煤炭作为目前中国的主要能源之一,在我国的能源经济发展中起着至关重要的作用,瓦斯突出事件频发严重影响了煤炭经济发展。通常采取矿井钻孔抽采来采集瓦斯进而防治瓦斯事故的发生,而封孔质量的优劣很大程度上决定了井下瓦斯的抽采效率,因此一种性能优异的封孔材料能有效保障气体抽采效果最大化。目前煤矿一般采用水泥基作为封孔材料,其易操作、用料广、价格低、密封效果优等特点较为明显,在瓦斯抽采的应用中最广泛。但是这类材料也存在较为明显的缺点,尤其表现在:矿井高温高湿的环境中封孔材料的凝结时间不稳定、前期硬度低、后期易开裂、流动性较差、抗压强度发展缓慢甚至无法达到工作需求等,其中避免封孔材料产生裂隙最为主要。为了改善上述材料所存在的缺陷,本论文对水泥材料进行了相关研究,通过外加剂和有机材料的添加对其各种性能进行改善。高分子吸水树脂也被称为超吸水聚合物(SAP),实验采用了质量比为70:30的丙烯酰胺和丙烯酸聚合接枝法合成的SAP,在制作特种水泥基的情况下,SAP可以用作引气剂,在某些方面上优化材料对温度的耐受度;在水砂比参数不高的条件下,能作为水泥基的内部养护材料有效地防止混凝土自身收缩,减少混凝土的裂隙;在水泥基中,利用纤维间的桥接效应使水泥材料内部形成了高密度张力系统,抗应变能力增加了近百倍并且提高了混凝土的自愈合性能。亚纳米级材料拥有优异的物理机能和化学性质,其小尺寸能够更充分的与水泥浆相结合,与传统材料相比,亚纳米材料颗粒的掺入能够明显提升水泥基早期力学性能,亚纳米镍锌铁氧体不仅具备纳米材料优异的物化性能,掺入水泥基后Fe3+能明显提高前期强度,而SAP的吸水抗裂能力与亚纳米镍锌铁氧体的早期性能相结合,两者之间都具备的填充作用可以起到相互协调作用,在此基础上加入传统无机材料硫酸铁,形成高分子-亚纳米-无机材料三元体系来研究其对水泥试样的性能影响。结合上述,首先论文探究了高分子吸水树脂SAP对水泥基材料的影响,实验固定水灰比为0.38(W/C=0.38),分别将质量比为0.2%、0.4%、0.6%的SAP加入水泥试样,综合前后期强度来看,选择质量比为0.3%SAP为最佳组,其抗压强度在 1d、3d、7d、28d 分别为 9.852MPa、19.563MPa、27.355MPa 和 41.737MPa,较基准组变化率各为47.8%、2.9%、13.4%、26.4%。进行微观构造观察时,在加入SAP后形成了一种带负电荷的交联介质网络结构,加入水分之后产生电离反应,使同性带电离子产生一个排斥力,使铝酸三钙、C3S等物质的反应速率加快,加速了钙矾石和水化硅酸钙的生成,另一方面促进了二水石膏的析出,增加了碱性浓度和塑性强度。在单掺SAP的实验参数上,论文引入了亚纳米镍锌铁氧体进行复配来进一步改善水泥试样的物化性能,试验数据表明实验组在0.3%SAP+1%亚纳米镍锌铁氧体时综合效果最优,其抗压强度在1d、3d、7d、28d分别为9.306MPa、24.632MPa、30.590MPa、42.817MPa。结合微观分析,亚纳米材料在水化初期在SAP粒子电离作用下形成一种紧密的高能粒子结构,这种结构让水泥内部更加密实,铝酸三钙、C3S等物质转换成CH的速度加快,SAP和亚纳米铁氧体的复合有效改善了水泥试样前期强度和自养护性能。硫酸铁作为一种应用广泛的无机物,可以结合SAP和亚纳米镍锌铁氧体形成一种新型三元体系,数据表明实验组在0.3%SAP+1%亚纳米镍锌铁氧体+0.7%硫酸铁时各方面性能都处于最优,其抗压强度在1d、3d、7d、28d分别为10.127MPa、24.271MPa、32.314MPa和43.254MPa。微观显示,硫酸根能和水泥中生成的CH结合生成尺寸很小的CaSO4和NaOH,促进了铝酸三钙生成水化硫铝酸钙的进程形成稳定结构,亚纳米材料和硫酸铁溶于水泥后的Fe3+属于高价阳离子,其较强的压缩作用能作用于C-A-H分子形成的双电子层,进一步促进了 C-A-H组分的生成使试样提升密实性。图[41]表[7]参[60]