CN215057558U (zh) * | 2021-03-25 | 2021-12-07 | 天地科技股份有限公司 | 沿空留巷刚柔协同的混凝土墙结构 |
| CN112727539A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-04-30 | 北京科技大学 | 一种利用可收缩的网状材料充填假顶构筑方法 |
| CN114149226A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-08 | 中国矿业大学 | 一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料及其制备方法 |
| CN114856694A (zh) * | 2022-04-25 | 2022-08-05 | 北京科技大学 | 一种基于一体化柔性框架的充填挡墙及施工方法 |
| CN114961726A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-08-30 | 中国矿业大学 | 小窑破坏区煤层充填复采方法 |
| CN115286305A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-11-04 | 龙岩学院 | 一种土洞或溶洞充填注浆材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Study on heat transfer characteristics of cement-based honeycomb structures based on infrared imaging;Zhu, Gaofang;JOURNAL OF BUILDING ENGINEERING;第68卷;全文 * |
| 极弱胶结岩体再生结构的形成机制与力学特性试验研究;孟庆彬;钱唯;韩立军;蔚立元;王丛凯;周星;;岩土力学(03);全文 * |
| 浮选柱中蜂窝管高效充填的设计与研究;翟爱峰;刘炯天;矿山机械(006);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116498377A (zh) | 2023-07-28 |
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