在煤炭开采的过程中伴随着诸多不安全因素,其中瓦斯是最为常见的危险因素,瓦斯事故给煤炭行业带来了极大的经济损失和人员伤亡,生产作业中通常采用钻孔抽采来降低煤层中的瓦斯含量,而封孔的质量直接影响着瓦斯抽采效果。因此,研发一种性能优异的矿用封孔材料对煤矿的安全生产有着极为重要的意义。目前最常见的就是水泥基封孔材料,其地质适应性强、配置工艺简单、经济性高等特点尤为显著,但是也存在着受外界环境影响,凝结时间不稳定、早期强度偏低、后期强度易塌缩,易开裂等缺陷,会导致封孔漏气失效,极大地影响了矿井瓦斯抽采效率。为了改善上述水泥基封孔材料的缺陷,本论文进行了相关实验研究,通过添加纳米材料、高分子材料和无机材料复配来改善其相关性能。水泥基材料掺入纳米碳化硅后,由于纳米材料的高表面活性和微集料效应能够为水泥熟料提供成核点位,大量水化产物聚集,有利于水化进程的持续稳定进行,同时水泥材料在拌和过程中会引入部分空气,在搅拌过程中形成微小孔隙存在于水泥内部,纳米材料能够充分填补到孔隙中,从而降低水泥孔隙率,使其结构均匀致密,在受到外力作用时,各个部位均匀受力,带来更优异的力学性能。综上,本文首先探究了纳米SiC对水泥基材料性能的影响,实验降水灰比设置为0.4,分别掺入0.2%、0.3%、0.4%的纳米SiC,通过实验数据对比确定当掺量为0.3%时,水泥性能达到最佳,其1d、3d、7d、28d的抗压强度分别达到10.780MPa、20.335MPa、32.004MPa、43.735MPa,相较于空白对照组提升 50.41%、17.16%、16.15%、25.70%。通过微观分析观察到纳米SiC微粒填补进水泥内部孔隙使其结构紧密,水化早期可明显观察到球状吸附结构和AFt晶体出现,为水化反应产物提供成核点位,大量水化产物聚集而加速了水化反应速率。在上述实验的基础上,论文继续探究纳米SiC复配高分子PVA对水泥早期性能的影响,实验得出结论:掺量为0.3%纳米SiC+0.2%PVA时,试样性能最佳,其 1d、3d、7d、28d 的抗压强度分别为 15.441MPa、26.091MPa、34.273MPa、48.673MPa,相较于同龄期空白组提升 115.45%、50.33%、24.39%、39.89%。PVA能够有效分散水泥颗粒和减少纳米SiC微粒团聚现象,使水化反应更充分,在水泥内部中,高分子间的桥接效应使内部形成了高密度张力膜状结构,增加了水泥材料的抗压、抗折性能。PVA的加入会改变浆体的流动性能,从而导致钙离子等其他离子移动速率改变,对CH晶体形貌的形成产生影响,CH晶面多向延伸,不同CH晶面交互生长产生构造出弯曲堆叠板状结构,产生更大的结构强度。硫酸锂可以和纳米SiC和PVA结合形成一种新型三元复合体系早强剂,实验得出当掺量为0.3%纳米SiC+0.2%PVA+0.4%Li2SO4时,水泥性能最优。其1d、3d、7d、28d 的抗压强度分别为 23.100MPa、28.358MPa、35.197MPa、48.635MPa,相较于空白组分别提升222.31%、63.39%、27.74%、39.78%,早期强度提升明显。由于锂离子半径小、极化作用强,相较于其他阳离子具有更为优异的穿透性,在水化早期,反应产生的CH和C-S-H会形成水化膜覆盖在水泥颗粒表面,PVA和纳米SiC穿插形成高分子膜包裹水化产物,削弱了对水化反应的促进效果,而锂离子较易穿透这些膜状结构,在穿透后,同离子效应会促使钙离子交换到膜外从而破坏水化膜结构,同时PVA包裹在水泥颗粒外表面,通过双电子层效应阻碍水泥颗粒的团聚,并且携带纳米SiC和锂离子吸附在水化膜上,进一步促进了锂离子对水化膜结构的破坏,促进水泥水化反应速率。图[35]表[7]参[75]