高性能喷射混凝土研究报告

目录目录序第一章喷射混凝土应用研究概况1.1喷射混凝土技术的发展1.2喷射混凝土特点及施工工艺1.2.1喷射混凝土的特点1.2.2施工工艺1.3喷射混凝土的原材料及其配比1.4外加剂在喷射混凝土技术中的应用1.4.1外加剂的发展1.4.2外加剂的分类1.5外加剂的应用1.5.1速凝剂在喷射混凝土中的应用1.5.2减水剂在喷射混凝土中的应用1.5.3膨胀剂在喷射混凝土中的应用1.5.5硅灰在喷射混凝土中的应用第二章高强度喷射混凝土配方研究2.1高强度喷射混凝土的初步试验2.1.1试验原料2.1.2试验条件2.1.3试验结果分析2.2．MK-1高效增强剂最佳用量的确定2.2.1试验原料2.2.2试验方法2.2.3试验结果分析2.3水泥标号对MK-1用量的影响2.3.1试验原料2.3.3试验结果分析2.4新配方中速凝剂用量的确定2.4.1试验原料2.4.2试验方法和条件2.4.3试验小结2.5减少速凝剂、提高混凝土强度的试验2.5.1试验原料2.5.2试验方法2.5.3试验结果分析第三章高韧性喷射混凝土试验研究3.1增韧材料遴选试验3.2纤维规格对混凝土强度的试验研究3.3纤维掺入方式对混凝土强度影响的研究第四章高性能喷射混凝土的SEM图像分析4.1．试验设备与试验条件4.2．MK高效增强剂在喷射混凝土中的作用4.3．速凝剂对喷射混凝土微观结构的影响第五章高性能喷射混凝土的作用机理5.1增强机理5.2提高喷射混凝土耐久性的机理5.3速凝机理5.4降低喷射回弹率的机理5.5提高喷射混凝土密实性的机理5.6提高喷射混凝土韧性的机理第六章高性能喷射混凝土现场试验6.1预备试验6.2第一次现场试验6.2.1试验原料特性和产地6.2.2试验地点、配比与施工工艺6.3第二次现场试验6.4第三次现场试验（工程试验与效果评价）第七章经济效益分析7.1．高性能喷射混凝土替代普通喷射混凝土经济效益计算7.2．高性能喷射混凝土替代浇铸混凝土的经济效益计算7.3．高性能喷射混凝土制碹节约矿井建设时间的经济效益第八章结论与建议8．1结论8．2建议参考文献附件序喷射混凝土具有原材料来源广泛、价格低、能耗小、工艺简单、性能稳定、耐久性好以及维修费用低等优点，成为现代矿井井下巷道的主要支护材料之一。自1824年波特兰水泥问世开始，以水硬性水泥为胶结材料的混凝土就与水泥同时发展。到了20世纪60年代，日本、德国分别研制成功了减水率高达20%的减水剂，配制出了地面建筑用的高强混凝土。当前由于高效减水剂等混凝土外加剂的开发应用，混凝土的性质和功能得到了很大的改善和提高，使建筑工程得到了更好的施工质量和更大的使用价值，混凝土正向高性能方向发展。高性能混凝土的特点是高强度、高耐久性、体积稳定性好、密实性好、具有良好施工性能。长期以来，煤矿井下巷道喷射混凝土多采用普通混凝土，由于速凝剂的影响，设计强度一般为强度标号C20，由于喷射时操作不规范等因素的影响，实际强度还要下降20%左右。低强度的喷射混凝土对于浅部地压不大的矿井基本上能够适应，但由于脆性大、粘结力不强，在围岩稍微出现变形后即发生开裂、掉皮、脱块等破坏现象，失去支护效果。跨入21世纪，随着浅部资源的逐渐枯竭，煤炭开采深度日益加大，矿压增大，巷道围岩控制与维护难度日益加大，提高支护体强度就成了研究工作的重点内容之一。国内外为了提高喷射混凝土的强度，有采用钢纤维喷射混凝土，也有采用硅灰喷射混凝土，强度可以适当提高。但钢纤维喷射混凝土施工机具、工艺复杂；硅灰混凝土，价格很高，硅灰混凝土易产生裂缝，推广应用困难。目前有在重大建筑工程中采用以高性能偏高岭土为主要添加剂配制高强高性能混凝土，密实度好、强度高、防裂、防渗，性能优于硅灰混凝土，价格比硅灰也有一定的优势，所以，把高性能偏高岭土作为主要增强性添加剂对喷射混凝土性能的改善应该具有积极的作用。鹤壁煤电股份有限公司三矿，1956年基建，1958年正式投产。原设计生产能力60万吨/年，核定生产能力135万吨/年。三矿位于鹤壁老市区北约4.4公里，主井坐标为X=3978484.089，Y=515161.903。井田范围：北部以F、F断层为界，西部以二煤 11 3 1层露头为界，南部原以F16、F20与五矿为界，后扩大至五矿-600水平以下，F断层以北，东部至-800二煤层底板等高线。井田南 40 1北走向5.5公里，东西倾斜宽3.1公里，井田面积17.1平方公里。三矿井田交通便利，有安阳鹤壁公路经过井田，又有矿区铁路专线与京广铁路连通。三矿井田以低缓丘陵地貌为特征，最高处247.10米，最低处146.00米。丘陵高处出露第三系粘土及砾岩，低洼处覆盖第四系黄土。鹤壁三矿是一个具有50余年历史的老矿，浅部资源基本枯竭，新的采取主要位于埋深1000米以下的深部，矿压显著增大，传统的喷射混凝土已经不能满足大矿压巷道支护的要求。鉴于此，研制出一种以高活性偏高岭土为主要外加剂的价格低廉、工艺简单的高性能喷射混凝土，用于鹤壁煤业公司第三煤矿的大地压巷道，来加强支护体的强度势在必行。高性能喷射混凝土的应用，不仅可以有效控制围岩的变形，保证支护体不被破坏，减少巷道翻修，保证矿井如期投产，而且将大大改善井下巷道面貌，保证矿井的安全生产，提高锚喷支护的水平，具有广泛的推广应用价值。

