一种矿用薄喷柔性支护材料的制作方法

1.本技术涉及采矿工程支护材料技术领域，尤其是涉及一种矿用薄喷柔性支护材料。


背景技术：

2.在采矿工程或其他地下工程中，具有松软，膨胀等特点的复杂岩层或其他动压巷道的支护体系的维护是经常遇到的难题。目前普遍采用的方法是喷射混凝土，喷射混凝土的基本配方为水泥、砂、石子和速凝剂，速凝剂常用无机盐类，喷射混凝土为无机类产品，具有成本低廉、无毒，质地硬脆等特性。
3.针对上述中的相关技术，发明人认为至少存在如下缺陷：速凝剂具有强碱性，速凝剂起速凝作用的同时，严重影响喷射混凝土的抗折强度，导致其柔性很小，在很小的拉伸或压缩变形条件下便会发生开裂。


技术实现要素：

4.为了提高喷涂材料的柔韧性，本发明提供一种矿用薄喷支护材料。
5.一种矿用薄喷支护材料，包括a组分和b组分，其中以重量份数计，a组分包括：丙烯酸乳液
ꢀꢀꢀꢀ
32～37份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
重钙
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6～10份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
泵送剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.1～0.5份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6～9份b组分包括：硅酸盐水泥
ꢀꢀꢀꢀ
23～32份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
石英砂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10～22份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纤维
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2.5～6份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纳米硅粉
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.5～1份。
6.通过采用上述技术方案，本技术采用丙烯酸乳液，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥混合，使得水泥颗粒的表面被包裹上聚合物隔离膜，聚合物隔离膜的存在会改善支护材料的柔韧性，并且丙烯酸乳液中活性的酯基，能够减少水分的蒸发，降低硅酸盐水泥的干缩率，重钙与丙烯酸乳液混合，可以提升丙烯酸乳液中的固含量，减少丙烯酸乳液的挥发量，使得丙烯酸乳液的柔韧性能更好，丙烯酸乳液和泵送剂混合后，添加入硅酸盐水泥中，能够使得硅酸盐水泥的粘塑性能更好。本技术采用的丙烯酸乳液、重钙、泵送剂和水均具有良好的相容性，各组分按照比例混合在一起，充分发挥彼此的协同作用，使得制得的支护材料具有优异的柔韧性能、拉伸强度和粘结强度，减少其开裂情况。
7.优选的，以重量份数计，所述a组分包括：丙烯酸乳液
ꢀꢀꢀꢀ
33～35份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
重钙
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
7～9份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
泵送剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.1～0.5份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6～9份所述b组分包括：硅酸盐水泥
ꢀꢀꢀꢀ
23～32份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
石英砂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10～22份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纤维
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2.5～6份
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纳米硅粉
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.5～1份。
