礦用發(fā)泡水泥注漿材料性能研究

孫揚(yáng),王福生,崔嘯

(1. 華北理工大學(xué) 教務(wù)處,河北 唐山 063210;2. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;3. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210)

在現(xiàn)代社會(huì)隨著人們生活質(zhì)量水平的不斷提高,能源越來越成為人們不可或缺的一部分。我國絕大部分地區(qū)主要依靠煤炭獲取能量。同時(shí)也出現(xiàn)了安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境兩大無法回避的問題[1]。煤窯開采一般都是追求短期效益,回收率極低,多在20%～30%左右。受到破壞后的小煤窯煤層給國家煤炭資源以及生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的破壞。小煤窯開采會(huì)形成較多的采空區(qū),而且小煤窯采空區(qū)中存在許多不確定因素,不僅影響正?；夭蓵r(shí)間,而且對工作面進(jìn)行正常安全生產(chǎn)影響非常大。礦用注漿材料是以水泥為基料,與發(fā)泡劑發(fā)出的泡沫混合,制成的一種新型無機(jī)固化材料,是一種利廢、環(huán)保、節(jié)能、低廉且具有不燃性的新型節(jié)能材料。發(fā)泡水泥,即是在水泥漿漿體中充氣而形成的輕質(zhì)發(fā)泡材料,達(dá)到了降低水泥漿體密度的目的。1979年,美國的Yamads等人首次在油田發(fā)泡水泥中取得良好的效果。隨著現(xiàn)代發(fā)泡水泥技術(shù)逐漸發(fā)展,氣泡能夠穩(wěn)定分散在整個(gè)水泥漿體中,從而制得性能優(yōu)越的發(fā)泡水泥注漿材料。楊婷松[2-3]研究表明:泡沫的穩(wěn)定性是關(guān)系發(fā)泡水泥制備工藝和性能的關(guān)鍵因素。若想制成高效穩(wěn)定的發(fā)泡水泥,首先應(yīng)制成性能優(yōu)越的泡沫。李峰[4]的研究表明,發(fā)泡劑是使材料內(nèi)部產(chǎn)生泡沫而形成閉孔或聯(lián)孔結(jié)構(gòu)材料的物質(zhì),是影響發(fā)泡水泥性能的重要因素之一。金永飛[5]認(rèn)為:制備滿足生產(chǎn)需求的泡沫是發(fā)泡水泥注漿材料生產(chǎn)中不可缺少的一環(huán)。氣泡的初始形成是泡沫形成的關(guān)鍵,當(dāng)氣泡上升到溶液表面,發(fā)泡劑的表面就形成了氣泡的表面,在浮力的作用下形成了泡沫。不同的發(fā)泡劑種類、泡沫的制備方法、攪拌速度都會(huì)直接或間接影響泡沫的穩(wěn)定性。目前衡量泡沫穩(wěn)定性的參數(shù)有泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、泌水量與沉降距等。

1實(shí)驗(yàn)

1.1 泡沫制備

(1)試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括:QW-100水泥發(fā)泡劑、恒定溫度的蒸餾水、真空氣壓罐、壓力表、塑料軟管、閥門、玻璃容器、發(fā)泡室、紗網(wǎng)等。(2)試驗(yàn)方法

真空氣壓罐通氣法是將提前配比好的發(fā)泡劑溶液放入玻璃容器內(nèi),接下來打開真空氣壓罐的氣壓閥,使得定壓的空氣通入發(fā)泡液,使其在發(fā)泡室內(nèi)生成泡沫,然后在泡沫出口處添加一個(gè)紗網(wǎng),使得生成的泡沫均勻穩(wěn)定且不易破裂。真空氣壓罐通氣法生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜,不過此種方法能生成穩(wěn)定性更高、更加均勻的泡沫,而高速攪拌法生成的泡沫容易在攪拌工程時(shí)破裂。而且真空氣壓罐通氣法生成的泡沫容易控制與收集,試驗(yàn)中需要較大的泡沫量,因此采用真空氣壓罐通氣法來生成泡沫。真空氣壓罐通氣法裝置如圖1所示。