第一章喷射混凝土应用研究概况喷射混凝土是一种原材料与普通混凝土相同，而施工工艺特殊的混凝土。喷射混凝土是将水泥、砂、石按一定的比例混合搅拌后，送入混凝土喷射机中，用压缩空气将干拌合料压送到喷头处，在喷头的水环处加水后，高速喷射到巷道围岩表面，起到支护作用的一种支护形式和施工方法，是一种不用模板，没有浇注和捣实工序的快速、高效的混凝土施工工艺。在矿山井巷、地下工程、隧道隧洞等工程中，采用与锚杆支护相结合的喷射混凝土支护，取代原有的料石砌碹、混凝土衬砌，具有明显的效果。1.1喷射混凝土技术的发展喷射混凝土是由喷射水泥砂浆发展起来的。1914年美国在矿山和土木建筑工程中首先使用了喷射水泥砂浆。1942年瑞士阿利瓦（A1iva）公司研制成了转子式混凝土喷射机，能喷射含最大粒径为25mm骨料的混凝土；1947年德国BSM公司研制成双罐式混凝土喷射机。1948年至1953年间兴建的奥地利卡普隆水力发电站的米尔隧洞最先于使用了喷射混凝土支护。以后，瑞士、德国、法国、瑞典、美国、英国、加拿大、日本等国相继在土木建筑工程中采用了喷射混凝土技术。我国冶金、水电部门上个世纪60年代初期，即着手研究混凝土喷射机械及喷射混凝土技术。l965年11月，冶金部建筑研究院与第三冶金建设公司合作，成功地在鞍钢弓长岭铁矿建成了一条用喷射混凝土支护的矿山运输巷道。1966年初，冶金部建筑研究总院用喷射混凝土修补北京地下铁道古城段因火灾烧伤的钢筋混凝土衬砌，获得了良好效果。同年，我国成昆铁路的部分隧道，攀钢大断面运输隧洞和本钢南芬泄洪洞采用了喷射混凝土支护。1968年，我国回龙山水电站主厂房及梅山铁矿竖井工程采用了喷射混凝土与锚杆相结合的支护。上述这些都为我国早期喷射混凝土技术的开发奠定了基础。到目前，国内外加强了对喷射混凝土技术的研究开发工作，技术上取得了许多突破，使之在地下工程、薄壁结构工程、维修加固工程、岩土工程、耐火工程和防护工程等土木建筑领域获得了广泛的应用。1.2喷射混凝土特点及施工工艺1.2.1喷射混凝土的 特点由于喷射混凝土具有良好的性能及施工方便的特点，目前经常被用于结构物的修复和加固。喷射混凝土可用于修复加固因地震、火灾、腐蚀、超载、冲刷、振动、爆炸和碰撞等因素引起的建筑结构损害，以及修补因施工不良造成的混凝土及钢筋混凝土结构的严重缺陷。喷射混凝土的加固具有快速高效、经济合理、质量可靠等优点，喷射混凝土在施工工艺、材料及结构等方面与普通现浇混凝土相比有许多特点：（l）不需振捣。喷射混凝土集混合料的运输、浇灌和捣固为一道工序，喷射混凝土以较高的速度（30～120m/s）喷向受喷面，先喷到受喷面上的混凝土受后喷混凝土的强烈冲击和压密，从而使混凝土结构密实，强度较高，不需要人工捣固。（2）早期强度高。喷射法施工在拌合料中加入速凝剂，使水泥在l0min内终凝，使混凝土喷射后能很快获得强度，有利工程进度，但要注意其后期强度会有所下降。广泛的适用性。可通过输料软管在高空、深坑或狭小的工作区间向任意方位施作薄壁的或复杂造型的结构;不用或只用单面模板，施工占地面积小、机动灵活、节省劳动力。喷射施工时，由于高速高压作用，喷射出的混凝土能射人宽度2mm以上的裂缝，能有效地封闭裂缝，并与被加固的结构紧密结合，形成整体共同工作，阻止原结构继续变形位移和开裂。喷射混凝土不是依赖振动来捣实混凝土，而是在高速喷射时，由水泥与集料的反复连续撞击而使混凝土压实，同时又可采用较小的水灰比（0.4～0.45），因而它具有较高的力学强度和良好的耐久性。1.2.2施工工艺根据喷射混凝土拌合料的搅拌和运输方式，喷射方式一般有干式和湿式两种，常采用干式。图1-1和图1-2是干式与湿式喷射混凝土工艺流程图。粗集料细集料水泥速凝剂干伴粗集料细集料水泥速凝剂干伴搅拌机喷射机空压机喷嘴受喷面水泵粗集料细集料水泥水搅拌机喷射机空压机喷嘴受喷面速凝剂干式喷射是用喷射机压送干拌合料，在喷嘴处加水。湿式喷射是用喷射机压送湿拌合料（加入拌合水），在喷嘴处加人速凝剂。湿式喷射时、水与其它材料拌合较均匀，产生的粉尘和回弹少。为了将湿式的长处引入干式中，采用在喷嘴前几米的管路处预先加水的方法，有时把这种方式叫半湿式喷射或潮式喷射。但从本质上说，还是属于干式。近年来，由于包括混凝土泵、活塞式速凝剂计量泵和喷射臂在内的稠流湿喷射技术的出现，使湿喷法的应用大大拓宽。在意大利，湿喷约占喷射混凝土总量的90%，日本的湿喷约占喷射混凝土总量的65%以上。湿法喷射已成为世界各国喷射混凝土技术的发展趋向。在我国，由于铁道科学院西南分院研制的TK—961型湿喷机的出现，必将大大推动我国湿喷技术的发展。1.3喷射混凝土的原材料及其配比由于喷射混凝土工艺的特殊性，对原材料的性能、规格要求及其配比上有所不同。（1）水泥水泥的品种和规格应根据巷道支护工程的要求、水泥对所用速凝剂的适用性，以及现场供应条件而定。应优先选用普通硅酸盐水泥，其特点是凝结硬化快，保水性好，早期强度增长快，也可以根据实际情况选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥。矿渣水泥凝结较慢、早期强度增长迟缓，而且对滴水和低温特别敏感，凝结硬化效果明显降低。火山灰质硅酸盐水泥虽然粘着，有利于降低回弹，但早期硬化慢，吸水性强，需较长时期养护，否则容易因迅速干燥而使水分过早蒸发，导致喷射混凝土产生较大收缩而开裂。因此，采用矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥作喷射混凝土用料时要慎重，一般在喷射工作面无水或岩体较稳定时采用。如矿井水硫酸根离子含量高，设计规定混凝土要有防腐蚀要求时，应选用抗硫酸盐水泥。如采用碱性速凝剂时，不得使用矾土水泥。水泥标号一般不得低于32.5号。