纳米硅溶胶-超细水泥基浆液的性能研究

摘要

我国煤炭存储条件十分复杂，超过一半的煤炭资源埋藏在地表1000米以下。工程实践表明，深井煤矿的渗水问题难以解决。传统的水泥基浆液在面对千米深井微裂隙往往束手难测，而化学浆液存在着有毒有害，价格昂贵，耐久性差等缺陷。因此急需研发一种适用于微裂隙环境的新型低粘度超细水泥基浆液。　　本文在前人基础之上，通过室内试验，使用纳米硅溶胶对超细水泥基浆液进行改性处理。设计了四因素三水平的正交实验，对九组浆液的粘度、析水率、凝结时间、马氏漏斗流动时间、抗折强度和抗压强度等指标进行了测试；使用数值模拟软件对不同粗糙度环境下的浆液流动性进行分析讨论。研究的主要内容包括：　　(1)单因素情况下外掺剂对超细水泥浆液流变、强度性能分析　　通过查阅文献，确认浆液使用材料。根据前人的研究经验得出外掺剂的大致使用范围，调节外掺剂掺量，测量出每种浆液的粘度、稳定性以及结石体强度。通过上述指标得出实验材料的最佳配比范围，基于此设计正交试验。　　(2)正交试验下纳米硅溶胶-超细水泥基浆液的性能分析　　基于前一部分研究内容得出的结论，设计了四因素三水平的正交试验；通过试验详细测量了每组超细水泥基浆液的粘度、马氏漏斗流动度、凝结时间、抗折强度以及抗压强度；把九组浆液的性能进行比对，通过综合评分法与极差分析判断各因素对浆液性能的影响，并确定出主、次要因素的排列顺序。　　(3)使用COMSOLMultiphysics进行不同粗糙度情况下的注浆数值模拟　　使用COMSOLMultiphysics模拟三种不同粗糙度的微裂隙二维注浆，研究不同粗糙度环境对纳米硅溶胶-超细水泥基浆液流动性的影响。　　通过试验发现，在多种外掺剂的综合作用下，超细水泥基浆液的各项指标均有不同程度的变化。通过综合评分法与极差分析之后发现，在以粘度为主要技术指标，以稳定性、凝结时间、力学性能为次要指标的评分标准下，各条件按相关性顺序排名依次为超细粉煤灰、聚羧酸减水剂、水灰比及纳米硅溶胶。经数值模拟后结果可得，纳米硅溶胶能够有效地改良超细水泥基浆液的注浆状态，在保持低粘度的同时提高浆液的稳定性，并提高超细水泥基浆液的流动性。对研发适用于微裂隙环境下的低粘度注浆堵水浆液具有一定的指导借鉴意义。

目录

声明

变量注释表

1绪论

1.1课题研究的提出与意义

1.2注浆浆液的分类及发展史

1.2.1浆液材料的分类

1.2.2国外注浆发展历史

1.2.3国内注浆发展历史

1.3浆材料研究进展

1.4浆模拟研究现状

1.5文主要研究内容和研究方法

1.51研究内容

1.5.2研究方法

2.超细水泥基注浆材料机理分析与纳米硅溶胶的选取

2.1浆液的充填机理分析

2.1.1压迫滤水理论

2.1.2流动沉积理论

2.2影响注浆效果的因素分析

2.2.1水泥颗粒粒径大小对可注性的影响

2.2.2水泥基浆液的稳定性对可注性的影响

2.2.3水泥基浆液的粘度对可注性的影响

2.3纳米硅溶胶的选取

2.3.1纳米硅溶胶简介

2.3.2纳米硅溶胶改性机理分析

3外掺剂对超细水泥浆液的改性分析

3.1实验目的

3.2试验材料

3.2.1超细水泥

3.2.2纳米硅溶胶

3.2.3超细粉煤灰

3.2.4聚羧酸减水剂

3.3主要实验设备简介

3.3.1粒度测试仪

3.3.2旋转粘度计

3.3.3抗折试验机

3.3.4万能试验机

3.3.5马氏漏斗

3.4单因素实验的配合比设计

3.5旋转粘度计测量

3.5.1实验操作过程

3.5.2.实验结果分析

3.6单因素析水率实验

3.6.1实验操作过程

3.6.2实验结果分析

3.7试块的抗折强度

3.7.1.试块的制作与养护

3.7.2实验过程

3.7.3实验结果分析

3.8试块的抗压强度

3.8.1实验方法

3.8.2实验结果分析

3.9本章小结

4纳米硅溶胶-超细水泥基浆液的性能研究

4.1材料粒径测试

4.1.1试验设计

4.1.2实验结果及分析

4.2纳米硅溶胶-超细水泥基浆液流正交试验设计流变性能研究

4.3旋转粘度计测量

4.4马氏漏斗法测定水泥浆液粘度

4.4.1实验操作过程

4.4.2实验结果分析

4.5测定超细水泥基浆液的凝胶时间

4.5.1实验操作过程

4.5.2实验结果分析

4.6测定超细水泥基浆液的析水率

4.7超细水泥基浆液的结石率

4.7.1实验操作步骤

4.7.2实验结果分析

4.8超细水泥基浆液的抗折、抗压强度

4.8.1试块制作方法

4.8.2实验操作过程

4.8.3实验结果分析

4.9正交试验结果分析

4.9.1分析方法简介

4.9.2结果分析

4.10优水平下的纳米硅溶胶-超细水泥基浆液性能研究

4.11本章小结

5纳米硅溶胶-超细水泥基浆液在不同JRC粗糙度下的流动性数值模拟研究

5.1裂隙研究现状

5.2COMSOL Multiphysics软件简介及计算模型

5.2.1COMSOL Multiphysics软件简介

5.2.2裂隙模型建立

5.2.3控制方程选取

5.2.4几何模型的创建

5.3不同粗糙度环境下纳米硅溶胶-超细水泥基浆液流动性分析

5.4本章小结

6结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

致谢

作者简历

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