陶梓鋒,張一蕭,李 爽,王一雋,吳 兵
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京 100083)
目前,國(guó)內(nèi)外諸多深層煤礦礦井均已達(dá)到了35℃以上的地溫,例如河南平頂山的五礦,采深718 m時(shí),原始巖溫達(dá)到了42.18 ℃;平頂山八礦,采深663 m 時(shí),井下原始巖溫為43 ℃以上。這將使得作業(yè)場(chǎng)所的環(huán)境溫度超過(guò)正常作業(yè)的要求,且會(huì)對(duì)人體造成負(fù)擔(dān)和傷害[1]。
在現(xiàn)有的解決方案中通風(fēng)降溫法、減少熱源法占主流,另有礦井空調(diào)、空氣冷卻裝置等主動(dòng)制冷的方法[2-4]。其中,保溫隔熱混凝土在建筑領(lǐng)域的研究已經(jīng)非常成熟[5-14]。隔熱方法主要分為2 種:①摻雜低導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱骨料或添加劑以提升混凝土整體隔熱性能,即輕骨料混凝土;②將混凝土加氣,制成泡沫混凝土,利用氣孔中空氣的優(yōu)良隔熱性能以提升混凝土整體隔熱效果,即發(fā)泡混凝土。
目前,行業(yè)內(nèi)通過(guò)加入60%氣凝膠,可以制作出導(dǎo)熱性能出色的氣凝膠輕集料混凝土,實(shí)際導(dǎo)熱性能可以達(dá)到0.26 W/(m·K)[15]。根據(jù)韓金光等[16]與王鵬[17]對(duì)膨脹珍珠巖混凝土以及陶粒混凝土的熱力學(xué)測(cè)試,復(fù)合改性膨脹珍珠巖保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)可降低至0.40 W/(m·K),而陶?;炷翆?dǎo)熱系數(shù)可降低至0.337 W/(m·K);根據(jù)宋雪嬌等[18]、張澤平[19]對(duì)?;⒅榛炷恋难芯?,可發(fā)現(xiàn)該種混凝土隔熱性能優(yōu)良,在使用再生粗骨料以及6%摻量玻化微珠的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.835 W/(m·K);但根據(jù)郭文兵等[20]的研究,用于井下巷道的導(dǎo)熱系數(shù)最好低于0.23W/(m·K)才會(huì)有比較好的隔熱效果。為此,以隔熱材料中的隔熱混凝土作為著手點(diǎn),通過(guò)正交試驗(yàn),研究1 種具有高隔熱效果的噴涂混凝土材料,作為錨噴工程的補(bǔ)充材料,有效隔絕原巖攜帶的熱量,減弱通風(fēng)風(fēng)流與原巖的熱交換,降低礦井風(fēng)流的溫度,從而達(dá)到井下熱害防治的目的。
1)混凝土基料。①水泥:選用32.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥以及42.5 級(jí)硫鋁酸鹽水泥;②河沙:本地河沙,細(xì)度模數(shù)2.5 左右;③石子:粒徑約為5~10 mm。
2)輕集料。以提升混凝土隔熱效果為目的的摻雜骨料有諸多品種,其中氣凝膠材料、膨脹珍珠巖(憎水與不憎水2 種)、?;⒅橐蚴袌?chǎng)認(rèn)可度、成本高昂等問(wèn)題,不予考慮。而根據(jù)趙美艷等[21]對(duì)聚苯顆粒混凝土的研究,確定了聚苯顆粒的摻雜對(duì)混凝土導(dǎo)熱性能提升明顯且造價(jià)低廉,但并沒(méi)有和發(fā)泡混凝土相結(jié)合。綜上,采用陶粒和聚苯顆粒為輕集料:①聚苯顆粒:河北廊坊卓澤節(jié)能科技生產(chǎn)的小顆粒聚苯顆粒;②陶粒:考慮混凝土噴射設(shè)備要求,粒徑≤2 cm。
3)發(fā)泡劑。發(fā)泡方式主要分為物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡2 種,其中化學(xué)發(fā)泡法,即通過(guò)添加化學(xué)發(fā)泡劑使混凝土發(fā)泡,可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)泡劑添加時(shí)間,讓發(fā)泡集中期在噴射完成之后,更適合噴漿工藝,所以研究采取化學(xué)發(fā)泡方式,并選取鄒平縣精創(chuàng)顏料有限公司生產(chǎn)的GLS-65 型鋁粉膏作為發(fā)泡劑。