8.通过采用上述技术方案，本技术采用特定范围比例的丙烯酸乳液、重钙、水、纤维、纳米硅粉混合搭配制成支护材料，充分发挥各组分之间的协同作用，进一步增强了支护材料的拉伸强度和粘结强度，减少其开裂的情况。
9.优选的，所述丙烯酸乳液与所述硅酸盐水泥的重量比的范围在1.1～1.2之间。
10.通过采用上述技术方案，丙烯酸乳液加入会对硅酸盐水泥的水化产生一定的阻碍，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥按照特定比例混合，延长养护时间，会增加水泥水化的程度，进而增加支护材料的抗折强度，少量的丙烯酸乳液对硅酸盐水泥抗折强度增加效果不明显，而过多的丙烯酸乳液与硅酸盐水泥混合后，大量的水泥颗粒被丙烯酸聚合物包裹，会导致水泥水化不充分，使得支护材料缺乏足够的粘结力。
11.优选的，所述纤维包括短纤维和砼伴纤维，所述短纤维与所述砼伴纤维的重量比为（2～4）：（0.5～2）。
12.通过采用上述技术方案，水泥在凝结后会出现干缩现象，短纤维和砼伴纤维按照特定比例范围混合添加入硅酸盐水泥中，能够降低支护材料的干缩率，减少支护材料产生塑性裂缝，提高支护材料的弯曲韧性和拉伸强度。
13.优选的，所述短纤维与所述纳米硅粉的重量比为（2～3.5）：（0.5～1）。
14.通过采用上述技术方案，纳米硅粉有助于避免短纤维相互缠绕接团，还有助于分散丙烯酸乳液中的聚合物颗粒，特定范围比例的短纤维与纳米硅粉混合，适量的纳米硅粉能够增强短纤维在硅酸盐水泥中的分散性，使其与硅酸盐水泥更好地粘接，并且与其他组分发挥协同作用，增强支护材料的抗压强度和拉伸强度，而过多的纳米硅粉与丙烯酸乳液、硅酸盐水泥等原料混合后，会降低支护材料的拉伸强度。
15.优选的，所述丙烯酸乳液与所述重钙的重量比的范围在3.8～4.5之间。
16.通过采用上述技术方案，本技术丙烯酸乳液与重钙采用特定的比例混合，节约成本的同时，还能够有效提高丙烯酸乳液的固含量，使得丙烯酸乳液的柔韧性能更好，过少的重钙对丙烯酸乳液固含量提升效果不明显，而过多的重钙会导致丙烯酸乳液的固含量过高，降低丙烯酸乳液与其他组分的相容性，进而降低支护材料的柔韧性和拉伸强度。
17.优选的，所述重钙采用以下方法进行改性：将重钙在80～85℃的温度下烘干后粉碎，然后将重钙与硬脂酸、乙醇在45～50℃的温度下混合均匀，在4700～4750r/min的转速下粉碎搅拌10～15min，之后在80～90℃的温度下烘干，得到改性重钙，其中重钙、硬脂酸、乙醇的重量比为（7～9）：（0.08～0.135）：（8～9.2）。
18.通过采用上述技术方案，采用特定比例范围的硬脂酸，通过特定的反应条件对重钙进行改性处理，使得改性后的重钙在与丙烯酸乳液混合时具有良好的分散性，充分与丙烯酸乳液混合，提升丙烯酸乳液的固含量，增强支护材料的拉伸强度。
19.优选的，所述a组分与所述b组分的重量比为1。
20.通过采用上述技术方案，a组分与b组分按照特定重量比混合，a组分与b组分的原料能够充分发挥各组分之间的协同作用，有效增强支护材料的柔韧性，提高支护材料的拉伸强度。
21.优选的，所述丙烯酸乳液固含量为35%。
22.优选的，所述泵送剂由萘系高效减水剂、缓凝剂、引气剂和润滑剂按照26：2:2:20比例复配制得。
23.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.本技术采用丙烯酸乳液，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥混合，使得水泥颗粒的表面被包裹上聚合物隔离膜，聚合物隔离膜的存在会改善支护材料的柔韧性，并且丙烯酸乳液中活性的酯基，能够减少水分的蒸发，降低硅酸盐水泥的干缩率，重钙与丙烯酸乳液混合，可以提升丙烯酸乳液中的固含量，减少丙烯酸乳液的挥发量，使得丙烯酸乳液的柔韧性能更好，丙烯酸乳液和泵送剂混合后，添加入硅酸盐水泥中，能够使得硅酸盐水泥的粘塑性能更好。本技术采用的丙烯酸乳液、重钙、泵送剂和水均具有良好的相容性，各组分按照比例混合在一起，充分发挥彼此的协同作用，使得制得的支护材料具有优异的柔韧性能、拉伸强度和粘结强度，本技术的支护材料使用时，在巷道平整的地方喷涂3～5mm的支护材料，巷道裂痕较多不平整的地方喷涂7～8mm，维护巷道四周土体的稳定性；2.丙烯酸乳液加入会对硅酸盐水泥的水化产生一定的阻碍，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥按照特定比例混合，延长养护时间，会增加水泥水化的程度，进而增加支护材料的抗折强度，少量的丙烯酸乳液对硅酸盐水泥抗折强度增加效果不明显，而过多的丙烯酸乳液与硅酸盐水泥混合后，大量的水泥颗粒被丙烯酸聚合物包裹，会导致水泥水化不充分，使得支护材料缺乏足够的粘结力；3.丙烯酸乳液与重钙采用特定的比例混合，节约成本的同时，还能够有效提高丙烯酸乳液的固含量，使得丙烯酸乳液的柔韧性能更好，过少的重钙对丙烯酸乳液固含量提升效果不明显，而过多的重钙会导致丙烯酸乳液的固含量过高，降低丙烯酸乳液与其他组分的相容性，进而降低支护材料的柔韧性和拉伸强度。
