1.转龙湾煤炭有限公司 内蒙伊金霍洛旗 014300；
2.兖州煤业济南煤炭科技研究院 山东济南 250031
摘要：以42.5级普通硅酸盐水泥为基本量，对粉煤灰、闭孔珍珠岩（玻化微珠）、泡沫掺量、纤维品种、水料比、防水剂掺量、减水剂掺量和促凝剂掺量进行研究和正交试验，以气泡品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值为考核指标，分析各因素的影响规律及显著性，从而确定矿井防冲击防火密闭墙最佳配比方案。
关键词：泡沫混凝土；配合比；正交试验；抗冲击密闭墙
1.矿井密闭墙材质、构筑工艺的研究意义
矿井火灾发生后，最好采用直接灭火方法进行灭火，但由于煤自燃火灾多发生在采空区或破裂煤柱内，火源点较为隐蔽，即使找到火源点，工作人员也难以接近火源实施直接灭火，若直接灭火的安全性不能保证时，应着手实施封闭火区工作。另外，由于火势瞬息万变，密闭墙本身受到矿山压力、高温火源等因素的影响，给火区密闭墙的构筑和管理带来很大的困难，因此有必要对火区密闭墙的构筑工作进行深入研究。密闭墙的质量不仅要考虑到密闭墙的气密性。另外在密闭墙的选材和结构方面受火源高温、耐火极限、矿山压力、爆炸冲击波等因素的影响，因此在构筑火区密闭墙过程中要对其抗压强度、气密性和耐火性进行充分分析。为了防止煤层自燃、有害气体扩散或者瓦斯爆炸而影响安全生产，常常建立密闭墙将易自燃区、有害气体源或瓦斯聚集区进行隔离。所以在井下漏风控制、密闭墙施工规范及使用材质、工艺等方面都需要做大量研究工作。
2.抗冲击防火密闭墙材料选择的思路
2.1材料的选择
煤矿采空区管理是一个必须面对的难题。为了防止采空区有害气体泄漏、遗煤自然发火、可燃气体爆炸等灾害，长期以来，主要采用风压调控、惰化、注浆、加强密闭等措施。当前，作为治理采空区通防隐患的最有效和直接的措施，就是加强采空区的封堵。因此，混凝土密闭墙是一种发展趋势。传统水泥胶结混凝土充填材料中所用水泥一般为42.5普通硅酸盐水泥，用量为150～300kg/m3，水灰比约1.2～1.3，28d 混凝土抗压强度5.0～10.0MPa，水泥在胶结充填成本中占30～60%。降低水泥用量及成本，是寻找适用于矿山新型充填材料的有效途径。泡沫混凝土具有输送方便、流动性好、价格便宜，利用不同级配的尾矿矿粉和水泥进行配比，可以保持一定的强度，完全可以作为一种新型的充填密闭材料在煤矿巷道或采空区封闭中使用。
鉴于上述原因，从系统科学的方法与原理出发，研究开发一种既具有一般混凝土的物理力学性能，同时又兼具轻质、耐火等功能，特别适合于煤矿井下巷道密闭充填使用的泡沫混凝土具有重要意义。
3.新型高性能泡沫混凝土研制
3.1试验原材料
（1）水泥：水泥选用的是市售华新水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其性能制备符合GB175–1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的规定。
（2）粉煤灰选用的是市售武汉罗阳电厂生产的一级粉煤灰，其性能指标符合GB/T1596–2005《用于水泥和混凝土中粉煤灰》规定。
（3）泡沫剂选用的是市售河南华泰建材开发有限公司开发的HT复合发泡剂。HT复合发泡剂是用特别成分经加工、变形、合成所制作出来的一种无污染的强力发泡剂，具有良好的发泡能力，其性能为中性，与水有很好的亲和性，与水混合时是透明的溶液，能在水泥浆中产生大量的气泡，气泡相互独立并均匀分布在水泥浆中，形成大量封闭的孔隙，所以泡沫混凝土具有良好的保温隔热隔音效果。
（4）防水剂选用的是市售Elotex（易来泰）公司生产的seal80高活性可再分散硅烷基憎水剂。
（5）纤维选用的是市售江苏省射阳县永固工程纤维设备有限公司生产的改性聚丙烯束状19mm、19mmY单丝纤维或改性聚丙烯束状6mm、9mm单丝纤维。
（6）减水剂选用的是市售武汉苏博新型建材公司生产的PC100聚羧酸盐高性能减水剂。
（7）促凝剂选用市售中国建筑材料科学研究总院研制的HSA高效速凝剂。
3.2试验设备
试验中用到的主要试验设备如下：
（1）KZJ–500型电动抗折试验机；（2）NYL–600型压力试验机；（3）NJ–160A型水泥净浆搅拌机；（4）JJ–5型水泥胶砂搅拌机（5）水泥标准稠度及凝结时间测定仪（维卡仪）；
（6）101A–2电热鼓风恒温干燥箱；
3.3 试样制备方法
（1）预处理：水泥过0.08mm方孔筛，以防硬块硬粒在泡沫浆里沉积。
（2）原材料计量。
（3）发泡液的配制和添加：发泡剂和水的体积按照1：50的比例配制发泡液，然后加入压力发泡机中制泡。