过期、受潮结块或混合的水泥均不得使用。水泥进库时应根据出厂合格证进行验收，注意检查其品种、标号和出厂日期并按此堆放，防止堆放在底部的水泥长期不用而失效。砂子应采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数应大于2.5，含水率宜控制在5%～7%，含泥量不得大于3%。细砂会增加喷射混凝土的干缩变形，而且过细的粉砂中小于5um的颗粒和游离二氧化硅的含量较大，易产生大量粉尘，影响操作人员的身体健康。石子应采用坚硬耐久的卵石或碎石，粒径不应大于15mm。采用卵石，因其光滑干净，对喷射机和输料管路摩损少，有利于远距离输料和减少堵管故障。碎石混凝土比卵石混凝土强度高，喷射作业中回弹串也较低，但碎石有棱角，表面粗糙，对喷射机和输料管路磨损严重，应尽量少用。当使用碱性速凝剂时，不得使用合有活性二氧化硅的石材。水凡能饮用的自来水及洁净的天然水都可作为喷射混凝土混合用水。混合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质，不得使用污水以及pH＜4的酸性水和含硫酸盐量按SO4计算超过水重的1%的水。速凝剂速凝剂种类繁多，世界上获得专利的速凝剂产品牌号已有几百个。我国从1965年以来，已陆续生产出十几种牌号的速凝剂。这些速凝剂按成分可分为两类：一类是以铝酸盐和硫酸盐为主，再复合一些其他无机盐类组成的；另一类则以水玻璃（NaO·2～3SiO） 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2为主要成分，再与其他无机盐类复合组成。按形状又可分为粉状和液状两类。（6）配合比由于喷射混凝土施工工艺的特点，在选择喷射混凝土配合比时，既要满足支护结构对喷射混凝土的物理力学性能方面的要求，又要考虑喷射混凝土施工工艺方面的要求，而使喷射混凝土具有足够的抗压、抗拉、粘结强度，又使喷射混凝土收缩变形值保持最小，喷射作业时的回弹率也最低。这里的混合料配合比是指一立方米喷射混凝土中，水泥、砂、石子所占比例。不应认为水泥用量越大越好。水泥用量大，喷射混凝土的收缩也大，容易开裂，而且费用增加。为了减少喷射时的回弹物，喷射混凝土与普通混凝土相比，其石子用量要少得多，而砂子用量则相应增大，甚至达50%。砂率高了，集料总表面积就增大，也就势必要求更多的水泥浆包裹集料表面，以满足喷射混凝土强度的要求。实际上也不能过多地使用水泥。一般喷射混凝土混合料的配合比如下:水泥与砂石之重量比为1:4～1:4.5；砂率宜为45%～55%；水灰比宜为0.4～0.45。速凝剂掺量应根据产品性能通过试验确定。喷浆时，水泥：砂为1：2至1：3（重量比），水灰比0.4～0.55。喷射混凝土时，水泥：砂：石子为1：2：2，1：2.5：2，初喷时可适当减少石子掺量，水灰比0.4～0.5。原材料按重量计，称量的允许偏差，水泥和速凝剂均为±2%，砂和石子均为±3%。1.4外加剂在喷射混凝土技术中的应用就混凝土而言，外加剂主要用与配制高强混凝土、早强混凝土、喷射混凝土、防冻混凝土、大体积混凝土、流态混凝土、膨胀混凝土、防裂密实混凝土、耐腐蚀混凝土，以及各类特种混凝土。1.4.1外加剂的发展20世纪60年代，日本、德国分别研制成功了减水率高达20%的高效减水剂，较简便地配制了80MPa高强混凝土。由于高效减水剂等混凝土外加剂的开发应用，混凝土的性质和功能得到很大的改善和提高，使建筑工程得到了更好的施工质量和更大的使用价值，目前，世界各国都非常重视开展混凝土外加剂的研究和应用，特别是一些工业比较发达的国家把外加剂作为除水泥、砂、石和水之外的第五种必不可少的组分大量应用于混凝土工程。近30年来，我国不仅在混凝土外加剂的研究方面取得了可喜的成果，并在外加剂的应用技术方面也有较大的提高，混凝土外加剂的产量比1986年增加了两倍，使用外加剂的混凝土量也增加了两倍，普通减水剂、高效减水剂、早强减水剂、膨胀剂、速凝剂、早强剂、防冻剂等已广泛用于高层建筑、水利工程、桥梁、道路、港口、井巷、隧道、硐室、深基础等混凝土工程，解决了不少难题，取得了良好的技术经济效益。当前，混凝土正向高性能方向发展。高性能混凝土是一种具有良好施工性能、高强度、体积稳定性好及高耐久性混凝土，是混凝土进入高科技时代的产物。高性能混凝土最重要的特征是其优异的耐久性，耐久性可达到100～500年，是普通混凝土的3～10倍。混凝土要达到高耐久性，首先要降低水灰比和达到高强，也就是说高性能混凝土必须是高强混凝土。混凝土达到高性能的最重要技术途径是使用优质的高效减水剂和矿物外加剂（亦称矿物外掺料）。前者能降低混凝土的水灰比、增大坍落度和控制坍落度损失．赋予混凝土高密实度和优异的施工性；后者能填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化反应，改善混凝土的界面结构，提高混凝土的密实性、强度和耐久性。随着社会的发展，要求采用高强混凝土以减少建筑体积和材料消耗，要求加快施工速度以缩短工期和提高经济效益，对减水型、早强型、速凝型、防冻型、防裂型、防水型等外加剂的需求量将显著增加。也可以说，矿物外加剂的开发应用，使混凝土进入了高性能时代。煤炭系统从50年代初就开始应用混凝土外加剂，但到70年代中期才获得较快的发展、1994年外加剂的用量约5万吨，掺外加剂的水泥量l60万吨或混凝土量400万m3，约占煤炭系统水泥或混凝土年用量的10%左右。