低溫環(huán)境下濕噴混凝土強(qiáng)度配比優(yōu)化研究*

馮興隆，苗元豐 ，李爭(zhēng)榮，王貽明 ，劉明武，曹永

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

噴射混凝土支護(hù)是借助噴射機(jī)械將混凝土料漿高速?lài)娚涞酱龂妿r面上，用于加固和保護(hù)結(jié)構(gòu)或巖石表面的一種具有速凝性質(zhì)的混凝土技術(shù)[1]。噴射混凝土技術(shù)一般分為干噴和濕噴。濕噴混凝土技術(shù)由于其回彈少、對(duì)溫度適應(yīng)能力強(qiáng)、支護(hù)效果好等優(yōu)勢(shì)，被應(yīng)用到地下礦山的井巷工程支護(hù)中[2]。濕噴混凝土的強(qiáng)度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致支護(hù)體失穩(wěn)破壞，而濕噴配合比是決定混凝土強(qiáng)度的決定性因素。

針對(duì)混凝土強(qiáng)度特性，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者做了大量研究。M.Husem[3]對(duì)噴射混凝土分別在低溫與標(biāo)準(zhǔn)溫度下養(yǎng)護(hù)7 d及28 d時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，溫度可通過(guò)影響水泥水化速率而影響混凝土強(qiáng)度，低溫為影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。吳愛(ài)祥等[4]通過(guò)研究溫度對(duì)寒冷礦區(qū)濕噴支護(hù)強(qiáng)度影響發(fā)現(xiàn)，在相同溫度下，水泥摻量增加可提高濕噴混凝土強(qiáng)度，低水灰比有利于早期強(qiáng)度提高,高水灰比更有利于后期強(qiáng)度的發(fā)展。姚松等[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)水泥摻量是影響濕噴混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,在滿足工作性能的前提下降低水灰比可以有效提高濕噴混凝土強(qiáng)度。楊清平等[6]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加減水劑的摻量,可較大幅度降低混凝土料漿的水灰比，進(jìn)而提升混凝土的強(qiáng)度。張玉杰等[7]研究發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.5%時(shí)，28 d混凝土抗壓強(qiáng)度增加 23.8%。陳偉天等[8]研究發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)混凝土中摻入一定量的硅灰,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨硅灰摻量的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

某銅礦地處高原，常年氣溫較低，氣溫處于0 ℃～15 ℃，本文針對(duì)該銅礦的濕噴混凝土，以正交試驗(yàn)為手段，開(kāi)展?jié)駠娀炷僚浔葍?yōu)化試驗(yàn)，獲得灰砂比、硅灰摻量、溫度、鋼纖維對(duì)濕噴混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)礦山采用混凝土濕噴技術(shù)具有參考意義。

1 濕噴混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

混凝土的實(shí)驗(yàn)材料一般有水、水泥、砂石、纖維、減水劑、速凝劑、防凍劑、硅粉等[9]。本次試驗(yàn)用砂石為礦山自產(chǎn)，粒徑均在10 mm以下，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。膠凝材料選擇425高性能水泥及硅灰，為保證濕噴混凝土工作特性，水泥摻量控制在 430 kg/m3～480 kg/m3，硅灰摻量控制在5%～15%。結(jié)合礦山實(shí)際溫度，溫度變化范圍在 0℃～15℃。鋼纖維摻量控制在40 kg/m3～50 kg/m3。

圖1 礦山自產(chǎn)砂砂石級(jí)配曲線

1.2 配合比試驗(yàn)方案

綜合各方面因素，固定水泥和硅灰總用量為480 kg/m3，硅灰采用內(nèi)摻方式，設(shè)定水灰比為0.42，設(shè)計(jì)4因素3水平正交試驗(yàn)探究灰砂比、硅灰摻量、溫度、鋼纖維用量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。具體正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) L9(34)表安排實(shí)驗(yàn)方案,見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3 試驗(yàn)方法

將水泥、砂石、硅灰、鋼纖維按照要求質(zhì)量攪拌均勻；在混合好的干料中加入水和減水劑，同時(shí)不停地?cái)嚢杌炷?，使得各種成分混合均勻；將攪拌均勻的混凝土倒入試模內(nèi)，將制作完成的試件編號(hào)并放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為濕度90%，溫度按照設(shè)定攝氏度，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d整；達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，測(cè)定混凝土抗壓強(qiáng)度[9]。

表2 正交試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

配合比正交試驗(yàn)得到的濕噴混凝土單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3，試驗(yàn)處理結(jié)果見(jiàn)表4。

2.2 配合比對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到濕噴混凝土強(qiáng)度與灰砂比、硅灰摻量、溫度、鋼纖維摻量的關(guān)系。