4)外摻劑。選用增稠劑以調(diào)節(jié)砂漿黏度,防止聚苯顆粒因密度小于水而上浮,并選用減水劑與穩(wěn)泡劑盡量減少發(fā)泡后的強(qiáng)度損失。具體如下:①增稠劑:石家莊寇格纖維素有限公司生產(chǎn)的25 萬(wàn)黏度HPMC 增稠劑;②減水劑:天津偉合科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的混凝土早強(qiáng)減水劑;③穩(wěn)泡劑:衡水通力工程材料有限公司生產(chǎn)的混凝土用表面活性劑。
可選的基礎(chǔ)材料配合比見(jiàn)表1。通過(guò)小批量制作試塊,驗(yàn)證鋁粉膏的添加所導(dǎo)致的水泥減損對(duì)試塊性狀的影響,最終確定出最為恰當(dāng)?shù)呐浜媳群弯X粉膏添加量。試塊于室溫20 ℃的房間中靜置養(yǎng)護(hù)7 d 后,其外觀圖如圖1。
表1 可選的基礎(chǔ)材料配合比Table 1 Available mix proportion of basic materials
圖1 7 d 后外觀圖Fig.1 The exterior after 7 days
1~3 號(hào)強(qiáng)度明顯逐漸上升,3~4 號(hào)試塊的強(qiáng)度近似,觀察其氣孔狀態(tài)以及膨脹效果,3 號(hào)膨脹效果明顯優(yōu)于4 號(hào),分析其原因?yàn)? 號(hào)添加鋁粉膏過(guò)量使發(fā)泡過(guò)程中氣泡過(guò)大,相較小氣孔,過(guò)大氣泡更容易向上浮動(dòng)、排出氣體,使凝結(jié)后的氣泡大量減少,反而導(dǎo)致發(fā)泡效果不佳。而1 號(hào)試塊因水泥添加量過(guò)少,鋁粉膏在發(fā)泡過(guò)程中會(huì)與水泥中的Ca(OH)2反應(yīng),減少水泥中的有效成分,水泥強(qiáng)度降低。綜上,選取擴(kuò)大水泥添加量并加入適量鋁粉膏的3 號(hào)方案作為基本配方,即水泥∶河沙∶石子∶水=1∶0.67∶0.56∶0.50,每公斤混凝土添加4 g 鋁粉膏。
在3 號(hào)試塊配合比的基礎(chǔ)之上,將聚苯顆粒、高鋁水泥、陶粒的含量作為影響因素,為便于表述,將聚苯顆粒代替細(xì)骨料占比、高鋁水泥代替硅酸鹽水泥的比例、陶粒代替粗骨料占比,分別用因素A、B、C 代替。確定3 個(gè)含量水平,并由此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。影響因素表見(jiàn)表2,共設(shè)計(jì)的9 組正交試驗(yàn)見(jiàn)表3,換算形成的具體配方見(jiàn)表4。
表2 影響因素表Table 2 The table of impact factors
表3 正交試驗(yàn)表Table 3 Orthogonal experimental table
表4 具體配方表Table 4 The table of formulations
試塊的制作采用模擬噴射場(chǎng)景的方式,首先將鋁粉膏等發(fā)泡劑按照配比形成發(fā)泡漿體,同時(shí)將水泥,河沙,石子,水,陶粒置于容器中進(jìn)行不少于4 min 的充分?jǐn)嚢?。攪拌均勻后將發(fā)泡漿體與水泥漿體進(jìn)行混合,同時(shí)進(jìn)行約2 min 的攪拌,使其達(dá)到均質(zhì)化。為模擬噴射過(guò)程,將攪拌好的漿料從距離地面3 m 處用力傾倒入模具中。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》將混凝土試塊置于養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)14 d 后拆模,進(jìn)行混凝土試塊隔熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度等測(cè)試。
根據(jù)表4 所確定的試驗(yàn)方案,按各號(hào)試驗(yàn)規(guī)定的試驗(yàn)條件,進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),各組抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表5。
表5 各組抗壓強(qiáng)度Table 5 The results of compressive strength experiments