（4）上料及搅拌：先在搅拌机内加入少量的水（约为设计用水量的1/20），使机筒的筒壁润滑，然后开启搅拌机，在低速（约30～40r/min）搅拌状态下依次加入水泥、粉煤灰、珍珠岩、防水剂、减水剂和纤维，同时按比例加水，直至加料完全后，继续搅拌，等待加泡沫。
（5）发泡：在浆料搅拌的同时发泡，先封闭阀门用空压机加压，当发泡机压力达到3.5MPa时，开启出泡管阀门出泡，同时空压机持续加压。泡沫体积用量杯计量。
（6）加泡沫：在胶凝浆体制备好后，不停机，在搅拌状态下采用“两次法”加入泡沫，即第一次先加入少量泡沫（约占总泡沫量的1/4～1/5），和胶凝浆体混均，使浆料变稀易于分散，再加入剩余的泡沫，高速（约60～120r/min）搅拌2～3min，然后加促凝剂，并继续搅拌30～40s；此时便得到了一种混合均匀的胶凝浆体。
（7）浇注成型：当浆面看不到漂浮的泡沫时，泡沫浆制备完成，可以出料，浇注成型洒水自然养护28天即可。
试样整个制作流程图，见下图2.1所示。
图1 泡沫混凝土制作流程图
3.4 试验方案
本次试验分为两步。
第一步：在综合以往研究成果和实际工程需求的基础上，以市售华新水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥为基本量，对粉煤灰、闭孔珍珠岩（玻化微珠）、泡沫掺量、纤维品种、水料比、防水剂掺量、减水剂掺量和促凝剂掺量7个因素进行研究，每个因素取4个水平，进行正交试验，以气泡品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值为考核指标，分析各因素的影响规律及显著性，从而确定最佳配比方案。第二步：在第一步试验基础上，根据本次研制的泡沫混凝土用途，重点对其抗压和抗冲击性能进行研究。
本次试验以42.5级普通硅酸盐水泥为基本量，以粉煤灰、闭孔珍珠岩（玻化微珠）、泡沫掺量、纤维品种、水料比、防水剂掺量、减水剂掺量和促凝剂掺量7个因素进行研究，每个因素取4个水平（见表1），以气泡品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值为考核指标，分析各因素的影响规律及显著性，从而确定最佳配比方案。
表1 因数水平表
该试验为7因素4水平，因此可以选用L32（4×7）正交表安排试验，每组试验水泥含量为1.8kg，其它各组分含量以该基本量为标准，具体试验配比方案见表2所示，其中A为粉煤灰、B为泡沫、C纤维品种、D为水含量、E为防水剂含量、F为减水剂含量、H为促凝剂含量。
表2 正交试验方案表
3.5试样试验结果及分析
对表2.2中32种不同配方的试样分别进行观察或试验研究，得到每组试样的气泡品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值，见表3所示，其中，试样成型品质一项数值0～3分别代表试样成型很差、较差、合格和很好四个档次，纤维品质一项数值0～3分别代表纤维在泡沫混凝土中的分布均匀程度很差、较差、合格和很好四个档次。
4 结论
通过7因素4水平的正交试验，得出以下几点结论：
（1）粉煤灰含量对纤维在试验中的分布、试样吸水率和劈拉强度/抗压强度比值影响比较显著，吸水率随着粉煤灰含量的增加而减小，劈拉强度/抗压强度比值随着粉煤灰含量的增加而增加。
（2）泡沫量对试样的干密度和劈拉强度/抗压强度比值影响较大。
（3）水料比对试样成型质量的影响最为关键，而试样的成型情况又直接关系到其它各项性能，因此，水料比也是一个不可小视的因素。
（4）本次试验试用了四种纤维，试验发现影响纤维在泡沫混凝土中分布均匀性的三个主要因素分别是纤维品种、和粉煤灰含量，其中尤以纤维品种的影响最为明显，其它的因素都不是很显著。通过进一步分析可知，品种2和4的纤维效果好。
（5）增稠剂含量对试样的成型质量有一定的影响，通过本系列试验认为增稠剂含量为2~4%时，试样成型最好。
根据上述结论，综合考虑后遴选出本试验认为的最佳配合比方案如下表4所示：
表3 正交试验结果
注：“–”是代表试样塌模，所以没有数据
表4 最佳配比方案
参考文献：
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论文作者:张庆勇1,郑旋2,岳博2,徐光2
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/21
标签：泡沫论文; 试样论文; 抗压强度论文; 纤维论文; 吸水率论文; 混凝土论文; 水泥论文; 《防护工程》2019年第3期论文;