具体实施方式
24.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
25.实施例1一种矿用薄喷支护材料，各组分的具体重量配比如下：a组分：丙烯酸乳液（固含量为35%）32kg，重钙10kg，泵送剂0.3kg,水9kg；b组分：硅酸盐水泥23kg，石英砂22kg,短纤维2.1kg，砼伴纤维0.61kg，纳米硅粉0.6kg，其中泵送剂由萘系高效减水剂0.156kg,缓凝剂0.012kg，引气剂0.012kg和润滑剂0.12kg复配制得。a组分与b组分的重量比为1.06，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥的重量比为1.39，丙烯酸乳液与重钙的重量比为3.2。将上述a组分原料混合搅拌，b组分原料混合搅拌，然后将a组分与b组分混合在一起搅拌，得到矿用薄喷支护材料。
26.实施例2一种矿用薄喷支护材料，各组分的具体重量配比如下：a组分：丙烯酸乳液（固含量为35%）37kg，重钙6kg，泵送剂0.5kg,水7kg；b组分：硅
酸盐水泥33kg，石英砂10kg,短纤维2.5kg，砼伴纤维0.73kg，纳米硅粉0.5kg，其中泵送剂由萘系高效减水剂0.26kg,缓凝剂0.02kg，引气剂0.02kg和润滑剂0.2kg复配制得。a组分与b组分的重量比为1.08，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥的重量比为1.12，丙烯酸乳液与重钙的重量比为6.1。将上述a组分原料混合搅拌，b组分原料混合搅拌，然后将a组分与b组分混合在一起搅拌，得到矿用薄喷支护材料。
27.实施例3一种矿用薄喷支护材料，各组分的具体重量配比如下：a组分：丙烯酸乳液（固含量为35%）34.2kg，重钙8.5kg，泵送剂0.5kg,水7.8kg；b组分：硅酸盐水泥29.73kg，石英砂17.27kg,短纤维2.4kg，砼伴纤维0.7kg，纳米硅粉0.9kg，其中泵送剂由萘系高效减水剂0.26kg,缓凝剂0.02kg，引气剂0.02kg和润滑剂0.2kg复配制得。a组分与b组分的重量比为1，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥的重量比为1.15，丙烯酸乳液与重钙的重量比为4.02。将上述a组分原料混合搅拌，b组分原料混合搅拌，然后将a组分与b组分混合在一起搅拌，得到矿用薄喷支护材料。
28.实施例4一种矿用薄喷支护材料，各组分的具体重量配比如下：a组分：丙烯酸乳液（固含量为35%）33kg，重钙9kg，泵送剂0.37kg,水8.5kg；b组分：硅酸盐水泥27kg，石英砂21kg,短纤维2.6kg，砼伴纤维0.76kg，纳米硅粉0.6kg，其中泵送剂由萘系高效减水剂0.1924kg,缓凝剂0.0148kg，引气剂0.0148kg和润滑剂0.148kg复配制得。a组分与b组分的重量比为0.98，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥的重量比为1.2，丙烯酸乳液与重钙的重量比为3.67。将上述a组分原料混合搅拌，b组分原料混合搅拌，然后将a组分与b组分混合在一起搅拌，得到矿用薄喷支护材料。
29.实施例5一种矿用薄喷支护材料，各组分的具体重量配比如下：a组分：丙烯酸乳液（固含量为35%）35kg，重钙7.7kg，泵送剂0.46kg,水7.4kg；b组分：硅酸盐水泥31.2kg，石英砂17kg,短纤维2.5kg，砼伴纤维0.73kg，纳米硅粉1kg，其中泵送剂由萘系高效减水剂0.2392kg,缓凝剂0.0184kg，引气剂0.0184kg和润滑剂0.184kg复配制得。a组分与b组分的重量比为0.97，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥的重量比为1.12，丙烯酸乳液与重钙的重量比为4.55。将上述a组分原料混合搅拌，b组分原料混合搅拌，然后将a组分与b组分混合在一起搅拌，得到矿用薄喷支护材料。
30.实施例6一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：丙烯酸乳液（固含量为35%）34.2kg，硅酸盐水泥31.09kg，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥的重量比为1.1。