混凝土外加剂在煤炭系统主要用于矿井井壁、峒室、巷道等支护工程，用于配制喷射混凝土、早强和高强混凝土、防裂防水混凝土，以及与矿井工程配套的地面结构物防冻混凝土等，均取得较好的效果，用量逐年增加。但从外加剂的应用情况分析，占总工程量的比例较小，应用水平较低，发展很不平衡，与煤炭系统的混凝土工程量和要求不相适应，与建筑、铁道、冶金、水电、交通等部门相比差距较大。1.4.2外加剂的 分类混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质，其掺量一般不大于水泥质量的5%﹙特殊情况除外﹚。按上述定义，混凝土外加剂不包括水泥生产过程中的大量混合材，调凝剂﹙石膏﹚及助磨剂等。混凝土外加剂的品种很多，据不完全统计，目前全世界混凝土外加剂产品多达400余种，我国生产的外加剂约有200多个牌号。按主要功能可分为以下几类。改善新拌混凝土流变性能的外加剂，包括各种减水剂、引气剂、泵送剂等；调节混凝土凝结时间以及硬化功能的外加剂。包括缓凝剂、早强剂、速凝剂等；改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂、阻锈剂等；改善混凝土性能的外加剂，包括引气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、阻锈剂、防水剂、防裂密实剂等。按化学成分可分为以下几类：（1）无机外加剂主要为一些电解质盐类，如CaCl、NaSO等早强剂，另有一些2 4金属粉末，如铝粉、镁粉等加气剂。有机外加剂大都为表面活性物质，还有一些有机化合物盐类。表面活性剂类外加剂又分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种，其中阴离子型表面活性剂是目前应用最多的。复合外加剂通常有无机和有机化合物而成，一般具有多种功能。1.5外加剂的应用用于喷射混凝土的外加剂有速凝剂剂、减水剂、早强剂、膨胀剂、防冻剂等。1.5.1速凝剂在喷射混凝土中的应用 煤炭系统从上世纪60年代中期开始推广锚喷支护技术，并成为各类硐室、巷道、斜井工程的主要支护形式和立井井筒临时支护的主要形式，速凝剂便成为锚喷支护必不可少的外加剂。“十一五”期间，井下硐室、巷道锚喷支护每年应用速凝剂的数量为15万吨左右，并以0.1～0.15万吨的速率逐年递增。使用速凝剂的主要目的是使喷射混凝土速凝快硬，减少回弹损失，防止喷射混凝土因重力作用所引起的脱落，提高它在潮湿或含水岩层中使用的适应性能，以及可适当加大一次喷射厚度和缩短喷射层间的间隔时间。对用于喷射混凝土的速凝剂提出了以下要求：（1）喷射到岩面上的混凝土混合物在2～5min内初凝，5～10min内终凝；（2）碱性小，粉尘小，对人体的腐蚀性小；混凝土早期强度高，与空白混凝土相比的后期强度损失不超过20%；一次喷射的混凝土的厚度大，回弹率小；（5）混凝土硬化过程体积变比小；在低温条件下使用不失效；对钢筋无锈蚀作用。喷射混凝土用的速凝剂同普通混凝土用的速凝剂在成分上有很大不同。普通混凝土常用的氯化钙不能满足喷射混凝土要求的速凝效果，而且在海水或其它硫酸盐物质浸蚀或与预应力钢筋接触的喷射混凝土中根本就不能使用氯化钙。喷射混凝土用的速凝刘一船含有下列可溶盐：碳酸钠、铝酸钠和氢氧化钙。速凝剂一般为粉状。在水泥中掺入速凝剂，遇水泥合后立即水化，速凝剂的反应物NaOH与水泥中的石膏（CaSO）生4成NaSO，使石膏失去缓凝作用：42NaOH十CaSO=NaSO十Ca(OH)（2-1） 4 2 4 2掺速凝剂的喷射混凝土，后期强度往往偏低，与不掺者相比，后期强度损失可达30%。这是因为，掺速凝剂的水泥石中，先期形成了疏松的铝酸盐水化物结构，以后虽有CS和CS水化物填充加2固，但已使硅酸盐颗粒分离，妨碍硅酸盐水化物在单位面积内达到最大附着和凝聚所必须的紧密接触。1.5.2减水剂在喷射混凝土中的应用煤炭系统于1974年首次在潘集一号井冻结段井壁工程个使用MF、NNO等萘系高效减水剂，以改善混凝土的和易性、较大幅度地提高了混凝土的早期强度和后期强度，并逐渐在全国冻结井筒井壁工程中推广应用。随后又在钻井井壁、井塔、选煤厂、煤仓等混凝土工程中推广应用，取得了良好的技术经济效益。在华东、华北、西北等矿区主要应用NF、JP—1、UNF—2等高效减水剂配制高强混凝土和大流动度混凝土，在中南地区主要应用FDN高效减水剂，而在东北地区主要在地面建筑工程中推广应用木质素磺酸钙普通减水剂。近几十年来，试验推广减水组分与早强组分复合而成的早强减水剂，既起减水早强的作用，又起到后期增强的作用。例如J851早强减水剂，对大多数水泥具有较好的塑化和减水作用，早强和增强效果显著，不同龄期的混凝土强度均有较大幅度的提高，特别是一天以内的强度提高幅度大，抗渗、抗冻、耐久等性能也有不同程度的提高，既适用于地面建筑工程，也适用于矿井井筒、硐室、巷道支护，特别适用于冻结井筒混凝土井壁和液压滑模筑壁工程，使用效果良好，颇受用户欢迎。淮南孔集煤矿把红星一型速凝剂和NF高效减水剂共同使用，提高了28天强度，并且明显减少了粉尘，取得了良好的效果。1.5.3膨胀剂在喷射混凝土中的应用（1）锚固水泥药卷煤炭系统从l965年开始应用喷射混凝土技术，为矿山井巷支护开创了新的途径，几年后，推广锚杆与喷射混凝土相结合的支护技术（简称锚喷支护）。锚杆的主要型式有树脂锚杆、管缝式锚杆、水涨式锚杆、倒楔式锚杆、钢丝绳砂浆锚杆等，各类锚杆的成本比例系数依次为1.4、l.57、1.56、1.15、1.0其锚固力以树脂锚杆为最大，其他锚杆的锚固力依次减小。