一种耐高温冲击高熵注浆材料及其制备方法与应用

本发明涉及一种耐高温冲击高熵注浆材料及其制备方法与应用，属于注浆加固煤岩体。

背景技术：

1、由于对能源及基础设施需求持续增大，目前涌现了大量高温工程，如矿产资源深部开采、地热开发、核废料处置及高地温隧道施工等。高温会削弱岩石的力学性能，同时上述工程常伴随大量的强动力扰动，使得在施工时会导致岩体失稳破坏，进而可能引起事故。因此如何能对各种高温工程中破裂岩体进行加固，是本行业所需研究的方向。

2、注浆技术作为常用的修复大变形破裂岩体、提高围岩稳定性的加固方法，已广泛应用于围岩加固处理中。然而，传统的水泥基注浆材料多适用于常温环境且脆性大、韧性差，当面临高温及冲击动载耦合的情况下，极易导致再次破裂，从而很难实现持续有效加固，因此，如何提供一种新的注浆加固材料，使其能对破裂围岩进行加固，且加固后具有较好的耐高温及耐冲击的性能，从而在高温及冲击动载耦合的条件下使围岩保持较好的稳定性，是所需亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种耐高温冲击高熵注浆材料及其制备方法与应用，能对破裂围岩进行加固，且加固后具有较好的耐高温及耐冲击的性能，从而在高温及冲击动载耦合的条件下使围岩保持较好的稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耐高温冲击高熵注浆材料，包含以下组分及质量份数：

3、超细水泥80～100份、钢纤维4～6份、高熵合金粉末40～50份、水80～100份、减水剂0.1～0.3份、增强剂20～25份、防水剂0.08～0.2份、缓凝剂0.04～0.1份、引气剂0.08～0.2份。

4、进一步，所述具体组分及质量份数为：超细水泥90份、钢纤维5份、高熵合金粉末45份、水90份、减水剂0.2份、增强剂22份、防水剂0.1份、缓凝剂0.07份、引气剂0.1份。采用该配比制成的耐高温冲击高熵注浆材料，其耐高温及耐冲击的性能最优。

5、进一步，所述超细水泥、高熵合金粉末、减水剂、防水剂、引气剂均为粉体，所述增强剂为液体，所述缓凝剂为颗粒状，所述钢纤维为细短条状。各个原料采用上述性状制成的耐高温冲击高熵注浆材料，其加固效果更好。

6、进一步，所述超细水泥比表面积为800m2/kg以上，粒度为500目，平均粒径5μm以下；所述钢纤维的直径为0.18～0.2mm，长度为10～12mm，抗拉强度大于2200mpa；所述高熵合金粉末的粒径为0～20μm，纯度不低于99％；所述增强剂的固含量为50％～52％；所述防水剂的固含量为98％以上；所述缓凝剂、和引气剂的纯度均不低于99％。

7、进一步，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂；所述防水剂为甲基硅酸钾粉末；所述缓凝剂为工业白糖；所述高熵合金粉末为alcocrfeni；所述引气剂为三萜皂甙；所述增强剂为高级水性亚克力树脂，其是一种丙烯酸共聚合高分子乳液。采用这些材质使制备的注浆材料，能达到所需的效果。

