文獻(xiàn)綜述-高水材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).doc

高水材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)文獻(xiàn)綜述：1995-2012摘要：高水材料是一種主要用于礦井支護(hù)、填充、堵漏、固土、阻燃滅火和污水處理，并具有廣泛應(yīng)用前景的無(wú)機(jī)膠凝材料。雖然具備某些優(yōu)異的性能，但是在許多工程中仍不能滿足其應(yīng)用。目前，它正在向石油工程和超高水材料方向發(fā)展。關(guān)鍵字：高水材料 填充 發(fā)展 研究 趨勢(shì)一、高水材料的起源及組成：高水材料是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)機(jī)膠凝材料，全稱為高水速凝材料。它是一種使用方便，并具有一定力學(xué)性能的新型可泵性支護(hù)材料1、2。高水材料通常由A、B兩種組分組成，A組分一般由鋁酸鹽或硫鋁酸鹽水泥燒結(jié)料、懸浮劑、緩凝劑和分散劑組成，B組分由石膏、石灰和復(fù)合速凝、早強(qiáng)劑和懸浮分散劑組成，A、B組分質(zhì)量比一般是1:1，并且按大致相同的水灰比分別加水?dāng)嚢韬笥晒艿垒斔偷教畛湮恢迷倩旌夏Y(jié)成固化，所以高水材料可以不凝結(jié)、不堵管、可泵送，混合后又能速凝早強(qiáng)，可用于礦井支護(hù)、填充、堵漏、固土、阻燃滅火和污水處理等，具有廣泛的應(yīng)用前景。2-7二、高水材料的研究現(xiàn)狀：雖然高水材料具備眾多的優(yōu)異性能，在許多工程中也得到了應(yīng)用，但是在對(duì)其研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，以鈣礬石為主體的結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度變化起伏較大，以致在許多工程應(yīng)用中不能滿足其應(yīng)用要求。8對(duì)此，眾多學(xué)者專家對(duì)高水速凝材料做了各種各樣的改性研究。2009年12月陳洪令、王玉平利用硫酸鋁對(duì)硫鋁酸鹽基高水材料進(jìn)行凝膠化改性。通過(guò)X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞儀等現(xiàn)代測(cè)試手段，研究了硫鋁酸鹽基高水材料凝膠化改性后的微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度間的關(guān)系。結(jié)果表明，高水材料經(jīng)凝膠化改性后，水化形成以鈣礬石為主的結(jié)構(gòu)體，其1d抗壓強(qiáng)度為3.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)7.8MPa；硫酸鋁凝膠化改性可以促進(jìn)鈣礬石的形成，改善結(jié)構(gòu)體的孔結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)體致密性，提高高水材料的強(qiáng)度。凝膠化改性后的高水材料可用作一種優(yōu)良的充填材料。82010年04月，由陳洪令、王玉平在硫鋁酸鹽基高水材料中引入了粘土礦物對(duì)其進(jìn)行改性，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)討論了原料配比、細(xì)度及粘土礦物摻量對(duì)硫鋁酸鹽基高水材料結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度的影響，并得出了最佳配比方案。結(jié)合X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)等現(xiàn)代測(cè)試方法，對(duì)改性硫鋁酸鹽基高水材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，原料配比是影響高水材料結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度的主要因素，硫鋁酸鹽水泥熟料石膏石灰=10.40.15，外摻10%的膨潤(rùn)土，水化形成以鈣礬石為主的結(jié)構(gòu)體，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.5MPa；外摻適量膨潤(rùn)土可以改善漿體的均勻性，減少泌水和分層現(xiàn)象，促進(jìn)結(jié)構(gòu)體的形成。改性后的高水材料，可用作一種優(yōu)良的充填材料。92011年09月，由彭美勛、蔣建宏、張欣等人做了一項(xiàng)關(guān)于礦用高水材料的組分對(duì)其性能與微結(jié)構(gòu)的影響研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)綜合研究高水速凝材料各組分對(duì)其工作性能和固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響，并利用XRD與SEM研究了材料的微結(jié)構(gòu)。