不難發(fā)現(xiàn),試塊強(qiáng)度均低于GB 50086—2015 中規(guī)定的錨噴作業(yè)C20 混凝土強(qiáng)度要求,即標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度要達(dá)到20 MPa,但高于強(qiáng)度要求計(jì)算值1 MPa[21],故可使用正常工程用混凝土作為強(qiáng)度層,在其基礎(chǔ)之上噴射此隔熱混凝土。
隨后進(jìn)行試塊的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn),并利用正交表來(lái)分析試驗(yàn)結(jié)果。各組的導(dǎo)熱系數(shù)詳見(jiàn)表6。
表6 導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表Table 6 The results of thermal conductivity and compressive strength experiment
根據(jù)極差R 數(shù)據(jù)可知,因素C 較大,因素B 最小。這反映了因素C 水平變動(dòng)時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)波動(dòng)最大,因素B 的水平變動(dòng)時(shí),指標(biāo)波動(dòng)較小。由此可根據(jù)極差的大小順序排出因素的主次順序:C(陶粒代替粗骨料占比)>A(聚苯顆粒代替細(xì)骨料占比)>B(高鋁水泥代替硅酸鹽水泥的占比)。
根據(jù)K1、K2、K3的大小可知,在因素B、C 摻量增加、因素A 摻量減小時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)值也在增加,因此,為降低導(dǎo)熱系數(shù),提高隔熱性能,可以使B、C 摻量較低。
遠(yuǎn)離陶粒位置的混凝土截面圖如圖2,陶粒附近位置的混凝土截面圖如圖3。
圖2 遠(yuǎn)離陶粒位置的混凝土截面圖Fig.2 Sectional drawing of concrete away from ceramsite
由圖2、圖3 可以看出,在陶粒附近的混凝土發(fā)泡效果普遍劣于其他遠(yuǎn)離陶粒部分的混凝土,這導(dǎo)致了在添加過(guò)量陶粒后材料隔熱性能的降低,而這個(gè)現(xiàn)象形成的原因是在膨脹過(guò)程中,陶粒因密度低于混凝土其他部分,上浮速度較快,表面的粗糙部分剮蹭已發(fā)泡但尚未干涸的混凝土部分,導(dǎo)致起泡破裂、氣孔坍塌。
圖3 陶粒附近位置的混凝土截面圖Fig.3 Sectional drawing of concrete near ceramsite
高鋁水泥的添加同樣會(huì)導(dǎo)致材料整體隔熱性能下降,其原因?yàn)樵诨瘜W(xué)發(fā)泡過(guò)程中放出較多的熱量,本身便使得水分蒸發(fā)加快,初凝時(shí)間提前,不利于起泡的產(chǎn)生,讓導(dǎo)熱系數(shù)升高,隔熱能力下降。
綜上,可以得到:聚苯顆粒代替細(xì)骨料占比為15%、高鋁水泥代替硅酸鹽水泥的占比為6%、陶粒代替粗骨料占比為20%的方案為最優(yōu)方案。
建立1 條1 km 長(zhǎng),橫斷面積11.569 m2的平直巷道,混凝土噴射厚度取0.2 m。風(fēng)速選取2、2.5、3、4 m/s 4 種情況,入口風(fēng)流溫度考慮到季節(jié)變化,取20、25 ℃2 種情況。在巖石溫度40 ℃的情況下,進(jìn)行模擬。巷道正視圖如圖4,巷道側(cè)視圖如圖5,各部分導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表7。
表7 各部位導(dǎo)熱系數(shù)Table 7 The thermal conductivities of each part
圖4 巷道正視圖Fig.4 The front view of roadway
圖5 巷道側(cè)視圖Fig.5 The end view of roadway
對(duì)8 種不同工況進(jìn)行模擬,得到的各工況模擬結(jié)果匯總表見(jiàn)表8。經(jīng)計(jì)算,得到的入口風(fēng)流溫度為20 ℃(冬天)和25 ℃(夏天)時(shí),使用復(fù)合隔熱型混凝土與普通混凝土的巷道風(fēng)流溫升與入口風(fēng)流的關(guān)系分別如圖6、圖7。
表8 各工況模擬結(jié)果匯總表Table 8 The results of simulation under each working conditions