此外，由于管缝式锚杆和水涨式锚杆施工工艺较为复杂，树脂锚杆存在着成本高、易燃、易老化失效和有一定毒性等问题，所以倒楔式锚杆得到广泛的应用。上世纪80年代初，开始推广应用药卷式水泥锚杆，该锚杆是—种不燃、无毒、低成本的新型锚杆，已在全国各矿区锚喷支护中推广，很有发展前途。目前重点推广的药卷式水泥锚杆为煤炭科学研究总院北京建井所研制的JC—Z—1型药卷式水泥锚杆、中国矿业大学爆破研究所研制的快硬膨胀水泥药卷锚杆、西安矿业学院采矿系研制的快硬水泥药卷锚杆、淮南矿业学院研制的MS—3型水泥锚固剂锚杆等。为了提高水泥锚杆的锚固力，在上述水泥药卷中台有适量的膨胀组分，使水泥药卷与水发生作用时产生一定的体积膨胀，使锚杆锚固围岩。（2）JQ防裂密实剂。JQ防裂密实剂是一种多功能复合膨胀剂，1994年由煤炭科学研究总院北京建井所和中国建材科学研究院房建所共同研制成功的，近年来已在六个井筒冻结段内层井壁、四个井筒基岩段井壁以及中间转水站、箕斗装载硐室、清理撒煤硐室、井底车场、消防材料库等硐室工程中推广应用，有效地克服了混凝土的收缩裂缝．封水效果好，工艺简单，成本较低，受到用户和相关部门的好评。1.5.5硅灰在喷射混凝土中的应用硅灰是以无定形SiO，为主要成分的超细颗粒组成，活性大，2主要用于配制高强混凝土。硅灰首次用于济宁二矿风井冻结砂岩段的内层井壁工程，配制C50混凝土，取得较好的效果。据有关资料介绍，1kg硅灰相当于3kg525号普通硅酸盐水泥的作用，混凝土内掺入硅灰可以起到早强和增强的作用，这是由于硅灰中的大量氧化硅与水泥水化产生的氢氧化钙发生“二次水化反应”，形成类似水泥的水化物——水化硅酸钙胶凝，促进混凝土强度的增长。由于硅灰颗粒细、吸水率高，因此硅灰需要配合减水剂使用。硅灰与减水剂配合使用，既可满足混凝土施工工艺的需要，又可起到增强的作用。近年来，硅灰主要与高效减水剂共同使用配制高强混凝土，或与超细矿渣、高效减水剂共同使用配制高强、高性能混凝土。在喷射混凝土中掺加硅粉(浆体或干粉)，不仅可以替代部分水泥，提高喷射混凝土的强度和粘着能力，改进喷射混凝土的密实度，而且可大大降低粉尘，将干喷法的回弹减小到湿喷法的水平，具有重要的实用价值。就国内外研究情况来看，目前常用的矿物掺合料有优质粉煤灰、超细矿渣、硅灰等。其中粉煤灰与矿渣原料易得，价格便宜，但其配制的混凝土早期强度低，应用受到限制。硅灰作为矿物掺和料已成为高性能混凝土不可缺少的增强材料，但硅灰只是生产硅铁合金和金属硅的副产品，资源有限，产量低，价格高，同时，硅灰的使用容易引发矽肺病。MK-1高效增强剂是具有和硅灰相似火山灰活性的矿物掺合料，但是，它和硅灰相比，具有缩短初凝时间，降低回弹率、对人体无害等特点，所以，它是取代硅灰的新型高活性矿物外加剂。第二章高强度喷射混凝土配方研究高强度喷射混凝土的配方研究在河南理工大学材料科学与工程学院的混凝土材料实验室进行。由于鹤壁和焦作都属于石灰岩地区，石子都为石灰岩人工碎石，砂的性能也比较接近，水泥都符合国家标准，所以，实验室研究配方时，所用原料（水泥、砂、石子等）都是就地取材，用焦作当地的混凝土材料进行高性能喷射混凝土配方试验，其试验设计和方法应该是可行的。2.1高强度喷射混凝土的初步试验2.1.1试验原料 （1）矿物外加剂：焦作市煜坤矿业有限公司生产的MK-1高效增强剂，化学成分和工艺物理性能见表2-1和表2-2。表2-1MK-1高效增强剂的化学成分成分成分SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OLOSS.含量54.0144.430.890.610.210.230.220.060.72表2-2MK-1高效增强剂品的理化性能颜色颜色白度细度活性指数吸碱量（mg/g）粒度分布网筛目数白色≥70-10μm≥901250目110312注释：①活性指数：按国家标准“高强高性能混凝土用矿物外加剂(GB/T18736-2002)”规定测试和计算。②吸碱量：在一定条件下，每克MK-1高效增强剂样品对NaOH的吸收量，该方法测试的数据与国标中规定的活性指数的相关度达到了95%以上。水泥：焦作市千业水泥厂的普通硅酸盐水泥32.5；标准稠度用水量(%)为27.0；初凝2h35min,终凝4h10min；细度为3.0%；抗折强度(Mpa):3天为5.3，28天为8.5；抗压强度(Mpa):3天为21.8，28天为40.4；(焦作市中吴工程检测有限责任公司水泥检验报告，该批普通硅酸盐水泥所检项目按GB175-1999标准检验合格)。砂子：种类为机制砂，细度摸数为3.0；泥块含量(%):0.0；坚固性(压碎指标%):15；(焦作市中吴工程检测有限公司普通砂检验报告，该批机制砂所检项目按GB/T14684-2001标准检验符合中砂Ⅱ类要求)。石子：种类为碎石，泥块含量:0.1；含泥量:0.2；最大粒径:10mm。(焦作市中吴工程检测有限责任公司碎(卵)石检验报告，该批碎石所检项目按GB/T14685-2001标准检验符合5-10mm，Ⅱ类要求)。速凝剂：倡德牌速凝剂，为河北省武安市北环路白鹤观街的中煤第十工程处速凝剂厂生产。水：焦作市自来水2.1.2试验条件试验方法：试验方法按照普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081—2002)进行。试验地点：河南理工大学混凝土实验室。