CN1261392A - 表面覆盖材料 - Google Patents

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Abstract

描述了一种表面覆盖材料,该材料能够被涂敷到隧道内、矿山挖掘后的穴和矿柱的例如岩石和煤炭表面上(为方便起见,在本说明书中岩石和煤炭都被称作“岩石”)以及涂敷在岩栓的基板周围,以抑制被覆盖的岩石发生瓦解。它包括水泥成分(包括高吸水性水泥掺混物)与第二种成分(它引入水性聚合物乳液)的混合物。该高吸水性水泥掺混物能够吸收至少其本身质量的水,且在一些情况下吸收5倍其本身质量的水。该覆盖材料在高湿度和空气流动少的矿井中快速干燥。

Description

表面覆盖材料
本发明涉及表面覆盖材料。
在我们的南非专利申请No.94/0532中描述了这样的表面覆盖材料。虽然这些材料具有许多优异的性能，但在地下使用时存在一些弱点。矿井中的问题是环境的高湿度和常常有非常小的空气流动。在这一场合，现已发现前述材料需要花费很多时间去干燥和固化，这在某些环境中是不可接受的。
根据本发明的一个方面，提供了一种表面覆盖材料，它包括水泥成分(包括高吸水性水泥掺混物)与第二种成分(它引入水性聚合物乳液)的混合物。该材料能够被涂敷到隧道内、矿山挖掘后的穴和矿柱的例如岩石和煤炭表面上(为方便起见，在本说明书中岩石和煤炭都被称作“岩石”)以及涂敷在岩栓(rock bolts)的基板周围，以抑制被覆盖的岩石发生瓦解。
术语“高吸水性”应该根据下面来解释：一普通硅酸盐水泥(ordinaryPortland cement，“OPC”)将按以下比例吸收水，即100gm OPC/38grm水。“高吸水性水泥掺混物”将吸收至少其本身质量的水。水泥成分优选吸收至少三倍其本身质量的水和在优选的实施方案中将吸收5倍其本身质量的水。
因为水泥成分是高吸水性的，它能够较好地吸收第二成分的液体组分。此外，在相反的情况下，由于这一原因，水泥成分能够克服所遇到的问题，即聚合物涂敷较大比例的固体成分的粒料，从而防止太多钙矾石的形成。
第二种成分可以是液体成分。或者，第二种成分可以是干燥材料。
表面覆盖材料优选通过喷射被涂敷在岩石表面上。为此目的，在被喷射在岩石表面之前，这些成分优选被混合起来。混合物一般具有有限的贮存期，所以必须在一定的时期内喷射，在混合后大约20-30分钟。
当两种成分是干燥原料时，两种成分可方便地混合或掺混在一起，然后向混合物中加入合适量的水。此外，干燥原料和水的混合物能够由类似于压力喷浆法(“Gunite”法)的方法喷射到表面上。
水泥成分和第二种成分优选按照1∶3的比例混合。(在本说明书中所有的比例和百分数都是以质量比来计算的。)
水泥成分优选包括与苏打灰、碳酸锂和氟化钠和合适的话还有Natrasol250HR或CellosizeQP 52000一起形成混合物的基料的高矾土水泥，OPC和无水石膏(无水硫酸钙)。以上提及的形成混合物的基料的物质占整个混合物的99％或更高。我们发现，次要成分与主要成分反应为水泥成分提供了高吸水特征。
OPC可占水泥成分的40％-52％以及优选约47％。高矾土水泥占水泥成分的18％-28％，优选约23％。无水石膏占水泥成分的27％-31％，优选约29％。
氟化钠优选是轻质95％技术等级氟化钠。
苏打灰应该是磨细的苏打灰。苏打灰和氟化钠各自占水泥成分的0.25％-0.35％，优选约0.3％。碳酸锂和Natrasol(或Cellosize)各自占水泥成分的0.09％-0.15％，优选约0.1％。
优选地第二种成分进一步包括阻燃剂。优选的阻燃剂包括三氧化锑和氯化石蜡，后者优选是以商品名“CereclorTM 70”销售的固体。该阻燃剂优选占第二种成分的约10％-20％。氯化石蜡可适宜占第二种成分的8％-12％，优选10％-11％，最优选约10.7％，而三氧化锑适宜占第二种成分的3％-7％，优选5％-5.5％，最优选约5.4％。