研究證明:硫鋁酸鹽熟料漿(A組分)的懸浮性不如石膏與石灰(B組分)混合漿，所需懸浮劑也更多；B組分中石膏摻量在80%85%范圍內(nèi)，高水速凝材料各齡期強(qiáng)度穩(wěn)定在較高的平臺(tái)。緩凝劑的加量為1.8%時(shí)A組分的凝結(jié)時(shí)間可達(dá)24h；速凝劑加量為A組分的0.050%0.300%時(shí)，試塊各齡期的同齡期強(qiáng)度比較穩(wěn)定；水灰比為3.0時(shí)，摻入0.100%的速凝劑，試塊7d的強(qiáng)度最高，達(dá)3.19MPa。高水材料由柱狀鈣礬石網(wǎng)絡(luò)狀連接而成，且含水量越高，鈣礬石晶體越細(xì)小。16張彩文、魏慶敏等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)在原料中加入一定量的膨潤(rùn)土?xí)r，由于膨潤(rùn)土在水中易分散為大量極微小的薄片,與棱柱狀水化產(chǎn)物AFt一起構(gòu)成絮凝結(jié)構(gòu)網(wǎng),封閉自由水,促使?jié){體凝固。絮凝結(jié)構(gòu)形成后,膨潤(rùn)土因妨礙晶體連生而對(duì)強(qiáng)度發(fā)展不利。11三、高水材料的發(fā)展趨勢(shì)：目前，高水材料主要用于礦井的充填,但是按當(dāng)前趨勢(shì)來(lái)看，它正在向石油工程以及超高水材料發(fā)展過(guò)渡。2001年由紀(jì)朝鳳首次在室內(nèi)做了將高水速凝材料用于石油工程的研究，高水材料可替代水泥運(yùn)用于低密度固井,可以得到性能接近,但成本較低的低密度水泥漿；也可替代礦渣用于MTC技術(shù),不僅可以解決礦渣MTC的問(wèn)題而且成本不會(huì)超過(guò)礦渣MTC技術(shù),還可以用于廢棄鉆井液固化；由于具有在流動(dòng)時(shí)稠化時(shí)間很長(zhǎng),而靜止后能迅速凝固的特性,還可以作為一種快速堵漏材料；在控制一定的粒徑后,高水材料可以作為一種防砂材料。11超高水材料是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究發(fā)明的一種新型材料。2011年7月，由丁玉、馮光明、王成真等人對(duì)超高水充填材料基本性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。超高水材料由A、B兩種材料組成，A料主要以鋁土礦、石膏等獨(dú)立煉制成主料并配以復(fù)合超緩凝分散劑(又稱AA)構(gòu)成；B料由石膏、石灰混磨成主料并與少量復(fù)合速凝劑(又稱BB)構(gòu)成。二者以1：1比例配合使用，水體積在95一97時(shí)，超高水材料固結(jié)體抗壓強(qiáng)度可根據(jù)水體積的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)且能實(shí)現(xiàn)初凝時(shí)間在890min之間的按需調(diào)整，其28d強(qiáng)度可達(dá)到066150MPa。超高水材料A、B兩料單漿液可持續(xù)3040h不凝固，混合以后材料可快速水化并凝固，調(diào)整外加劑配方可改變材料性能，固結(jié)體初凝強(qiáng)度約為最終強(qiáng)度的20，7h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最終強(qiáng)度的6090，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)較慢。超高水材料固結(jié)體由鈣礬石、鋁膠和游離水等構(gòu)成，鈣礬石是其中的主要物質(zhì)。文獻(xiàn)1214將水體積大于95的材料稱為超高水材料，而小于95的材料為普通高水材料。超高水材料的水灰比可達(dá)11：1，而普通高水材料水灰比為25：1左右，兩者用水量相差甚大。15河北冀中能源邯礦集團(tuán)陶一礦運(yùn)用超高水材料充填技術(shù)獲得成功，2012年6月份單面充填產(chǎn)量達(dá)到5.068萬(wàn)噸。這標(biāo)志著世界首創(chuàng)的超高水材料充填技術(shù)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。據(jù)了解，目前我國(guó)大多數(shù)煤礦都存在“三下”，即建筑物下、水體下、鐵路下壓煤?jiǎn)栴}，充填開(kāi)采是解決“三下”壓煤的重要方法。超高水材料充填技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，既能避免地面沉降，又減少礦井水排放，為我國(guó)礦井采空區(qū)充填提供了新途徑。172012年由肖龍正、賈凱軍、郭楠楠、戚洋等人做了一項(xiàng)超高水材料充填空巷研究與工業(yè)性試驗(yàn)。此項(xiàng)研究針對(duì)煤礦開(kāi)采中工作面過(guò)空巷，傳統(tǒng)的空巷支護(hù)方式不能有效地對(duì)頂板和煤壁提供足夠的阻力或阻止圍巖破壞范圍的擴(kuò)大展開(kāi)研究。