圖1 真空氣壓罐發(fā)泡機(jī)示意圖

1.2 泡沫的性能

注漿材料是將發(fā)泡液生成的泡沫與膠凝材料混合,并在混合的同時(shí)不斷攪拌,使其中的泡沫在注漿材料中分布均勻。所以泡沫在注漿材料的制備過程中扮演著一個(gè)極其重要的作用。其中,生成的泡沫是否穩(wěn)定、均勻以及收集難易對本次試驗(yàn)影響較大,因此,考察泡沫性能各個(gè)指標(biāo)成為了試驗(yàn)中關(guān)鍵的一部分,實(shí)驗(yàn)室制得的泡沫如圖2所示。通常,衡量泡沫性能的指標(biāo)包括泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、泌水量與沉降距等[6]。

圖2 實(shí)驗(yàn)室制得泡沫

(1)發(fā)泡倍數(shù)

發(fā)泡倍數(shù)一般是衡量發(fā)泡劑性能最重要的參數(shù),因?yàn)榘l(fā)泡倍數(shù)高,不僅可以節(jié)省成本,而且可以在泡沫需求量大的時(shí)候以較少的發(fā)泡劑溶液即可達(dá)到生產(chǎn)目的。發(fā)泡倍數(shù)為已生成的泡沫體積與發(fā)泡過程中發(fā)泡液消失的體積之比,通常,不同濃度、不同溫度下發(fā)泡液的發(fā)泡能力有所不同。發(fā)泡倍數(shù)計(jì)算公式為:

(1)

式中:N—發(fā)泡倍數(shù);

V1—泡沫體積,ml;

V2—起始發(fā)泡液體積,ml;

V3—剩余發(fā)泡液體積,ml。

(2)沉降距與泌水量

如果通過發(fā)泡劑溶液制成的泡沫在短時(shí)間內(nèi)不收集的話,很容易隨著時(shí)間推移破裂消失,新生成的泡沫逐漸破裂消失使得泡沫下降的高度稱之為沉降距,新生成的泡沫逐漸破裂消失生成的水,稱之為泌水量。沉降距和泌水量是判斷泡沫是否穩(wěn)定的重要參數(shù),當(dāng)然,不同發(fā)泡劑制得的泡沫指標(biāo)并不一樣[7]。

1.3 注漿材料的穩(wěn)定性

注漿材料的制備方法:(1)使用真空氣壓罐通氣法制得穩(wěn)定的泡沫,將其收集起來。(2)將事先準(zhǔn)備好的硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥分別與水混合,進(jìn)行攪拌制備成漿液。(3)將泡沫與漿液進(jìn)行混合,然后進(jìn)行攪拌,生成均勻、穩(wěn)定、有粘度的礦用注漿材料。經(jīng)考察,制備發(fā)泡水泥的方法一般有2種:第一種是將發(fā)泡劑溶液倒入膠凝材料中,使之均勻混合,產(chǎn)生泡沫;第二種即是通過發(fā)泡器生成泡沫,然后將生成的泡沫與膠凝材料進(jìn)行混合,制備成發(fā)泡水泥。第一種方法雖然簡單方便,但是生成的發(fā)泡水泥很不穩(wěn)定,在運(yùn)輸過程中會(huì)損失大部分泡沫,無法達(dá)成發(fā)泡目的,雖然第二種制備方法比較復(fù)雜,但是其既能對發(fā)泡沫摻量的多少加以控制,又能保證泡沫的穩(wěn)定性,所以該項(xiàng)研究使用第二種方法,實(shí)驗(yàn)室制得注漿材料如圖3所示。

圖3 注漿材料成品圖

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑濃度對泡沫的影響

發(fā)泡水泥對最終試驗(yàn)成果具有重要作用,發(fā)泡劑濃度作為發(fā)泡劑中最容易控制的因素,影響發(fā)泡劑的發(fā)泡性能和泡沫的性能。而發(fā)泡劑濃度過高可能會(huì)造成發(fā)泡劑的浪費(fèi),發(fā)泡濃度過低又可導(dǎo)致生成的泡沫穩(wěn)定性差、不均勻等質(zhì)量問題[8]。一般情況下,發(fā)泡劑與水配比一般為1:20,為驗(yàn)證不同濃度配比對泡沫性能的影響,分別使用配比為1:20、1:40、1:60、1:80的發(fā)泡劑溶液在室溫下生成泡沫,以發(fā)泡倍數(shù)、沉降距與泌水量為考慮指標(biāo),進(jìn)行試驗(yàn)。不同濃度的發(fā)泡劑對生成的泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、泡沫密度及總泌水量的影響如圖4-6所示。圖7所示為不同濃度發(fā)泡劑沉降距與時(shí)間關(guān)系。

