一种仿生结构胶结充填材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种仿生结构胶结充填材料及其制备方法与应用，属于胶结充填材料的结构改性方法及超高吸能特性土木材料研发领域，该仿生结构胶结充填材料包括仿生蜂窝骨架和胶结充填浆料，所述胶结充填浆料浇筑在仿生蜂窝骨架内。本发明专利技术解决了当前普遍应用胶结充填材料易受脆性破坏、难以适应深地工程高应力条件的瓶颈难题，从结构改性的新视角，提供了一种仿生结构胶结充填材料，具有应变硬化与超高吸能特性，可以有效抵抗深部高应力围岩的长时作用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生结构胶结充填材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于胶结充填材料的结构改性方法及超高吸能特性土木材料研发领域，特别是涉及一种仿生结构胶结充填材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]煤炭地下开采中留设的煤柱极大地浪费了煤炭资源，且随着煤矿开采逐渐走向地球深部，煤柱宽度增大、集中应力增强、煤帮变形加剧，进一步影响煤炭回收，还会引发巷道围岩灾害，对煤炭资源可持续开发造成严重危害。
[0003]无煤柱沿空留巷巷旁充填技术是解决深部地压、维护巷道稳定、减少巷道掘进支护成本和煤炭损失的关键技术，利用矸石生产胶结充填材料可以实现废物源头减量减害，有利于煤矿安全绿色高效开采。
[0004]巷旁胶结充填材料具有支护阻力大、增阻速度快和机械化程度高等突出优点，目前得到了广泛应用，但其能否安全稳定留巷并解决上述难题，取决于胶结充填材料的力学特性。
[0005]目前针对强化胶结充填材料的力学特性主要遵从两个基本思路，一是使材料内部孔隙结构致密化，二是增强胶结基质和界面过渡区，所涉及方法包括优化骨料粒径分布、胶结材料种类和用量以及使用辅助添加剂等，工程现场还会使用锚杆索支护对充填体进一步进行加固。但上述方法均未能改变胶结充填材料与充填体结构在力学响应上表现为应变软化的根本局限。在深部高应力作用下，巷道围岩变形持续增大，胶结充填材料与充填体结构的这种脆性破坏极大地劣化了围岩稳定性，造成经济损失和人员伤亡。
[0006]工程上使用胶结充填材料搭配锚杆支护构筑胶结充填体，常用两种强化方法：1.增强胶结充填材料；2.增强支护。上述方法虽然提高了强度，但仍无法解决高应力作用下胶结充填材料的脆性破坏难题。在上覆岩层的长时间作用下，胶结充填材料承载变形，不仅要求其具有足够的强度，也对其变形性能有较高的要求。
[0007]因此，本领域亟需一种高应力下能够克服脆性破坏问题的胶结充填材料。

技术实现思路

[0008]基于上述问题，本专利技术从结构改性的新视角，提出应变硬化吸能胶结充填材料，从根本上突破了传统材料难以适用深部高应力的难题，保障巷旁充填沿空留巷围岩稳定，并进一步促进矸石等大宗固废的功能化资源化利用。当前易脆性破坏的胶结充填材料无法满足足够的强度和较高的变形性能要求。
[0009]本专利技术提出了结构改性方法，并公开了一种仿生结构胶结充填材料，采用3D打印仿生蜂窝骨架，然后在骨架内部浇筑胶结充填浆料，该材料是一种仿生吸能胶结充填材料，具有优越的吸能特性，弥补了当前材料的不足并解决了工程中存在问题，该结构改性通过仿生自然界最优二维拓扑蜂窝结构实现应变硬化与超高吸能特性，从根本上解决了深部高应力作用下巷旁充填围岩稳定控制难题。
[0010]本专利技术提供了一种仿生结构胶结充填材料，包括仿生蜂窝骨架和胶结充填浆料，所述胶结充填浆料浇筑在仿生蜂窝骨架内。
[0011]进一步地，所述仿生蜂窝骨架中蜂窝单元中孔边长为24～60mm，相邻蜂窝层间距为6.25～25mm，蜂窝支架直径为1.5mm；所述仿生蜂窝骨架的材质选自树脂、尼龙或铝合金。
[0012]进一步地，所述胶结充填材料由以下质量份原料制备：水泥300～500份、粉煤灰100～150份、尾砂400～500份、矸石粉400～500份、木质纳米纤维0.5～1.0份、减水剂5～25份、复合碱激发剂5～30份、硅灰50～100份、水300～500份。
[0013]所述尾砂为选矿尾料，所述矸石粉为细磨泥质矸石。为了消除碱骨料危害，尾砂比表面积高于500m2/kg，矸石粉比表面积高于200m2/kg。
[0014]为了便于地下运输，提高浆料流动性，本专利技术未采用大粒径骨料，而是选择粒径小于5mm的矸石。