這項(xiàng)研究分析工作面空巷圍巖活動(dòng)規(guī)律和超高水材料性能的基礎(chǔ)上，論證了超高水材料充填空巷的可行性,并確定了充填體的力學(xué)參數(shù)和充填工藝?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,采用超高水材料充填空巷是一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的方法,較傳統(tǒng)空巷支護(hù)方法具有較大的優(yōu)勢(shì)。182011年11月由馬廣興、侯尚武、白長(zhǎng)江等人針對(duì)高水材料充填過(guò)程中存在的充填管路易堵塞、充填料在泵坑淤積、充填料利用率低、充填面與充填硐室溝通不暢等問(wèn)題做了一項(xiàng)關(guān)于超高水材料充填系統(tǒng)的優(yōu)化的試驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，提出了充填管路的改造、通信系統(tǒng)的調(diào)整以及使用走向限包鏈網(wǎng)與擋漿膠帶等措施，解決了充填過(guò)程中的技術(shù)難題，改進(jìn)了充填工藝。應(yīng)用表明,這些方法可以有效提高超高水材料充填系統(tǒng)的性能。19四、結(jié)論高水材料經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，已經(jīng)得到了大眾的認(rèn)可。利用其“易輸送、任意成型、易接頂”等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦井充填、支護(hù)、堵漏等方面。在高水材料逐步發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)其突現(xiàn)出的缺陷與不足進(jìn)行了各種各樣的改性試驗(yàn)研究。當(dāng)下，高水材料正逐漸與石油工程相結(jié)合，向著超高水材料方向發(fā)展，并且在某些方面已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用，可以看出超高水材料將會(huì)很快的并且熟練的應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中去。參考文獻(xiàn)：1 余其俊.高水速凝固結(jié)材料的性能及其水化硬化機(jī)理研究.水泥技術(shù).1995(5):3-62 張宇震. 高水速凝固結(jié)材料的生產(chǎn)及應(yīng)用.水泥，1995(11)：7-113 孫春東，馮光明.新型高水材料巷旁填充沿空留巷技術(shù)J.煤礦開(kāi)采.2010，15(11):58-704 周明凱，張文生，李北星.高水速凝固結(jié)材料性能和硬化機(jī)理研究J.武漢工業(yè)大學(xué)校報(bào).1998,20（4）:18-215 劉從喜.高水填充材料充填護(hù)巷技術(shù)J.煤炭技術(shù).2009,28（5）：166-1686 李乃梁，馮光明，李宗國(guó).復(fù)合固結(jié)體巷式充填全采技術(shù)J.煤礦開(kāi)采，2010,15（11）：50-537 寧帥，馮光明，牛建春，等.高水速凝材料在超高冒頂巷道治理中的應(yīng)用J.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（18）：21-238 陳洪令，王玉平.硫鋁酸鹽基高水材料的凝膠化改性研究J.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2009,29（6）:1-39 陳洪令，王玉平.粘土礦物對(duì)硫鋁酸鹽基高水材料的改性J. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2010,36(2)1-410 張彩文，魏慶敏.膨潤(rùn)土在高水材料凝固硬化中的作用J.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997,19(1)1-211 紀(jì)朝鳳.高水速凝材料用于石油工程的室內(nèi)研究J.石油鉆采工藝，2001,23（5）：1-212 馮光明超高水充填材料及其充填開(kāi)采技術(shù)研究與應(yīng)用D.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，200913 馮光明，丁玉，朱紅菊，等礦用超高水充填材料及其結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究J.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(6)：813-81914 馮光明，孫春東，王成真，等超高水材料采空區(qū)充填方法研究J.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(12)：1963-196815 丁玉，馮光明，王成真.超高水填充材料基本性能試驗(yàn)研究J.煤炭學(xué)報(bào)，2011,36(7)16 彭美勛，