31.实施例7一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：丙烯酸乳液（固含量为35%）34.2kg，硅酸盐水泥28.5kg，丙烯酸乳液与硅酸盐水泥的重量比为1.2。
32.实施例8一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：短纤维1.55kg，砼伴纤维1.55kg，短纤维与砼伴纤维的重量比为1.55:1.55。
33.实施例9
一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：短纤维2.76kg，砼伴纤维0.34kg，短纤维与砼伴纤维的重量比为2.76:0.34。
34.实施例10一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：短纤维3.5kg，纳米硅粉0.5kg，短纤维与纳米硅粉的重量比为3.5:0.5。
35.实施例11一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：短纤维2kg，纳米硅粉1kg，短纤维与纳米硅粉的重量比为2:1。
36.实施例12一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：丙烯酸乳液33.1kg，重钙8.7kg，丙烯酸乳液与重钙的重量比为3.8。
37.实施例13一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：丙烯酸乳液33.8kg，重钙7.5kg，丙烯酸乳液与重钙的重量比为4.5。
38.实施例14一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：重钙采用以下方法改性：将8.35kg重钙在80℃的温度下烘干后粉碎，然后将重钙与0.1kg硬脂酸、8.5kg乙醇在45℃的温度下混合均匀，在4700r/min的转速下粉碎搅拌10min，之后在80℃的温度下烘干，得到改性重钙。
39.实施例15一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：重钙采用以下方法改性：将8.7kg重钙在85℃的温度下烘干后粉碎，然后将重钙与0.15kg硬脂酸、9kg乙醇在50℃的温度下混合均匀，在4750r/min的转速下粉碎搅拌15min，之后在90℃的温度下烘干，得到改性重钙。
40.对比例1市售喷射混凝土，所用原料包括硅酸盐水泥20kg、砂石80kg、速凝剂0.8kg、水10.3kg,将硅酸盐水泥、砂石、速凝剂和水混合在一起搅拌。
41.对比例2一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：a组分中缺少丙烯酸乳液。
42.对比例3一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：a组分中缺少重钙。
43.对比例4一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：b组分中缺少短纤维。
44.对比例5一种矿用薄喷支护材料，与实施例3的不同之处在于：b组分中缺少纳米硅粉。
45.性能检测根据gb/t16777-2008《建筑防水涂料试验方法》测定实施例1～15、对比例1～5养护28天的矿用薄喷支护材料的拉伸强度、断裂伸长率及粘结强度。
46.根据gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》中抗裂试
验方法，测定实施例1～15、对比例1～5的抗裂性能。
47.检测结果如表1所示。
48.表1性能检测结果表
项目拉伸强度（mpa）断裂伸长率（%）粘结强度（mpa）单位面积上的总开裂面积（mm2/m2）实施例11.91621.343.3实施例21.821581.246.6实施例32.61891.6530实施例42.231701.4438.4实施例52.31681.4142.1实施例62.511811.5432.6实施例72.451761.4641.7实施例82.361711.4935.2实施例92.421731.5234.8实施例102.51791.6131.9实施例112.471771.5832.4实施例122.451741.532.8实施例132.361711.4933实施例142.71931.7228.7实施例152.611901.6729对比例10.86500.1568.6对比例20.9630.467对比例31.3900.7558对比例41.51310.951对比例51.71501.049.7
