热稳定性高的粉煤灰基无机泡沫材料，用于煤矿中的防火和防止空气泄漏

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Thermally Stable Fly Ash-Based Inorganic Foam for Fire and Air Leakage Prevention in Coal Mines

高体积飞灰制备无机固态泡沫抑制煤自燃的研究，系统考察了固化温度和时间对材料力学性能和热稳定性的影响，发现40℃固化时压缩强度达1.58MPa且热稳定性优于高铝水泥泡沫56%。SEM和BET分析表明材料孔隙结构优化，表面能提升有效封堵空气泄漏通道。

　　

刘尚明|马莉|刘西西|杜苏

西安科技大学安全科学与工程学院，中国西安，710054

摘要

地下煤矿中的空气泄漏是导致自燃的关键因素。本研究探讨了将大量粉煤灰转化为热稳定的无机固化泡沫（HVFA-ISF）用于矿井防火的可行性。系统研究了不同固化温度下HVFA-ISF的抗压强度、热稳定性和微观结构演变。在40°C的固化温度下，该材料具有良好的抗压强度；然而，随着固化温度的升高和固化时间的延长，其干燥收缩率会增加。与高铝水泥泡沫相比，HVFA-ISF表现出更优异的热稳定性，7天内的放热率降低了56%。较高的固化温度加速了水化反应，促进了C-S-H凝胶和Aft的形成，从而提高了结构稳定性。扫描电子显微镜（SEM）和比表面积（BET）分析表明，粉煤灰颗粒在固化过程中转变为具有精细化孔结构和增加表面积的凝胶状团聚体。当应用于松散的煤层时，HVFA-ISF能够有效粘合煤颗粒并封堵空气泄漏路径。总体而言，结果表明，大量粉煤灰是一种可持续的废物资源转化策略，可用于生产具有改进的热性能和机械性能的防火材料。

引言

地下煤矿具有复杂的地质条件，经常发生煤层坍塌、气体泄漏和水渗入等灾难性事件，尤其是在裂隙岩层中。这些危害不仅严重威胁地下工人的安全，还降低了运营效率[1]、[2]。空气泄漏是导致煤炭自燃的主要因素，尤其是在松散煤层中，气流会加速低温氧化并引起局部温度升高，增加火灾风险。为了控制这些危害，广泛使用了灌浆技术来加固薄弱结构并封堵空气泄漏通道[3]、[4]。常见的灌浆材料包括无机材料（如水泥、水玻璃[23]、[5]和粘土），以及有机材料（如聚氨酯、环氧树脂及其复合材料[3]、[7]、[8]）。其中，无机固化泡沫因其耐火性、环境兼容性、耐用性、低成本和低热量释放而受到越来越多的关注[10]、[11]、[23]。

无机固化泡沫主要由水泥、减水剂、凝胶系统和发泡系统组成，具有优异的环境和耐火性能[11]。粉煤灰作为一种丰富的工业副产品，由于其易获取性和低成本而被广泛用于无机固化泡沫中[13]、[14]。大量使用粉煤灰替代水泥可以有效降低火灾风险，并促进资源利用[15]、[16]、[17]。当粉煤灰含量达到水泥质量的约70%时，研究表明其孔结构更加精细，泡沫壁更厚，从而提高了稳定性和机械性能[18]、[19]、[20]。进一步的研究表明，配方优化和表面活性剂的使用可以进一步提高抗压强度、减少膨胀并具有防火冷却效果[20]、[21]、[22]。

尽管之前的研究已经考察了无机固化泡沫的混合设计、机械性能和水化行为，但固化温度和固化时间对微观结构演变、水化产物、界面粘结和热稳定性的影响尚未明确。这些与温度相关的变化在地下煤矿中尤为重要，因为密封材料需要承受波动的热湿条件，并保持长期的结构完整性和防火性能。因此，阐明这些因素如何影响高粉煤灰含量无机泡沫的性能对于提高其在实际应用中的可靠性至关重要。

本研究制备了一种高粉煤灰含量的无机固化泡沫（HVFA-ISF），并系统研究了温度和固化时间对水化产物的抗压强度、干燥收缩率和微观结构的影响。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和比表面积分析等方法进一步研究了HVFA-ISF在松散煤层中的粘结和加固性能。这为使用固化无机泡沫材料防止煤炭自燃提供了理论基础。

材料

十二烷基硫酸钠（SDS）和辛基葡糖苷（APG）用作表面活性剂。黄原胶（XG）和瓜尔胶（GG）用作泡沫稳定剂。粉煤灰和高铝水泥（CA50）用作凝固剂。表1和表2显示了粉煤灰（FA）和高铝水泥的化学成分和粒径分布。水玻璃和氢氧化钠用作活化剂，水玻璃的模量为3.3。聚羧酸减水剂和聚丙烯纤维也用于制备过程中。

材料形成机制

为了阐明HVFA-ISF形成和稳定的内在机制，本研究系统分析了五个关键方面：泡沫稳定、水化反应、碰撞-粘结、固化与固化过程以及干燥收缩，如图2所示。

• (1)
  泡沫稳定机制：SDS和APG在气液界面迅速吸附，降低表面张力并促进气泡形成。它们的组合通过形成致密的分子膜产生协同效应。

结论

• (1)
  与传统水泥泡沫相比，高掺量粉煤灰的无机固化泡沫（HVFA-ISF）具有优异的耐热性。在相同温度下，HVFA-ISF的抗压强度和固化收缩率随时间增加，但抗压强度在温度升高时先增加后减小，在40℃时抗压强度可达到1.58 MPa。此外，HVFA-ISF的热稳定性也随着温度的升高而提高。

未引用的参考文献

[6]、[9]、[12]、[26]

CRediT作者贡献声明

刘西西：资源管理、项目协调。杜苏：资源支持。刘尚明：实验研究、资金获取、数据分析。马莉：数据分析。

利益冲突声明

所有作者必须披露任何可能不恰当地影响其工作的财务和个人关系，或声明没有需要披露的利益关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52504248）、陕西省科技创新团队项目（项目编号2023–CX–TD–42）、陕西省教育厅科研计划项目（项目编号24JP106）以及陕西省博士后科学基金（项目编号2024BSHSDZZ79）的支持。