[0015]所述粉煤灰为P级超细粉煤灰，其中CaO含量达到8％以上，比表面积高于500m2/kg，利于长期碱活化效应。
[0016]所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，有利于增强浆料流动性的同时降低浆料中水的含量。
[0017]本专利技术使用的水泥为复合硅酸盐32.5水泥，成本低廉。本专利技术选用的木质纳米纤维同专利CN 114149226 A中木质纳米纤维，木质纳米纤维水溶性好，使用过程中无需超声分散，也无需额外加入分散剂即可分散均匀，其作用是强化胶结基质与3D打印仿生蜂窝骨架间的界面粘结，桥接胶结基质与3D打印蜂窝骨架间的胶结界面；木质纳米纤维作为胶结基质与3D打印蜂窝骨架间水化反应成核位点，加速水化产物的生成以粘结该界面。
[0018]更进一步地，所述复合碱激发剂由碳酸钠、硅酸钠和氢氧化钙以质量比1∶1∶2组成，在确保充分碱激发反应环境中相关组分的同时，还能够补充额外钙源。
[0019]本专利技术还提供了一种仿生结构胶结充填材料的制备方法，包括以下步骤：在仿生蜂窝骨架内浇筑胶结充填浆料。
[0020]进一步地，所述仿生蜂窝骨架的制备方法为：
[0021]S1.使用三维建模软件设计多孔蜂窝结构,设置蜂窝单元中孔边长和相邻蜂窝层间距控制多孔蜂窝结构；
[0022]S2.以0.1mm的精度打印多孔蜂窝结构；
[0023]S3.通过光固化3D打印得到仿生蜂窝骨架。
[0024]进一步地，所述胶结充填浆料的制备方法为：
[0025]将木质纳米纤维、减水剂、复合碱激发剂和水混合5min，以300rpm搅拌均匀后，加入粉煤灰、尾砂和矸石粉后，以500rpm搅拌30min，最后加入水泥和硅灰，以500rpm搅拌5min，得到胶结充填材料。
[0026]本专利技术还提供了一种仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
[0027]本专利技术还提供了所述仿生结构胶结充填材料的制备方法制得的仿生结构胶结充填材料在煤炭地下开采中构筑巷旁胶结充填体中的应用。
[0028]本专利技术的有益效果：
[0029]1)从材料上，本专利技术解决了当前普遍应用胶结充填材料易脆性破坏、难以适应深
地工程高应力条件的瓶颈难题，从结构改性的新视角，提供了一种仿生结构胶结充填材料，是一种仿生吸能胶结充填材料，具有应变硬化与超高吸能特性，可以有效抵抗深部高应力围岩的长时作用。
[0030]2)从工程上，本专利技术摒弃以往施工作业量大、成本高的传统胶结充填材料搭配锚杆支护构件来构筑巷旁胶结充填体的方法，采用3D打印仿生蜂窝骨架，然后在骨架内部浇筑胶结材料，提出仿生吸能胶结充填材料的一体化构筑的方法，实现了巷旁充填沿空留巷的快速成功构筑。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术提供的仿生蜂窝骨架的蜂窝单元中孔边长从左向右依次为60、48、36、24mm的结构示意图；
[0033]图2为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生结构胶结充填材料，其特征在于，包括仿生蜂窝骨架和胶结充填浆料，所述胶结充填浆料浇筑在仿生蜂窝骨架内。2.根据权利要求1所述的仿生结构胶结充填材料，其特征在于，所述仿生蜂窝骨架中蜂窝单元中孔边长为24～60mm，相邻蜂窝层间距为6.25～25mm，蜂窝支架直径为1.5mm。3.根据权利要求1所述的仿生结构胶结充填材料，其特征在于，所述仿生蜂窝骨架的材质选自树脂、尼龙或铝合金。4.根据权利要求1所述的仿生结构胶结充填材料，其特征在于，所述胶结充填材料由以下质量份原料制备：水泥300～500份、粉煤灰100～150份、尾砂400～500份、矸石粉400～500份、木质纳米纤维0.5～1.0份、减水剂5～25份、复合碱激发剂5～30份、硅灰50～100份和水300～500份。5.根据权利要求4所述的仿生结构胶结充填材料，其特征在于，所述复合碱激发剂由碳酸钠、硅酸钠和氢氧化钙以质量比1∶1∶2组成。6.一种权利要求1～5任一项所述的一种仿生结构胶结充填材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴疆宇，马丹，张浩，尹乾，朱高房，李振华，靖洪文，浦海，孟庆彬，李樯，高远，陈伟强，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：