自膨胀水泥基注浆材料性能优化及其在裂隙岩体加固中的应用研究

为解决传统水泥基注浆材料水灰比大、结石体自收缩等问题，研究人员通过正交试验优化膨胀剂(UEA)、减水剂、缓凝剂和保水增稠剂的配比，开发了水灰比0.5的自膨胀水泥基注浆材料。结果表明：最优配比下浆液流动性达29.3cm，24h轴向膨胀率0.14%，28天养护后裂隙岩体强度提升48%，弹性模量提高55%。该材料在岱庄煤矿底板鼓起治理中使巷道底鼓量减少72.4%-75.3%，为地下工程裂隙加固提供了新方案。

　　

随着我国能源战略的深入实施和大型岩体工程建设的快速推进，煤矿开发、隧道等地下工程规模不断扩大，但复杂地质条件下广泛发育的裂隙易在施工次生应力作用下扩展，引发顶板塌落、突水突砂等工程灾害。注浆技术作为裂隙围岩加固的重要手段，其材料选择直接影响治理效果。传统水泥基注浆材料存在水灰比大、凝固收缩等问题，亟需开发兼具良好工作性能和体积稳定性的新型材料。

山东科技大学能源与矿业工程学院的研究人员针对这一难题，通过系统研究开发出自膨胀水泥基注浆材料，相关成果发表在《Results in Engineering》。研究采用正交试验和极差分析法，确定了膨胀剂(UEA)、聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠缓凝剂和钠基膨润土保水增稠剂的最佳配比；通过裂隙砂岩注浆加固试验和微观结构分析验证了材料性能；最终在岱庄煤矿1160轨道上山及车场底鼓治理工程中实现应用验证。

关键技术包括：采用L₁₆(4⁴)正交试验设计分析多因素影响；通过NDJ-5S数字粘度计和截锥流动性测试仪测定浆液工作性能；利用GJY-100竖向膨胀仪监测轴向膨胀率；采用Zeiss Merlin电镜观察浆-岩界面微观形貌；通过AG-X250电子万能试验机测试加固试件力学性能。

3.1 浆液性能分析

研究发现减水剂和保水增稠剂对流动性影响最大（P<0.05），0.3%减水剂配合0.04%保水增稠剂时浆液粘度最优（216.1 mPa·s）。缓凝剂显著延长初凝时间（P<0.05），0.2%剂量可使初凝达7.5小时。10%膨胀剂用量下24h轴向膨胀率达0.14%，有效补偿收缩。

3.3 最优配比材料性能

最优配比（10%UEA+0.3%减水剂+0.2%缓凝剂+0.04%保水增稠剂）浆液的28天养护试件中，电镜显示浆-岩界面形成致密C-S-H（水化硅酸钙）网状结构和针状AFt（钙矾石），使裂隙岩体抗压强度提升至33.04MPa，弹性模量达5.74GPa。

3.4 工程应用

在岱庄煤矿采用φ29mm×7300mm注浆锚索配合最优配比浆液加固后，1160轨道上山底鼓量从275mm降至76mm，车场底鼓量减少75.3%，观测12-18个月后变形趋于稳定。

该研究创新性地通过多添加剂协同调控，解决了水泥基注浆材料工作性能与体积稳定性的矛盾问题。微观机制表明，自应力膨胀作用下形成的C-S-H与AFt交织结构，显著提升了浆-岩界面粘结力。工程实践验证了材料对深部高应力巷道底鼓治理的有效性，为类似地质条件下的裂隙加固提供了可靠技术方案。研究提出的正交试验优化方法，对复杂添加剂体系的材料设计具有普适指导意义。