富水环境对水泥基抗分散注浆材料水化产物粘附体系的影响研究

作     者：孟祥喜 岳兵 卢润时 孙易达 田波 潘从旺 

作者机构：山东科技大学安全与环境工程学院 山东能源集团有限公司生产技术中心 山东科技大学能源与矿业工程学院 山东省能源局 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金(42007172) 山东省自然科学基金(ZR2020QE126)和中国博士后特别资助基金(2023T160394) 

主　　题：分子动力学 C-S-H PAM 水玻璃 水分 吸附机制 界面特性 

摘      要：在煤炭开采过程中，矿井巷道在穿过富水且构造发育的地层时，容易揭露导水通道进而引发突水事故。为提升水泥基注浆材料在富水环境中的工作性能，本文使用聚丙烯酰胺（PAM）与水玻璃作为外加剂对普通硅酸盐水泥进行改性。并采用分子动力学模拟的方法，构建水泥与外加剂混合产物的界面模型，通过调整层间水分子数量用以模拟水化产物所处的不同含水量环境。进一步的，采用多种微观表征实验对模拟结果进行了论证。结果表明：PAM-水玻璃结构展现出良好的亲水性，较强的亲水性使其与C-S-H的结合具有较强的粘附性，能够更好的适应富水环境；水泥—水—PAM-水玻璃界面脱粘功的变化具有无规律性，在含水量6%时，水泥—水—PAM-水玻璃界面脱粘功达到最大临界点为37465.715 mJ/m2，在更高含水量下，水分子透过孔隙结构与材料内部发生更深层次的水合反应，增强了界面稳定性；XRD图谱中的衍射峰与计算模拟中预测的C-S-H和PAM-水玻璃的存在形式相吻合，证实了聚丙烯酰胺和水玻璃会与水泥水化过程中产生的Ca2+和Si4+发生反应；SEM图像显示，水泥-聚丙烯酰胺和水玻璃界面上存在大量水化颗粒和微孔隙，包括针状和球状结晶，这些水化颗粒可能是聚丙烯酰胺和水玻璃参与水泥水化过程形成的增强界面粘附性的水化产物，而微孔隙的存在是导致模拟中出现相互作用能和脱粘功的变化主要原因。通过分子动力学模拟与实验结果的可以证明PAM与水玻璃形成的絮体结构具有良好的亲水性。相较于传统水泥注浆材料，PAM-水玻璃改性水泥浆液中絮体结构与水泥水化产物C-S-H的粘附性能更强，这有效锁住了水化产物层间水份，从而提高了富水环境中浆液的稳定性。