乳液优选是丙烯酸乳液粘结剂，适宜的是乙酸乙烯酯-乙烯共聚物，并优选是以商品名“AirflexTM 300”购买的产品。该材料形成了涂敷的表面覆盖层的粘结剂，使固化表面覆盖层具有改进的柔性、弹性和拉伸强度。另外为岩石表面提供改进的粘合性。乙酸乙烯酯/乙烯共聚物适宜占第二种成分的60％-75％，优选65％-70％，最优选约67.6％。
增塑剂也被包括在内以改进材料一旦固化后的柔性和回弹性。增塑剂尤其协助在小的半径上提供回弹性和柔性，如在缓慢和快速的负载条件下岩石变形过程中在岩石边缘遇到的小半径。优选的增塑剂是邻苯二甲酸二丁基酯。增塑剂占第二种成分的5％-10％，优选7％-8％，最优选7.8％。
还可添加用于防止细菌和酶生长的杀菌剂。它适宜是以商品名“MetatinTM G.T.”销售的物质。仅仅需要添加少量的杀菌剂，一般低于第二种成分的1％，适宜在0.1％-0.2％之间，优选约0.13％。
消泡剂也优选被加入以防止起泡和在产物中夹带气泡以及防止固化产物的强度的降低。两种优选的消泡剂是BEVALOID513和NEPCOADW。仅仅需要提供少量的该试剂，一般低于第二种成分的0.5％，适宜在0.1％-0.3％之间。消泡剂的量能够进行调节，尤其在产物的混合物阶段通过检查来补充。
覆盖材料优选被提供增稠剂，优选形成了触变粘度增长和有助于防止流挂。优选在第二种成分中提供该增稠剂。优选的增稠剂是ATTAGEL50。它优选以15％水悬浮液添加。该悬浮液占第二种成分的2％-4％，优选约2.7％。
第二种成分进一步包括较少量的水，水适宜占第二种成分质量的2％-10％，更适宜4.5％-6％，优选约5.4％。另外，如以上所述，第二种成分可以是干燥材料，它优选通过干燥乳液以及任何其它含液体的物质，然后将干燥过的产物与任何其它固体物质掺混来形成。
根据本发明的另一方面，提供了以上所列表面覆盖材料的第二种成分。根据本发明的又一方面，提供了以上所列表面覆盖材料的水泥成分。
根据本发明的再一方面，提供了在矿井中加强岩石表面的方法，它包括在该表面上形成一层上述材料并使之固化。
下面通过实施例来说明表面覆盖材料的实例。
              实施例I表面覆盖材料包括第一种水泥成分和第二种液体成分。1000kg固体成分的混合物包括：名称                       质量kg                 ％高矾土水泥                  230.0                 23.0OPC                         470.00                47.0无水石膏(无水硫酸钙)        292.0                 29.2磨细的苏打灰E.P./V.S.P      3.0                   0.3氟化钠95％轻质技术等级      3.0                   0.3碳酸锂(99％纯度)            1.0                   0.1Natrasol250 H.R.         1.0                   0.1
                        1000                  100.0
我们发现，100gm的该水泥混合物将吸收至少500gm的水。所以它是高吸水性的。
液体成分包括：
                                       名称              ％
            Airflex 300            乳液粘结剂           67.57
            邻苯二甲酸二丁基酯     增塑剂               7.81
            三氧化锑               阻燃剂               5.38
            Cereclor 70            阻燃剂               10.77
            Attagel的15％水溶液    抗流挂剂             2.69
