謝玉芬 ，段星澤，廖建國(guó)，張義順

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作　454000)

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聚合物改性混凝土的研究及在煤礦井下的應(yīng)用

謝玉芬 ，段星澤，廖建國(guó)，張義順

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作454000)

本文通過(guò)對(duì)聚合物乳液改性混凝土的力學(xué)性能和耐久性能研究，得到了一種用于井巷修補(bǔ)的新型聚合物改性混凝土，并確定了各組分之間最佳配比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聚合物乳液可以改善混凝土性能。與普通混凝土相比，聚合物改性混凝土的抗折強(qiáng)度高36.8%，劈裂強(qiáng)度提高53.1%，粘結(jié)強(qiáng)度提高68%，抗?jié)B性提高了83.3%；同時(shí)通過(guò)掃描電鏡照片對(duì)乳液改性混凝土的機(jī)理進(jìn)行了分析，聚合物改性混凝土內(nèi)部形成連續(xù)完整的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，極大地提高了材料的力學(xué)性能和耐久性能。

聚合物乳液; 硅灰; 力學(xué)性能; 耐久性能; 機(jī)理分析

1　引　言

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2014年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，我國(guó)2014年原煤產(chǎn)量為38.7億噸[1]，而在施工建造開采這些煤的煤礦井巷過(guò)程中都會(huì)遇到混凝土質(zhì)量問(wèn)題，如裂縫、大面積損壞、空洞等，必須進(jìn)行加固修補(bǔ)，才能使其運(yùn)轉(zhuǎn)正常。普通混凝土脆性大，韌性低，抗折和粘結(jié)強(qiáng)度低，抗凍能力差，用其作修補(bǔ)材料容易造成界面粘結(jié)不牢、開裂而導(dǎo)致混凝土再度損壞等問(wèn)題[2]。用聚合物改性可提高混凝土脆性、改善耐久性、增強(qiáng)界面粘結(jié)性[3-10]。

本文在普通混凝土中摻入聚合物乳液對(duì)其進(jìn)行改性，制備出一種粘結(jié)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、耐久性能良好且成本較低的聚合物改性混凝土，以滿足井巷修補(bǔ)加固需要。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原料

(1)水泥：普通硅酸鹽水泥42.5# ，河南焦作堅(jiān)固水泥廠，水泥物理性能指標(biāo)見下表1。

表1　水泥物理性能指標(biāo)

(2)砂：黃砂，河南信陽(yáng)，砂子的含水量為1.8%，含泥量為2.5%，細(xì)度模數(shù)為2.8的中砂;

(3)碎石：花崗巖碎石，含水率為0.095%，含泥量為0.26%，堆積密度1520 kg/m3，表觀密度2670 kg/m3，5～25 mm粒徑碎石60%，20～40粒徑碎石40%，級(jí)配良好;

(4)聚合物乳液：丙烯酸酯乳液(簡(jiǎn)稱PAE)，固含量為50±1，粘度為500～1100 MPa·s;

(5)硅灰：上海埃肯有限公司，容重為150～200 kg/m3，SiO2含量為85%～94%;

(6)減水劑：萘系高效減水劑(FDN-8000),焦作市協(xié)力建材有限公司，減水率為20%;

(7)消泡劑：L-1000系列有機(jī)硅消泡劑;

(8)穩(wěn)定劑：OP型乳化劑。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)聚合物改性混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，配合比如表2所示。

表2　混凝土配合比

本實(shí)驗(yàn)采用劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)表征聚合物改性混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。制備10 cm×10 cm×10 cm混凝土試件，24 h脫模，養(yǎng)護(hù)28 d后，將試件切分為兩半，一半放回模具內(nèi)，然后澆注聚合物改性混凝土到模具空余部分，24 h脫模，養(yǎng)護(hù)至28 d，測(cè)其劈裂抗拉強(qiáng)度。

參照GBJ82-1985《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》對(duì)聚合物改性混凝土的抗?jié)B性和抗凍性進(jìn)行試驗(yàn)；采用NEL-PD型混凝土滲透性檢測(cè)儀器對(duì)聚合物改性混凝土進(jìn)行抗氯離子試驗(yàn)檢測(cè)。

