煤炭学报

作者：孟祥喜, 岳兵, 卢润时, 孙易达, 田波, 潘从旺,

关键词：分子动力学, C–S–H, PAM, 水玻璃, 水分, 吸附机制, 界面特性,

在煤炭开采过程中，矿井巷道在穿过富水且构造发育的地层时，容易揭露导水通道进而引发突水事故。为提升水泥基注浆材料在富水环境中的工作性能，使用聚丙烯酰胺(PAM)与水玻璃作为外加剂对普通硅酸盐水泥进行改性。并采用分子动力学模拟的方法，构建水泥与外加剂混合产物的界面模型，通过调整层间水分子数量用以模拟水化产物所处的不同含水量环境。进一步地，采用多种微观表征实验对模拟结果进行了论证。结果表明：PAM–水玻璃结构展现出良好的亲水性，较强的亲水性使其与C–S–H的结合具有较强的黏附性，能够更好的适应富水环境；水泥–水–PAM–水玻璃界面脱黏功的变化具有无规律性，在含水量为6%时，水泥–水–PAM–水玻璃界面脱黏功达到最大临界点为37 465.715 mJ/m2，在更高含水量下，水分子透过孔隙结构与材料内部发生更深层次的水合反应，增强了界面稳定性；XRD图谱中的衍射峰与计算模拟中预测的C–S–H和PAM–水玻璃的存在形式相吻合，证实了聚丙烯酰胺和水玻璃会与水泥水化过程中产生的Ca2+和Si4+发生反应；SEM图像显示，水泥–聚丙烯酰胺和水玻璃界面上存在大量水化颗粒和微孔隙，包括针状和球状结晶，这些水化颗粒可能是聚丙烯酰胺和水玻璃参与水泥水化过程形成的增强界面黏附性的水化产物，而微孔隙的存在是导致模拟中出现相互作用能和脱黏功的变化主要原因。通过分子动力学模拟与实验结果的可以证明PAM与水玻璃形成的絮体结构具有良好的亲水性。相较于传统水泥注浆材料，PAM–水玻璃改性水泥浆液中絮体结构与水泥水化产物C–S–H的黏附性能更强，这有效锁住了水化产物层间水分，从而提高了富水环境中浆液的稳定性。

来源：2024年第11期

《煤炭学报》期刊编辑部

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