表3 混泥土試塊單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 灰砂比對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響

濕噴混凝土強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，單軸抗壓強(qiáng)度隨著灰砂比的增大而增減小，灰砂比為0.22時(shí)，強(qiáng)度值最大。由此可見(jiàn)，在保證水灰比一定的前提下，提高灰砂比會(huì)降低濕噴混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，隨著灰砂比的增加，膠結(jié)材料的膠結(jié)作用會(huì)下降，進(jìn)而降低濕噴混凝土的單軸抗壓 強(qiáng)度。

表4 試驗(yàn)處理結(jié)果

圖2 不同灰砂比的估算邊際抗壓強(qiáng)度均值

2.2.2 硅灰摻量對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響

濕噴混凝土強(qiáng)度與硅灰摻量的關(guān)系如圖 3所示。

圖3 不同硅灰摻量的估算邊際抗壓強(qiáng)度均值

由圖3可以看出，抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增大而增大，以15%時(shí)強(qiáng)度值最大。由此可見(jiàn)，硅灰摻量的提高可以較大程度的提高濕噴混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，二硅灰作為水泥的理想替代品，其膠結(jié)作用明顯好于水泥。當(dāng)硅灰摻量由5%提升到15%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度提高了81%。根據(jù)混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，可以得到28 d的單軸抗壓強(qiáng)度和硅灰摻量的關(guān)系式：

式中，σUCS為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；φ為硅灰摻量，%。

2.2.3 溫度對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響

濕噴混凝土強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如4所示。

圖4 不同溫度的估算邊際抗壓強(qiáng)度均值

由圖4可以看出，單軸抗壓強(qiáng)度隨著溫度的增大而減小，以0 ℃時(shí)最佳。溫度的降低使得濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙逐漸減小，密實(shí)程度增加，導(dǎo)致宏觀強(qiáng)度增加。溫度從0 ℃增加到15 ℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度降低了 13%。根據(jù)混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，可以得到 28 d的單軸抗壓強(qiáng)度和溫度的關(guān)系式：

式中，σUCS為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；T為溫度，℃。

2.2.4 鋼纖維摻量對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響

濕噴混凝土強(qiáng)度與鋼纖維摻量的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，單軸抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增大而增大，在50 kg/m3時(shí)有最佳的單軸抗壓強(qiáng)度。隨著鋼纖維摻量的增加，可以使得微觀上孔隙率減小，密實(shí)度加大，宏觀上呈現(xiàn)出單軸抗壓強(qiáng)度較高?？梢缘玫?8 d的單軸抗壓強(qiáng)度和鋼纖維摻量的關(guān)系式：

式中，σUCS為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；δ為鋼纖維摻量，kg/m3。

2.3 極差分析與最佳配合比

當(dāng)因素取不同值時(shí)，點(diǎn)的散布的范圍大，即點(diǎn)的上升或下降的幅度大，該因素就是影響強(qiáng)度的主要因素，反之為次要因素[10]。

圖5 鋼纖維摻量的估算邊際抗壓強(qiáng)度均值

極差R的大小反映了試驗(yàn)中各因素作用的大小，極差大表明這個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響大，通常為重要因素；極差小表明這個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響小，通常為不重要因素。本次試驗(yàn), 各因素對(duì)混凝土28 d單軸抗壓強(qiáng)度的影響程度排序?yàn)?硅灰摻量（29.03）＞灰砂比（13.73）＞溫度（7.97）＞鋼纖維摻量（6.98）。

按每列各水平的數(shù)據(jù)與指標(biāo)關(guān)系圖確定各因素的最優(yōu)水平組合，即濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)配合比為：水泥用量450 kg/m3，纖維用量50 kg/m3，灰砂比0.22，硅灰摻量15%，最佳溫度0 ℃。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該種水平組合能夠取得較好的礦山巷道支護(hù)效果，且能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)試驗(yàn)可知，混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度與灰砂比成負(fù)相關(guān)，與硅灰摻量成正相關(guān)，與溫度成負(fù)相關(guān)，與鋼纖維的摻量成正相關(guān)。

（2）通過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析，可以得出對(duì)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度影響最大的幾個(gè)因素，硅灰摻量和灰砂比對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度有較大的影響，其次是溫度對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度的影響，最后是鋼纖維摻量，影響相對(duì)較小。

（3）通過(guò)試驗(yàn)，可以得出濕噴混凝土的最優(yōu)水平組合，即水泥用量450 kg/m3，灰砂比0.22，硅灰摻量15%，鋼纖維用量50 kg/m3，最佳溫度0 ℃。研究結(jié)果可為濕噴混凝土的推廣應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。