3　結(jié)果與討論

3.1力學(xué)性能

力學(xué)性能結(jié)果見表3。

從表3可以看出：與空白混凝土相比較，單摻聚合物乳液改性混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低，雙摻乳液和硅灰改性的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高了10.3%；單摻和雙摻改性混凝土的抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度均有較大提高，雙摻時(shí)對(duì)混凝土的改性效果更好，其28 d抗折強(qiáng)度提高了36.8%，劈裂強(qiáng)度提高了53.1%，改性混凝土力學(xué)性能得到較大的提高。

表3　不同配方混凝土的力學(xué)性能和耐久性

3.2粘結(jié)性能

粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B性結(jié)果見表4，從表4可知：雙摻聚合物改性混凝土最高。單摻聚合物乳液時(shí)，混凝土粘結(jié)強(qiáng)度提高了50%；雙摻聚合物乳和液硅灰時(shí)，提高了68%。這些研究表明：加入聚合物乳液和硅灰，明顯改善了混凝土新老界面的粘結(jié)強(qiáng)度，聚合物改性混凝土可以作為一種優(yōu)良的界面修補(bǔ)粘結(jié)材料。

3.3耐久性能

耐久性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知：

(1)空白混凝土抗?jié)B能力較差，加入聚合物乳液，混凝土抗?jié)B性提高了77.2%；摻聚乳液和硅灰時(shí)，混凝土抗?jié)B性進(jìn)一步提高到83.3%。聚合物乳液加入，明顯改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)，空隙降低，大孔減少；小粒度硅灰加入進(jìn)一步填充內(nèi)部空隙，提高了混凝土密實(shí)性，從而較大的提高其抗?jié)B性能;

(2)與空白混凝土相比，加入聚合物乳液混凝土抗凍性能提高，雙摻乳液和硅灰混凝土抗凍性能進(jìn)一步提高;

(3)空白混凝土抗?jié)B等級(jí)Ⅲ；加入聚合物乳液混凝土抗?jié)B等級(jí)提高到Ⅴ；雙摻乳液和硅灰混凝土抗?jié)B等級(jí)為Ⅵ (Ⅲ為中，Ⅴ為低，Ⅵ為極低)。說(shuō)明加入聚合物乳液，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，更加致密，孔隙率降低，抗氯離子滲透性能力得到較大改善，從而使混凝土耐久性得到了提高。

表4　不同配方混凝土的力學(xué)性能和耐久性

3.4微觀形貌分析

通過(guò)對(duì)聚合物乳液PAE改性混凝土的SEM照片圖1分析可知：

聚合物改性混凝土后，混凝土內(nèi)部微裂縫和空隙進(jìn)一步減少，聚合物乳液在混凝土內(nèi)部成膜，聚合物改性混凝土內(nèi)部大孔減少，小孔增多，孔徑分布趨于減少，形成連續(xù)完整的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥與聚合物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)水化產(chǎn)物之間的連接，混凝土趨于轉(zhuǎn)化成一種連續(xù)而密實(shí)的結(jié)構(gòu)，極大地提高了材料的力學(xué)性能和耐久性能。

4　應(yīng)　用

表5　混凝土配合比

本研究所得聚合物改性混凝土的應(yīng)用在某煤礦進(jìn)行，該礦二水平煤層巷道兩側(cè)有大量裂縫、蜂窩麻面、空洞等，為了評(píng)價(jià)改性混凝土的使用效果，在井巷兩側(cè)分別使用聚合物改性混凝土和普通混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。普通混凝土(P0)和高性能聚合物混凝土(P1)的配合比見表5。

圖1　摻入聚合物改性混凝土SEM照片(a)×3000;(b)×6000Fig.1　SEM images of polymer modified concrete

圖2　混凝土修補(bǔ)巷道回彈儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2　Field test data of the concrete repair roadway rebound mete

修補(bǔ)后的巷道經(jīng)用錨桿鉆機(jī)打孔進(jìn)行檢測(cè)，聚合物改性混凝土和煤層的粘結(jié)較緊密。并用ZC2-A型回彈儀，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了不同位置的混凝土強(qiáng)度。方法是在巷道的施工長(zhǎng)度上，每個(gè)修補(bǔ)位置測(cè)試2～3次，取平均值，共選取10個(gè)位置，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

按照《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50082001) 的規(guī)定，對(duì)巷道修補(bǔ)用混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，采用混凝土大板切割成標(biāo)準(zhǔn)試塊的方法進(jìn)行。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6　修補(bǔ)用混凝土性能檢測(cè)結(jié)果