养护条件：标准条件养护。试验配比及结果：见表2-3、表2-4和表2-5。表2-3初步试验Ⅰ的原料配比（表中数据为每立方米混凝土材料用量）序号序号水泥（kg）砂子（kg）石子（kg）坍落度mm水（kg)速凝剂(%)MK系列外加剂水胶比编号用量（kg）1-1440880880302604.00//0.591-2396880880302654.44MK-1/10%440.601-3374880880302694.71MK-1/15%660.611-4352880880302975.00MK-2/20%880.681-5330880880302975.33MK-3110/25%0.68表2-4开题试验Ⅰ的测试结果 3d强度3d强度 10d强度 10d强度 28d强度 28d强度序号 （Mpa）提高率(%)（Mpa）提高率(%) （Mpa）提高率(%) 1-1 15.3 / 24.7 / 31.2 / 1-2 14.6 -5 29.7 21% 37.2 19.2 1-3 12.9 -16 32.7 33% 43.7 40.1 1-4 10.7 -30 25.2 2% 31.9 2.2 1-5 9.0 -42 21.8 -12% 29.5 -5.5表2-5初步试验Ⅱ的原料配比和结果（表中数据为每立方米混凝土材料用量）序序号其它外加剂坍落度mm8h强度1d强度1d强度提高率（%）7d强度7d提高率（%）28d强度d28提高率（%）编号用量（%）2-1//300.59.1/27.8/35.5/2-2MK-1-46300.58.6-5.531.413.040.714.72-3MK-1-48300.57.8-14.330.810.848.035.22-4MK-1-610300.58.5-6.633.018.749.940.6注:水泥、砂子、石子和速凝剂用量，坍落度相同，分别为440kg/m，880kg/m，880kg/m， 3 3 317.6kg/m，30mm。MK-1-4、MK-1-5、MK-1-6为MK-1中添加不同比例的减水剂。32.1.3试验结果分析从表2-3、表2-4和表2-5可以看出如下规律：①随着MK-1代替水泥的量增加，混凝土的早期强度（1天和3天）都有所下降；②7d强度和10开始出开始升高，并且都大于基准样；③28d强度随MK-1用量的增加而升高，代替15%水泥时，抗压强度提高了40.1%；④把MK-1矿物外加剂和活性矿碴配合使用，对混凝土强度发展不利。经过以上分析可知，MK-1矿物外加剂的使用可以大幅度提高喷射混凝土的抗压强度，但是，简单添加MK-1矿物外加剂对喷射混凝土的早期强度有一定影响，在今后的研究中应引起注意。2.2．MK-1高效增强剂最佳用量的确定2.2.1试验原料 矿物外加剂：焦作市煜坤矿业有限公司生产的MK-1高效增强剂，性能同上。水泥：河南孟电集团水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥P.O32.5R。（3）速凝剂：倡德牌速凝剂，河北武安市中煤第十工程处速凝剂厂。（4）砂子：种类为机制砂，细度摸数为3.0；泥块含量(%):0.0；坚固性(压碎指标%):15；(焦作市中吴工程检测有限公司普通砂检验报告，该批机制砂所检项目按GB/T14684-2001标准检验符合中砂Ⅱ类要求)。石子：种类为碎石，泥块含量:0.1；含泥量:0.2；最大粒径:10mm。(焦作市中吴工程检测有限责任公司碎(卵)石检验报告，该批碎石所检项目按GB/T14685-2001标准检验符合5-10mm，Ⅱ类要求)。水：焦作市自来水2.2.2试验方法试验方法：参照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准，选用100mm×100mm×100mm试件；试验地点：河南理工大学材料实验室养护条件：气温15°C～25°C，用湿布覆盖试样，养护期间保持潮湿。试验配比及结果：见表2-6。表2-6MK-1高效增强剂掺量对喷射混凝土强度的影响序号序号水泥(kg)MK-1kg()坍落度)mm(3天强度()Mpa提高（%）7天强度(Mpa)提高（%）28天强度(Mpa)提高（%）B-1B-15.6006518.0／26.9／34.2／B-25.320.288015.1﹣16.123.6﹣12.337.710.2B-35.040.5610014.1﹣21.722.1﹣17.839.314.9B-44.760.8412013.3﹣26.122.3﹣17.142.724.9B-54.481.12/13.0﹣27.822.1﹣17.838.211.7B-64.201.40/12.5﹣30.624.0﹣10.845.934.2(注:砂子、石子和速凝剂、水用量相同，为别为11.2kg，11.2kg，224g，3.36kg。)2.2.3试验结果分析从表2-6可以看出，在MK-1掺量为标准样水泥用量的5%，10%，15%，20%，25%时，混凝土的3天抗压强度都低于基准样，且随着MK-1的增加依次降低；7天强度与基准样的抗压强度差值缩小，但仍低于基准样；28天强度都高于基准样，且随着MK-1的增加抗压强度提高（20%是个奇异点，出现了降低）。暂时把15%看作MK-1矿物外加剂的最佳参量。上述规律表明，在上述试验条件下，MK-1矿物外加剂的加入，对试件的早期强度产生了不利影响。分析原因，可以认为是低温所致：从4月7号到4月12的6天里，一直是阴天多雨天气，气温最高18°C，是低温对早期强度产生不利影响。