圖4 發(fā)泡倍數(shù)與發(fā)泡劑濃度關(guān)系圖 圖5 泡沫密度與發(fā)泡劑濃度關(guān)系圖

圖6 發(fā)泡劑濃度與總泌水量的關(guān)系

圖7 不同濃度發(fā)泡劑下的沉降距與時(shí)間關(guān)系圖

由圖4可知,發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)隨著發(fā)泡劑濃度稀釋而降低,濃度基本與發(fā)泡倍數(shù)成正比,但是當(dāng)發(fā)泡劑濃度為1:20時(shí)的發(fā)泡倍數(shù)大約是濃度為1:80的2倍,而發(fā)泡劑濃度1:20的發(fā)泡倍數(shù)是發(fā)泡劑濃度1:60的3倍,由此可知,發(fā)泡劑濃度低一些,比較節(jié)省發(fā)泡劑原料,所以當(dāng)泡沫需求量很大時(shí),可以配成濃度為1:20的發(fā)泡劑溶液。由圖5和圖6可知,泡沫密度隨著發(fā)泡劑溶液濃度降低而升高,發(fā)泡劑溶液濃度越低,總泌水量越大,因?yàn)殡S著發(fā)泡倍數(shù)降低,密度自然會(huì)變大,總泌水量也自然隨之變大。

2.2 發(fā)泡劑溫度對泡沫的影響

發(fā)泡劑溫度作為影響發(fā)泡劑發(fā)出泡沫性能的重要參數(shù),對泡沫性能起到了至關(guān)重要的作用,為驗(yàn)證不同溫度下發(fā)泡劑溶液對泡沫性能的影響,分別使用溫度為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃的發(fā)泡劑溶液在濃度為1:20下生成泡沫,以發(fā)泡倍數(shù)、沉降距與泌水量為考慮指標(biāo),進(jìn)行試驗(yàn)。不同溫度下對生成泡沫的性能的影響如圖8-11所示。

圖8 發(fā)泡倍數(shù)與溫度關(guān)系圖 圖9 泡沫密度與溫度關(guān)系圖

圖11 不同溫度下的沉降距與時(shí)間關(guān)系圖

由圖中8可知,發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)隨著溫度升高而升高,通過曲線顯示,濃度基本與發(fā)泡倍數(shù)成正比,只不過當(dāng)溫度為40 ℃和50 ℃時(shí)發(fā)泡倍數(shù)變化不太明顯,說明發(fā)泡劑的適宜溫度應(yīng)該在40～50℃之間;從泡沫密度與溫度關(guān)系圖可以看出,泡沫密度隨著發(fā)泡劑溶液溫度升高而降低;從總泌水量與溫度關(guān)系圖可以看出,隨著溫度的升高,總泌水量逐漸降低,因?yàn)榘l(fā)泡倍數(shù)增大了,密度自然會(huì)變小,總泌水量也自然變小,且變化趨勢基本一致,說明溫度越高,得到的泡沫質(zhì)量越好,且溫度控制在40～50 ℃之間最好。

2.3 泡沫摻量與水灰比對孔隙率的影響

由于不同泡沫摻量下、不同水灰比的膠凝材料制成的發(fā)泡水泥性能差異很大,因此制成多個(gè)成品,即不同泡沫摻量、不同水灰比下的發(fā)泡水泥,接下來測試其孔隙率,由于孔隙率要求盡量大,因此沒有制作1倍泡沫摻量、2倍泡沫摻量的發(fā)泡水泥,制作成品試驗(yàn)所得孔隙率結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 硫鋁酸鹽水泥固化充填材料孔隙率趨勢圖 圖13 硅酸鹽水泥固化充填材料孔隙率趨勢圖

