基于自修复效应的封孔材料裂隙自愈合特性

• Published in: 煤炭学报 Vol. 48; no. 11; pp. 4097 - 4111
• Main Authors: 司磊磊, 师伟峰, 魏建平, 刘勇, 姚邦华
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作 454003 01.11.2023; 河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003
• Subjects: 自修复水泥; 碳化作用; hole sealing material; secondary hydration; 裂隙自修复; 二次水化; helf-healing cement; carbonation effect; fracture self-healing; 封孔材料
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.0105

TD712; 水泥基材料是煤矿井下最常用的注浆封孔材料,但是受应力扰动、水泥材料失水收缩等影响,传统水泥基材料容易形成再生裂隙,导致钻孔内瓦斯抽采率降低.为了减小再生裂隙对瓦斯抽采效果的影响,研发一种自修复水泥封孔材料,当注浆位置再次产生裂隙后可实现裂隙的自愈合.首先,通过裂隙自修复实验研究了自修复水泥在空气条件下的裂隙自修复性能,采用高倍测量显微镜记录裂隙在不同时间内的宽度变化规律,发现在自然空气条件下,自修复水泥在4d内能够修复最大宽度为 0.46 mm的裂隙,裂隙处生成大量白色矿物,14 d内修复物体积仍有明显增长.刮去修复产物后,仍有白色矿物生成.为进一步研究自修复产物的生成机理,通过SEM-EDS对比分析了自修复水泥以及不加修复剂的净水泥 2种水泥水化 7、21 d的微观形貌和微观元素分布,并通过XRD、拉曼光谱仪对比分析了 2种水泥的物相信息.SEM-EDS结果显示,净水泥中针状物质和絮状物质相互交联,整体结构致密,而自修复水泥中分布大量多孔状物质,结构比较疏松.相较于净水泥,自修复水泥水化产物中C、Na、Al、Si四种元素的质量分数明显较高.裂隙修复物表面分布大量排列紧密的长条状物质,主要元素组成为C、O、Na、Ca.XRD结果显示,和净水泥相比,自修复水泥中出现更多未水化硅酸三钙的衍射峰,相同水化时间,净水泥水化产物主要是氢氧化钙和钙矾石,而自修复水泥中出现了钠长石、沸石等铝硅酸盐矿物.裂隙修复物由沸石、钙霞石、硅灰石等多种硅酸盐矿物以及碳酸钙组成,其中碳酸钙的衍射峰数目最多.拉曼光谱结果显示,同净水泥相比,自修复水泥在 2 860～2 960 cm-1 处具有明显拉曼谱峰,水化 7d,净水泥拉曼峰普遍尖锐,而自修复水泥拉曼峰明显更宽.净水泥中出现较多高强度氢氧化钙的拉曼峰,而自修复水泥中则出现更多CO32-中C—O振动的拉曼峰,峰面积更大,由此可知自修复水泥更易和空气中CO2 反应发生碳化.水化 21 d,2种水泥的拉曼峰都很尖锐,主要物相都是水化硅酸钙和氢氧化钙,而自修复水泥中还包括了大量未水化硅酸三钙.最终,分析了二次水化作用及碳化作用对裂隙自修复的影响,并结合实验结果推导了裂隙修复产物的生成方程式.