从表1可以看出，本技术实施例1～15制得的矿用薄喷支护材料，拉伸强度均大于1.8mpa,断裂伸长率均大于155%，粘结强度均大于1.1mpa，单位面积上的总开裂面积小于47mm2/m2，而对比例1的拉伸强度为0.86mpa，断裂伸长率为50%，粘结强度为0.15mpa，单位面积上的总开裂面积为68.6mm2/m2，由检测结果可以看出，与市售的喷射混凝土相比，本技术实施例1～15制得的矿用薄喷支护材料具有优异的拉伸强度、粘结强度和防开裂性能，表明丙烯酸乳液、重钙、泵送剂、水、硅酸盐水泥、石英砂、短纤维、砼伴纤维及纳米硅粉混合，各组分充分发挥协同作用，能够增强支护材料的拉伸强度和粘结强度，拉伸强度和粘结强度优异的支护材料，在巷道围岩变形时开裂情况少。
49.实施例1、2、4和5的拉伸强度、断裂伸长率、粘结强度和单位面积的总开裂面积均小于实施例3，说明采用特定范围比例的丙烯酸乳液、重钙、水、纤维及纳米硅粉混合搭配，能够充分发挥各组分之间的协同作用，有效增强支护材料的柔韧性，减少其开裂的情况。
50.实施例6和实施例7的拉伸强度、断裂伸长率、粘结强度及单位面积上的总开裂面积均没有实施例3的优异，说明丙烯酸乳液具有优良的柔韧性能，且丙烯酸乳液与其余组分的相容性良好，适当比例的丙烯酸乳液与硅酸盐水泥混合，水泥颗粒表面被包裹上聚合物隔离膜，适当的聚合物隔离膜与水泥形成相互交织的网络，一定程度上改善支护材料的柔韧性，提高支护材料的拉伸强度。
51.实施例8的短纤维与砼伴纤维的比例为1.55:1.55，实施例9的短纤维与砼伴纤维
的比例为2.76:0.34，短纤维与砼伴纤维均有助于减小水泥的干缩率，而实施例8和实施例9的拉伸强度、断裂伸长率及粘结强度均没有实施例3优异，说明短纤维与砼伴纤维按照特定的比例范围混合添加入硅酸盐水泥中，才能够有效降低支护材料的干缩率，与其余组分发挥协同作用，提高支护材料的弯曲韧性和拉伸强度。
52.实施例10的短纤维与纳米硅粉的比例为2:0.5，实施例11的短纤维与纳米硅粉的比例为5:1.5，实施例10与实施例11的拉伸强度、断裂伸长率及粘结强度均没有实施例3优异，说明短纤维与纳米硅粉按照特定比例范围混合，适当的纳米硅粉有助于增强短纤维在硅酸盐水泥的分散性，加强其与其他组分之间的协同作用，进一步提高支护材料的拉伸强度，减少支护材料产生裂缝，过少的纳米硅粉对短纤维扩散效果不明显，而过多的纳米硅粉反而会降低材料的拉伸强度。
53.实施例12丙烯酸乳液与重钙的重量比为3.8，实施例13丙烯酸乳液与重钙的重量比为4.5，实施例12和实施例13的拉伸强度、断裂伸长率、粘结强度及单位面积上的总开裂面积均小于实施例3，说明丙烯酸乳液与重钙采用特定的比例混合，不仅能够节约成本，还能够有效提升丙烯酸乳液中的固含量，使得丙烯酸乳液的柔韧性能更好，从而提高支护材料的柔韧性，增强其拉伸强度和断裂伸长率。
54.实施例14、15的拉伸强度、断裂伸长率、粘结强度及单位面积上的总开裂面积均大于实施例3，说明对重钙改性处理后，可以明显提高重钙在丙烯酸乳液中的分散性，使其充分与丙烯酸乳液混合，提升丙烯酸乳液的固含量，增强丙烯酸乳液的柔韧性，柔韧性增强的丙烯酸乳液与泵送剂、水、硅酸盐水泥、石英砂、短纤维、砼伴纤维及纳米硅粉混合，从而提高支护材料的拉伸强度和粘结强度。实施例14的各项检测结果大于实施例15，说明对重钙进行特定比例的改性，才能够提高其在丙烯酸乳液中的分散性，过多的硬脂酸对重钙的改性效果并不明显，同时会导致成本增加。
55.对比例1为市售喷射混凝土，其各项检测结果均没有实施例1～15优异，说明本技术采用特定范围比例的丙烯酸乳液、重钙、水、纤维、纳米硅粉混合搭配制成支护材料，充分发挥各组分之间的协同作用，能够增强支护材料的拉伸强度和粘结强度，减少其开裂的情况。
56.对比例2中缺少丙烯酸乳液，a组分中仅有重钙、泵送剂及水，a组分与b组分混合后，其各项检测结果与对比例1相比，提升效果并不明显，说明丙烯酸乳液对支护材料的拉伸强度、断裂伸长率及粘结强度的影响很大，丙烯酸乳液优异的柔韧性能有助于提高支护材料的拉伸强度等性能。
57.对比例3中缺少重钙，对比例3与对比例1相比，拉伸强度、断裂伸长率及粘结强度均有提升，但是与实施例1～15任一检测结果相比，检测结果均没有实施例1～15优异，表明重钙能够提高丙烯酸乳液的固含量，使其充分发挥柔韧性能，从而提高支护材料的拉伸强度、断裂伸长率和粘结强度。
58.对比例4和对比例5中分别缺少短纤维和纳米硅粉，对比例4和对比例5的各项检测结果与对比例1相比，均有提升，但是均没有实施例1～15优异，说明短纤维和纳米硅粉与其他组分混合，有助于各组分充分扩散，充分发挥各组分的协同作用，增强支护材料的拉伸强度、断裂伸长率和粘结强度。
59.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护
范围。故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。