由圖6 和圖7 可以看出:對(duì)于風(fēng)速工況而言,隨著入口風(fēng)流速度的變化,不論是在入口風(fēng)流溫度25℃(夏季)環(huán)境中還是在入口風(fēng)流溫度20 ℃(冬季)環(huán)境中,巷道風(fēng)流溫升都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),即入口風(fēng)流速度越大,巷道風(fēng)流溫升越低。但使用了復(fù)合隔熱型混凝土的巷道明顯溫升降低趨勢(shì)較大,降溫效果顯著,且經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn),隔熱性能好的復(fù)合隔熱型混凝土對(duì)風(fēng)流速度的變化更敏感,所以更推薦復(fù)合隔熱型混凝土配合其它加大風(fēng)流速度措施。
圖6 20 ℃下巷道風(fēng)流溫升與入口風(fēng)流曲線Fig.6 Curves of wind temperature increase and inlet wind speed under 20 ℃
圖7 25 ℃下巷道風(fēng)流溫升與入口風(fēng)流的曲線Fig.7 Curves of wind temperature increase and inlet wind speed under 25 ℃
出口風(fēng)流溫度與入口風(fēng)速的曲線如圖8,2 種巷道的出口風(fēng)流溫差與入口風(fēng)速的曲線如圖9。
圖8 出口風(fēng)流溫度與入口風(fēng)速的曲線Fig.8 Curves of outlet wind temperature and inlet wind speed
圖9 2 種巷道的出口風(fēng)流溫差與入口風(fēng)速的曲線Fig.9 Curves of inlet wind speed and outlet temperature difference of two kinds of roadway
由圖8 可以看出:對(duì)于2 種入口風(fēng)流溫度以及2 種混凝土的情況而言,入口風(fēng)流速度越高,降溫效果越好,但這并不意味著在任何工況條件下,使用了復(fù)合隔熱型混凝土后,入口風(fēng)速越高,其降溫效果比之普通混凝土就越顯著。
由圖9 可以看出:在入口風(fēng)流溫度為20 ℃的工況下,風(fēng)速在3 m/s 時(shí)復(fù)合隔熱混凝土比之普通混凝土的優(yōu)越性最為明顯,相比之下,能將巷道出口風(fēng)流溫度降低約8.8 ℃。
1)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究,確定了鋁粉膏發(fā)泡劑最佳的添加量,并以陶粒、聚苯顆粒以及高鋁水泥摻量為影響因素,通過(guò)正交試驗(yàn),確定影響水平,最終探索出1 種可以在巷道錨噴工程中應(yīng)用的復(fù)合隔熱型混凝土材料。其方案為:在水泥∶河沙∶石子∶水=1∶0.67∶0.56∶0.50,每公斤混凝土添加4 g 鋁粉膏的基礎(chǔ)上,使用聚苯顆粒代替15%細(xì)骨料、高鋁水泥代替6%硅酸鹽水泥、陶粒代替20%粗骨料。
2)經(jīng)檢測(cè)復(fù)合隔熱型混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)已降低至0.23 W/(m·K)以下,達(dá)到預(yù)期,僅為0.139 8 W/(m·K),相當(dāng)于普通錨噴C20 混凝土的1/12。
3)根據(jù)后續(xù)模擬實(shí)驗(yàn),相較使用普通C20 混凝土錨噴工藝,能夠?qū)⑾锏罍囟扔行Ы档?,特別在入口風(fēng)流溫度20 ℃、風(fēng)速3 m/s 的工況下,能將巷道出口風(fēng)流溫度降低約8.8 ℃,很大程度地延緩了巖石熱向巷道內(nèi)傳遞。
4)隔熱性能好的復(fù)合隔熱型混凝土對(duì)風(fēng)流速度的變化更敏感,更推薦復(fù)合隔熱型混凝土配合其它加大風(fēng)流速度措施。
5)泡沫混凝土在巷道應(yīng)用中優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)并存,在大幅降低導(dǎo)熱系數(shù),提升保溫性能的同時(shí),需要普通的C20 錨噴混凝土作為基底。
6)泡沫混凝土的發(fā)泡劑與混凝土混合后極短時(shí)間便開始發(fā)泡,若在錨噴中提前預(yù)混攪拌后再進(jìn)行噴漿將會(huì)造成還未噴出便已開始發(fā)泡的狀況,故也需要對(duì)錨噴混凝土工藝、設(shè)備做出一定改進(jìn)。