2.3水泥标号对MK-1用量的影响水泥标号越高，水泥熟料含量越高，混合材用量约少。依据上述事实，结合MK-1矿物外加剂的增强机理，我们有理由推测“高标号水泥需要的MK-1矿物外加剂用量高于低标号水泥”。为了证实这一推论，并确定水泥标号与MK-1矿物外加剂用量的具体数据，特设计该试验。2.3.1试验原料 矿物外加剂：焦作市煜坤矿业有限公司生产的MK-1高效增强剂，性能同上。水泥：河南孟电集团水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥P.O32.5R。速凝剂：倡德牌速凝剂，河北武安市中煤第十工程处速凝剂厂。砂子：种类为机制砂，细度摸数为3.0；泥块含量(%):0.0；坚固性(压碎指标%):15；(焦作市中吴工程检测有限公司普通砂检验报告，该批机制砂所检项目按GB/T14684-2001标准检验符合中砂Ⅱ类要求)。石子：种类为碎石，泥块含量:0.1；含泥量:0.2；最大粒径:10mm。(焦作市中吴工程检测有限责任公司碎(卵)石检验报告，该批碎石所检项目按GB/T14685-2001标准检验符合5-10mm，Ⅱ类要求)。水：焦作市自来水2.3.2试验方法试验方法：参照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准，选用100mm×100mm×100mm试件；试验地点：河南理工大学材料实验室养护条件：气温18°C～33°C，用湿布覆盖试样，养护期间保持潮湿。试验配比及结果：见表2-7和表2-8。表2-732.5水泥与MK-1最佳用量的试验（配制C30混凝土时参考）序号序号水泥kg)(MK-1g)(3天抗压强度)Mpa(提高（%）7天抗压强度()Mpa提高（%）28天抗压强度Mpa()提高（%）E-15.00012.1／16.7／28.1／E-24.7525013.18.320.824.633.117.8E-34.5050013.07.427.363.539.440.2E-44.2575013.07.428.369.539.942.0E-54.00100013.39.929.979.042.149.8E-63.75125013.410.729.375.438.938.4注:砂子、石子和速凝剂、水用量相同，分别为10kg，10kg，200g，3kg。表2-842.5水泥与MK-1最佳用量的试验（配制C40混凝土时参考）序序号水泥()kgMK-1)kg(坍落度(mm)3天抗压强度(Mpa)提高（%）7天抗压强度(Mpa)提高（%）28天抗压强度(Mpa)提高（%）H-15.0002516.6／27.5／38.2／H-24.750.252017.44.632.116.746.120.7H-34.500.502017.44.634.726.251.434.6H-44.250.751517.44.638.640.452.036.1H-54.001.001516.81.239.142.252.938.5H-63.751.252017.13.040.346.553.239.3注:砂子、石子和速凝剂、水用量相同，为别为10kg，10kg，200g，3kg。2.3.3试验结果分析从表2-7和表2-8可以看出，如下规律：①无论是使用32.5水泥还是42.5水泥，混凝土的3天和7天强度都比基准样提高了，但是，3天强度较基准样提高不大，7天强度较基准样有大幅度提高。②使用32.5水泥时，混凝土的28天强度达到了42.1Mpa，提高了49.8%，使用42.5水泥时，混凝土的28天强度达到了53.2，提高了39.3%。③在使用32.5水泥时，MK-1掺量增加到20%时达到最高值；在使用42.5水泥时，MK-1掺量增加到25%时达到最高值。说明水泥标号越高，MK-1矿物外加剂的最大参量越高。④从混凝土强度增加的趋势分析，无论使用32.5水泥还是42.5水泥，MK-1矿物外加剂的最佳加入量都应该是10～15%。2.4新配方中速凝剂用量的确定2.4.1试验原料 1．MK-1高效增强剂：焦作市煜坤矿业有限公司生产，性能同上。2．水泥:焦作市千业水泥厂的普通硅酸盐水泥32.5。3．速凝剂:倡德牌速凝剂，河北省武安市中煤第十工程处速凝剂厂。2.4.2试验方法和条件 试验方法：参照国标《喷射混凝土速凝剂》的标准。试验时间：5月18日，19日。试验地点：河南理工大学材料实验室试验温度：气温15°C～29°C。试验结果：见表2-9和表2-10。表2-9MK-1矿物外加剂对水泥净浆凝结时间的影响注释：①水、速凝剂、水胶比分别为160g，16g，0.4；②速凝剂掺量为胶凝材料的4%。表2-1015%MK-1时，速凝剂用量和水泥净浆凝结时间的关系序水泥MK-1 速凝剂 初凝 平均值 终凝 平均值号（g）（g）（g/%）（h:min:s）（h:min:s）（h:min:s）（h:min:s）1-1400 0 16/4 01:02:30 01:05:13 04:06:18 04:10:411-21-201:07:5604:15400:46:5300:48:4603:26:3003:27:242-200:50:4003:28:193-13406012/300:26:0500:24:0403:54:4803:53:433-200:22:0303:52:394-1340608/200:42:3900:45:5904:37:3004:37:024-200:49:1904:36:345-1340604/101:35:4001:40:2505:17:1805:15:495-201:45:1005:14:20注：水160g，水胶比为0.4。