從成本方面分析普通混凝土和巷道使用的聚合物改性混凝土材料成本見表7。

表7　普通噴射混凝土和巷道修補(bǔ)用聚合物改性混凝土材料成本

從表6和表7可以看出，與普通混凝土相比，聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度提高了13.76%，粘接性能提高了153%，每立方米混凝土成本僅高了0.6%，性價(jià)比大大提高。

5　結(jié)　論

(1)單摻聚合物改性混凝土28 d抗折強(qiáng)度提高了26.3%，28 d劈裂強(qiáng)度提高了37.5%；雙摻聚合物乳液和硅灰混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高了10.3%，28 d抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高了36.8%和53.1%。聚合物改性混凝土力學(xué)性能得到較大的提高;

(2)摻入聚合物較大提高了混凝土粘結(jié)強(qiáng)度。與普通混凝土相比，單摻時(shí)提高50%；雙摻時(shí)提高68%，這表明加入聚合物可以改善混凝土新老界面粘結(jié)強(qiáng)度，聚合物改性混凝土可以作為一種優(yōu)良的界面修補(bǔ)粘結(jié)材料;

(3)摻入聚合物混凝土耐久性能得到明顯改善。加入聚合物，混凝土抗?jié)B性提高了77.2%，雙摻聚合物和硅灰，混凝土抗?jié)B性進(jìn)一步提高到83.3%，同時(shí)混凝土抗凍性和抗氯離子滲透性都得到了極大的提高;

(4)通過(guò)試驗(yàn)，優(yōu)選出一種新型用于井巷修補(bǔ)的聚合物改性混凝土的最佳配合比。水灰比0.45，聚灰比0.10，砂率40%，減水劑摻量為水泥的1.2%，硅灰摻量為水泥摻量的12%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，聚合物改性混凝土不論在材料自身強(qiáng)度還是與巷道的粘結(jié)強(qiáng)度方面都優(yōu)于普通混凝土，且性價(jià)比更高。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局,2014年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[R].中國(guó)統(tǒng)計(jì)資料館,2015.

[2]張春光.礦用高性能聚合物改性混凝土研究[D].焦作,河南理工大學(xué)學(xué)位論文,2009.

[3]John N,Karadelis,Lin Y G.Flexural strengths and fibre efficiency of steel-fibre-reinforced,roller-compacted,polymer modified concrete[J].Construction and Building Materials,2015,93:498-505.

[4]農(nóng)金龍,易偉建,黃政宇,等.加固用丁苯混凝土長(zhǎng)期黏結(jié)性能及機(jī)理研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012,33(12):112-120.

[5]Retno S R M I,Harianto H,Sri T,et al.The advantage of natural polymer modified mortar with seaweed:green construction material innovation for sustainable concrete[J].Procedia Engineering,2014,95:419-425.

[6]楊建森,姜曉楠.聚合物膠粉改性混凝土的力學(xué)性能[J].硅酸鹽通報(bào),2015,34(3):649-652.

[7]John N K,Lin Y G.A comparison of flexural strengths of polymer (SBR and PVA) modified,roller compacted concrete[J].Data in Brief,2015,4:422-429.

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[10]衡艷陽(yáng),趙文杰.聚合物改性水泥基材料的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(2):365-371.

Research and Application in Coal Mine of Polymer Modified Concrete

XIE Yu-fen，DUAN Xing-ze，LIAO Jian-guo，ZHANG Yi-shun

(School of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Through the mechanical properties and durability of the study on the emulsion polymer modified concrete,a new,used for laneway repair of polymer modified concrete has been received,and the various components of the best Content has been identified. The results show that emulsion polymer had more positive effect on the properties of concrete. Compared with the ordinary concrete,the flexural strength,splitting tensile strength,bond strength and impermeability of the emulsion polymer modified concrete are increased by 36.8%,53.1%,68%,83.3%,respectively. At the same time by scanning electron microscope photographs of the polymer modified concrete mechanism is analyzed.The continuous and complete space network structure is formed in the emulsion polymer modified concrete,which greatly improves the mechanical properties and durability of the materials.

emulsion polymer;silicon fume;mechanical property;durability property;mechanism analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1304820)；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃(152102210103)；河南省教育廳基礎(chǔ)研究計(jì)劃(13A430331)

謝玉芬(1979-)，女，講師.主要從事水泥基復(fù)合材料方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0568-05