            Acticide               杀菌剂               0.13
            消泡剂                                      0.26
            水                                          5.39
                                                        100.00
第二种成分的各种组分在高速混合机中被混合在一起，直至阻燃剂被分散，即在室温下10-20分钟。
水泥和液体成分在特殊喷射器的料斗中在室温下按照三份液体成分与一份水泥成分的比例混合在一起。混合物继续搅拌，到使用时才停止。混合物将在大约30分钟内固化，所以应该在混合约20分钟内就应该使用。混合物被喷射在岩石表面上以提供不低于2.0mm厚度的层。混合物的喷射速率是在200-300升/小时的范围内。
我们发现，水泥组分吸收第二种成分中的水，这样表面层甚至在100％湿度的条件下干燥成干膜，因此表层将在15分钟内充分固化而能够自支持(self-support)，并能够在2-3小时内为岩石提供初始的支持体。当完全固化时，一般需要大约28天，该层面将具有不低于1.5兆帕斯卡的单轴拉伸强度。该层面也具有足够的柔性，伸长率在50-60％之间。这些特性能够使该层面为岩石形成限制作用以控制岩石表面的破裂并改进岩石块的稳定性。这是因为柔性的层面将有助于耗散掉所释放的能量，协助控制岩石变形以及保持关键的岩石在原位不动，从而有助于减少岩石的下落并进一步稳定地保持住岩石，甚至在较高的能量释放速率时。当然该强度是有限的，在极高外力作用下该层面会遭到破坏。固化的层面对矿井内见到的大多数岩石基体具有足够的粘结性。
喷射机器和料斗能够用水清洗，而废水能够跑出并结合矿井内的其它水。没有必要为清洗各部件而提供毒性的液体。产生表面覆盖层的成分和满足此目的的机械设备是不太昂贵的。
                           实施例II
与实施例I中一样形成了各成分。使用在入口处装有混合器具的喷嘴。混合器具包括带有螺旋桨叶的静态螺旋式混合器，其中螺旋桨叶的排列方式应能够促使各连续(consecutive)桨叶在旋转时使混合物向着与前一桨叶相反的方向通过管道。
各种成分被单独加入到喷嘴中，在进入喷嘴之前混合装置将两成分进行掺混，然后由喷嘴将掺混物喷涂在被涂敷的岩石表面上。
                          实施例III
水泥成分如实施例I中所述。液体聚合物和增塑剂的掺混物在空气干燥机中进行干燥以除去水。形成了干燥粉末。干燥粉末然后与第二种成分的剩余固体进行掺混。
水泥成分和第二种成分然后相互掺混。在矿井内需要涂敷岩石的现场，将水合用的水加入到混合物中。产物被搅拌和然后按实施例I中所述被喷涂。
                          实施例IV
第一和第二成分的干燥混合物按照实施例III中所述制备。干燥混合物和水在加压下借助于“Gunite”喷嘴被喷涂在岩石表面上。该喷嘴内部装有穿孔歧管，水在加压下通过该穿孔歧管被引入与气动传输到喷嘴内的固体材料混合。混合物被喷涂在岩石表面上。
根据实施例II、III和IV喷涂的岩石覆盖材料具有与实施例I所述同样的优点。
本发明不限于实施例中列出的细节。材料的各成分可作一些变化。例如在0.5-12mm之间的亲水性纤维或玻璃纤维能够加入到材料中以提高固化层的拉伸强度，尤其在后破坏阶段。替代性的阻燃剂，杀菌剂和消泡剂都可以使用。其它附加的水可加入以降低第二种成分的粘度。
如果需要，发泡剂可加入到第二种成分中(且，消泡剂不需要)，因此在固化或部分固化层上喷射该材料的发泡层。该发泡层可以是大约35-75mm，优选50mm厚。发泡的层将为岩石壁提供绝热作用，并抑制岩石的热量进入矿井的工作空间中。

Claims (35)

1、包括水泥成分和第二种成分的混合物的表面覆盖材料，其特征在于水泥成分包括高吸水性的水泥掺混物，第二种成分引入聚合物水乳液。
2、根据权利要求1的材料，其特征在于水泥成分将吸收其本身质量的水。