8、上述耐高温冲击高熵注浆材料的制备方法，具体步骤为：

9、步骤一：将所需质量份数的水、超细水泥、增强剂投入搅拌机，慢速搅拌1～3min；

10、步骤二：完成步骤一后，依次将所需质量份数的缓凝剂、减水剂、防水剂、引气剂匀速倒入搅拌机中，并慢速搅拌2～4min；

11、步骤三：完成步骤二后，将所需质量份数的钢纤维均匀撒入搅拌机，快速搅拌3～5min，得到含钢纤维的浆体；

12、步骤四：完成步骤三后，将所需质量份数的高熵合金粉末添加至含钢纤维的浆体中，快速搅拌4～6min，形成耐高温冲击高熵注浆材料。

13、进一步，所述慢速搅拌的转速为140±5r/min；快速搅拌的转速为285±10r/min；r/min表示转/分钟。

14、与现有技术相比，本发明将高熵合金粉末添加至含钢纤维的浆体中，从而形成耐高温冲击高熵注浆材料；其中高熵合金粉末为5种或5种以上的金属元素按等摩尔比或近等摩尔比混合在一起，不区分主要元素，熔炼得到的合金具有显微结构简化、不倾向于出现金属间化合物、具有纳米析出物与非晶质结构等结构特征，具有优越的高强度、高硬度、耐高温、耐冲击、耐磨等特性，尤其是具有较高的热稳定性及抗高温氧化的能力，发明人研究发现将特定的高熵合金粉末(即alcocrfeni)添加至含钢纤维的浆体中，制成注浆材料，该材料能有效对围岩裂隙进行加固，且其加固后具有较好的耐高温及耐冲击的性能，从而在高温及冲击动载耦合的条件下仍然能使围岩保持较好的稳定性；其原因是多种原料相互配合实现；其中超细水泥具有无污染、结石强度高、耐久性好、抗渗性能佳、流动性好、稳定性及可注性高等特点；钢纤维和高熵合金粉末均匀分散在注浆材料内，两者相互作用，可有效增加水泥基注浆材料强度和韧性，从而提高材料在高温下的抗冲击能力；聚羧酸高性能减水剂加入注浆材料后，能显著提高注浆材料的流动性，赋予材料良好的施工性和力学强度；高级水性压克力树脂能提高注浆材料的弯曲强度、粘着力、抗压强度、耐磨性及抗冲击能力；甲基硅酸钾粉末混合后，可与空气中的co2或其他酸性化合物反应，在材料表层形成一层不能溶解的网状防水透气膜，具有优越的防水、防渗、防潮、抗老化等特点，能够增加材料寿命。工业用白糖加入材料后，白糖分子会与水泥颗粒表面的钙离子反应，形成一层薄膜，从而抵消钙离子对水泥颗粒的吸引力，降低了凝结速度，便于后续钢纤维和高熵合金粉末在材料内均匀分布；三萜皂甙加入材料后，使得注浆材料中的气泡膜壁变得较厚，能保持较好的圆球状，粘聚性强，和易性好，易泵送，且可提高注浆材料耐久性，改善泌水和离析，提高抗侵蚀能力；另外钢纤维在注浆材料内均匀且乱向分布，这些乱向分布的钢纤维能够有效阻碍材料内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善注浆材料的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，其与高熵合金粉末共同实现抗冲击效果，最终多种原料相互配合，实现注浆材料在注入围岩裂隙凝固进行加固后，在高温及冲击动载耦合的条件下仍然能使围岩保持较好的稳定性。

技术特征：

1.一种耐高温冲击高熵注浆材料，其特征在于，包含以下组分及质量份数：

2.根据权利要求1所述耐高温冲击高熵注浆材料，其特征在于，所述具体组分及质量份数为：超细水泥90份、钢纤维5份、高熵合金粉末45份、水90份、减水剂0.2份、增强剂22份、防水剂0.1份、缓凝剂0.07份、引气剂0.1份。

3.根据权利要求1所述耐高温冲击高熵注浆材料，其特征在于，所述超细水泥、高熵合金粉末、减水剂、防水剂、引气剂均为粉体，所述增强剂为液体，所述缓凝剂为颗粒状，所述钢纤维为细短条状。

4.根据权利要求1所述耐高温冲击高熵注浆材料，其特征在于，所述超细水泥比表面积为800m2/kg以上，粒度为500目，平均粒径5μm以下；所述钢纤维的直径为0.18～0.2mm，长度为10～12mm，抗拉强度大于2200mpa；所述高熵合金粉末的粒径为0～20μm，纯度不低于99％；所述增强剂的固含量为50％～52％；所述防水剂的固含量为98％以上；所述缓凝剂、和引气剂的纯度均不低于99％。

5.根据权利要求1所述耐高温冲击高熵注浆材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂；所述防水剂为甲基硅酸钾粉末；所述缓凝剂为工业白糖；所述高熵合金粉末为alcocrfeni；所述引气剂为三萜皂甙；所述增强剂为高级水性亚克力树脂。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述耐高温冲击高熵注浆材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述慢速搅拌的转速为140±5r/min；快速搅拌的转速为285±10r/min。

8.一种采用权利要求1至5所述耐高温冲击高熵注浆材料对高温及动载冲击环境下围岩加固的应用。

技术总结本发明公开了一种耐高温冲击高熵注浆材料及其制备方法与应用，包含以下组分及质量份数：超细水泥80～100份、钢纤维4～6份、高熵合金粉末40～50份、水80～100份、减水剂0.1～0.3份、增强剂20～25份、防水剂0.08～0.2份、缓凝剂0.04～0.1份、引气剂0.08～0.2份；将上述组分按照质量份数依次搅拌混合，从而制成耐高温冲击高熵注浆材料；然后将耐高温冲击高熵注浆材料注入围岩裂缝内对围岩进行加固；本发明的注浆材料在注入围岩裂隙凝固进行加固后，仍然具有较好的耐高温及耐冲击的性能，从而在后续高温及冲击动载耦合条件下能使围岩保持较好的稳定性。技术研发人员：金煜皓,韩立军,张农,郭卉,杨硕,宋绍雷,单浩,宋雪娟,黄鹏程,苏善杰,王圣程,黄兰英,仇培涛,毕晓茜受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18