分析圖12、圖13可知,3種不同泡沫摻量的孔隙率與水灰比關(guān)系曲線趨勢基本一致,即水灰比越大時(shí),孔隙率越大,簡言之,膠凝材料中水含量越多,它的孔隙率越大,而對于不同泡沫摻量對孔隙率的影響,泡沫摻量越多膠凝材料的孔隙率越大,即在相同水灰比的情況下,泡沫摻量越大,孔隙率越大,簡言之,當(dāng)固化充填材料中含有的越多泡沫,其自身的孔隙率越大。當(dāng)摻入3倍、4倍、5倍泡沫時(shí),孔隙率變化較大,但是,在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),當(dāng)膠凝材料水灰比為0.8:1,泡沫摻量為5倍時(shí),固化充填材料出現(xiàn)嚴(yán)重收縮,經(jīng)過考慮分析,認(rèn)為此時(shí)的固化充填材料并不穩(wěn)定,充填材料中的水分沖散了部分泡沫,所以體積會(huì)突然收縮。因此,只考慮已知數(shù)據(jù),對于不同泡沫摻量對孔隙率的影響,3倍泡沫摻量時(shí),硫鋁酸鹽水泥注漿材料的孔隙率為34.97%、48.33%、63.47%,硅酸鹽水泥注漿材料的孔隙率為33.33%、49.75%、64.66%,顯而易見,3倍泡沫摻量時(shí),2種水泥的孔隙率受水灰比影響較大,達(dá)到2倍左右。4倍泡沫摻量時(shí)硫鋁酸鹽水泥固化充填材料的孔隙率為56.85%、59.13%、77.99%,硅鋁酸鹽水泥固化充填材料的孔隙率為56.17%、61.15%、78.33%,此時(shí)孔隙率的增長趨勢并不完全成正比,且孔隙率的變化并不明顯。而當(dāng)膠凝材料的水灰比從0.7:1增大為0.8:1時(shí),孔隙率的變化較大,說明當(dāng)泡沫摻量為4倍時(shí),孔隙率受在水分較多時(shí),影響較大,5倍泡沫摻量時(shí)硫鋁酸鹽水泥固化充填材料的孔隙率為57.28%、64.95%,硅鋁酸鹽水泥固化充填材料的孔隙率為59.88%、68.02%。兩種水泥的孔隙率相差不大,并且2種水泥受水灰比的影響也不大,說明當(dāng)泡沫摻量為5倍時(shí),水灰比與膠凝材料種類對固化充填材料的孔隙率影響不大。

3結(jié)論

(1)隨著發(fā)泡劑濃度不斷變小,發(fā)泡倍數(shù)隨之減少,泡沫密度增大,總泌水量增大,而其中當(dāng)發(fā)泡劑濃度為1:20時(shí)的發(fā)泡倍數(shù)大約是濃度為1:60的2倍,而發(fā)泡劑濃度1:20為1:60的3倍,可知發(fā)泡劑濃度低一些,節(jié)省發(fā)泡劑原料,因此,若要大量生成泡沫,需配成濃度稍低的發(fā)泡劑溶液。

(2)同等條件下,發(fā)泡劑濃度基本與發(fā)泡倍數(shù)成正比,隨著發(fā)泡劑溫度不斷升高,發(fā)泡倍數(shù)隨之增加,泡沫密度減小,總泌水量減小,而當(dāng)發(fā)泡劑溫度從40 ℃升到50 ℃時(shí),發(fā)泡倍數(shù)增加不明顯。

(3)同等條件下,隨著溫度的升高,總泌水量逐漸降低,因?yàn)榘l(fā)泡倍數(shù)增大了,密度自然會(huì)變小,總泌水量也自然變小,且變化趨勢基本一致。

(4)注漿材料中的密度和孔隙率不僅受泡沫摻量多少的影響,同時(shí)也受膠凝材料水灰比的影響,當(dāng)泡沫摻量較少時(shí),注漿材料絕大部分被水泥占據(jù),因此孔隙率較小,而當(dāng)泡沫摻量較多時(shí),泡沫的存在阻礙了水泥占據(jù)空間,此時(shí)孔隙率就會(huì)增大;而當(dāng)水灰比較小時(shí),水泥漿體溶液較為粘稠,泡沫進(jìn)來很容易被吞噬掉,因此隨著膠凝材料的水灰比增大,發(fā)泡水泥的密度減少,孔隙率加大。