3、根据权利要求2的材料，其特征在于水泥成分将吸收5倍其本身质量的水。
4、根据权利要求1、2或3的材料，其特征在于水泥混合物包括与苏打灰、碳酸锂和氟化钠一起形成混合物的基料的高矾土水泥，普通硅酸盐水泥和无水石膏(无水硫酸钙)。
5、根据权利要求4所述的材料，其特征在于进一步包括Natrasol250HR或CellosizeQP 52000。
6、根据权利要求4或5的材料，其特征在于该高矾土水泥，普通硅酸盐水泥和无水石膏占水泥成分的99％或更高。
7、根据权利要求4、5或6所述的材料，其特征在于该普通硅酸盐水泥占水泥成分的40％-52％，优选约47％。
8、根据权利要求4、5、6或7的材料，其特征在于该高矾土水泥占水泥成分的18-28％，优选约25％。
9、根据权利要求4-8中任何一项的材料，其特征在于该无水石膏占水泥成分的27％-31％，优选约29％。
10、根据权利要求4-9中任何一项的材料，其特征在于该苏打灰占水泥成分的0.25％-0.35％，优选约0.3％。
11、根据权利要求4-10中任何一项的材料，其特征在于该氟化钠占水泥成分的0.25％-0.35％，优选约0.3％。
12、根据权利要求4-11中任何一项的材料，其特征在于该碳酸氢锂占水泥成分的0.09％-0.15％，优选约0.1％。
13、根据权利要求4-12中任何一项的材料，其特征在于Natrasol占水泥成分的0.09％-0.15％，优选约0.1％。
14、根据前述权利要求中任何一项的材料，其特征在于第二种成分进一步包括阻燃剂。
15、根据权利要求14的材料，其特征在于该阻燃剂包括三氧化锑和氯化石蜡。
16、根据前述权利要求中任何一项的材料，其特征在于该乳液是丙烯酸乳液粘结剂。
17、根据权利要求16的材料，其特征在于该乳液是乙酸乙烯酯/乙烯共聚物。
18、根据权利要求17的材料，其特征在于该乙酸乙烯酯/乙烯共聚物占第二种成分的60％-70％，优选65％-70％，最优选约67.5％。
19、根据权利要求18的材料，其特征在于包括增塑剂。
20、根据权利要求19的材料，其特征在于该增塑剂是邻苯二甲酸二丁基酯。
21、根据权利要求19或20的材料，其特征在于该增塑剂占第二中成分的5％-10％，优选7％-8％，最优选7.8％。
22、根据前述权利要求中任何一项的材料，其特征在于在其中提供有用于抑制细菌和酶类生长的杀菌剂。
23、根据前述权利要求中任何一项的材料，其特征在于消泡剂被加入到第二种成分中。
24、根据权利要求23所述的材料，其特征在于该发泡剂占第二种成分的0.5％以下，适宜地，在0.1％-0.3％之间。
25、根据前述权利要求中任何一项的材料，其特征在于在覆盖材料中提供增稠剂，优选形成了触变粘度增长和有助于防止流挂。
26、根据权利要求25所述的材料，其特征在于该增稠剂被提供在第二种成分中。
27、根据权利要求26所述的材料，其特征在于该增稠剂以15％水溶液形式添加，它优选占第二种成分的2％-4％，优选约2.7％。
28、根据前述权利要求中任何一项的材料，其特征在于第一和第二成分按照1∶3的比例进行混合。
29、用于权利要求1的覆盖材料中的水泥成分，其特征在于它包括高矾土水泥，普通硅酸盐水泥和无水石膏(无水硫酸钙)以及苏打灰、碳酸锂和氟化钠。
30、根据权利要求29的水泥成分，其特征在于进一步包括Natrasol250HR或CellosizeQP 52000。
31、用于权利要求1的覆盖材料中的第二种成分，其特征在于它包括液体成分。
32、用于权利要求1的覆盖材料中的第二种成分，其特征在于它包括干燥固体成分。
33、加强矿井内岩石表面的方法，其特征在于在该表面上涂敷权利要求1-28中任何一项的表面覆盖材料的层，并使其固化。
34、根据权利要求33的方法，其特征在于该表面覆盖材料通过喷射在该表面上而被涂敷在该表面上。
35、根据权利要求34的方法，当其从属于权利要求32时，其特征在于干燥成分和水通过压力喷浆方法被喷射在该表面上。
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