2.4.3试验小结①从表2-9可以看出，MK-1矿物外加剂能够明显地缩短水泥净浆的初凝和终凝时间，MK-1用量从5%～20%，初凝和终凝时间变化不大；②从表2-10可以看出，当按15%添加MK-1矿物外加剂时（最佳添加量），可以将速凝剂的用量从原先的4%降低到2%（减少一倍）——此时，终凝时间略有延长，而初凝时间仍然有大幅度地减少，仍然具有明显降低混凝土喷射回弹的作用。2.5减少速凝剂、提高混凝土强度的试验2.5.1试验原料 MK-1高效增强剂：焦作市煜坤矿业有限公司生产，性能同上。水泥:普通硅酸盐水泥P.O32.5和P.O42.5水泥，为焦作市岩鑫水泥有限公司生产的瑞基水泥。速凝剂:倡德牌速凝剂，河北省武安市中煤第十工程处速凝剂厂。砂子:种类为机制砂，细度摸数为3.0；泥块含量(%):0.0；坚固性(压碎指标%):15；(焦作市中吴工程检测有限公司普通砂检验报告，该批机制砂所检项目按GB/T14684-2001标准检验符合中砂Ⅱ类要求)。石子:种类为碎石，泥块含量:0.1；含泥量:0.2；最大粒径:10mm。(焦作市中吴工程检测有限责任公司碎(卵)石检验报告，该批碎石所检项目按GB/T14685-2001标准检验符合5-10mm，Ⅱ类要求)。水:焦作市自来水2.5.2试验方法试验方法：参照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准，选用100mm×100mm×100mm试件；试验地点：河南理工大学材料实验室养护条件：气温18°C～33°C，用湿布覆盖试样，养护期间保持潮湿。试验配比及结果：见表2-11和表2-12。表2-11减少速凝剂对C30喷射混凝土强度的贡献序水泥MK-1速凝3天抗压提高7天抗压提高28天抗压提高号(kg)(g)剂(g)强度(Mpa)（%）强度(Mpa)（%）强度(Mpa)（%）F-1F-15020012.1／16.7／28.1／F-24.2575020013.07.428.369.539.942.0F-34.2575010013.18.328.872.542.952.7(注:砂子、石子、水用量和坍落度相同为别为10kg，10kg，3kg，20mm)表2-12减少速凝剂对C40喷射混凝土强度的贡献序序号水泥(kg)MK-1(g)速凝剂(g)3天抗压强度(Mpa)提高（%）7天抗压强度)(Mpa提高（%）28天抗压强度(Mpa)提高（%）I-15020016.6／27.5／38.2／I-24.2575020017.44.838.640.452.036.1I-34.2575010016.6040.547.354.041.4(注:砂子、石子、水用量相同为别为10kg，10kg，3kg)2.5.3试验结果分析从表2-11和表2-12可以看出，减少速凝剂用量，不影响喷射混凝土的早期强度，并且能够明显提高混凝土的28天强度，减少速凝剂用量对提高28天强度的具体情况如下：①在利用32.5R水泥和15%MK-1矿物外加剂配制C30喷射混凝土时，将速凝剂从原来的4%降到2%（减少一倍），可以使混凝土的28天强度由39.9Mpa提高到42.9Mpa，提高3Mpa，使28天强度对基础样（不加MK-1，不减少速凝剂用量）的提高率由42%提高到52.7%，贡献10.7个百分点。②在利用42.5R水泥和15%MK-1矿物外加剂配制C40喷射混凝土时，将速凝剂从原来的4%降到2%（减少一倍），可以使混凝土的28天强度由52Mpa提高到54Mpa，提高2Mpa，使28天强度对基础样（不加MK-1，不减少速凝剂用量）的提高率由36.1%提高到41.2%，贡献5.1个百分点。③利用32.5R的普通硅酸盐水泥可以配制C30喷射混凝土，利用42.5R的普通硅酸盐水泥可以配制C40喷射混凝土。

第三章高韧性喷射混凝土试验研究众多学者都研究纤维材料对喷射混凝土抗折强度的影响，所以，我们在开发了抗压强度很高的喷射混凝土以后，把高强度喷射混凝土制备技术和纤维材料添加剂相结合，力图制备出高标号、高韧性的喷射混凝土，并将其用于煤矿大压力巷道的支护中去，以提高支护体的抗变形能力。3.1增韧材料遴选试验增韧材料遴选试验设计和试验结果见表3-1，统计结果见表3-2。表3-1增韧材料遴选试验设计和试验结果注释：A号样外，均添加了水泥量10%的增强剂。表3-1增韧材料遴选试验测试的统计结果样样号样品性质7天强度28天强度抗压提高率（%）抗折提高率（%）抗压强度提高率（%）抗折强度提高率（%）0普通喷射混凝土24.9/5.8/36.0/7.5/1玻纤纤维24.5-1.66.03.446.128.18.4122聚丙烯纤维22.7-8.86.38.644.122.58.817.33钢纤维23.4-6.07.529.341.715.810.033.34云母124.7-0.85.80.040.111.48.7165云母224.5-1.65.4-6.943.320.39.222.76云母325.10.85.5-5.240.813.39.121.3试验小结：1．玻璃纤维、聚丙烯纤维、钢纤维和云母粉都能明显提高喷射混凝土的抗折强度。2．钢纤维和云母的加入对抗压强度降低比较多，玻璃纤维和聚丙烯纤维对喷射混凝土抗折强度降低比较小。考虑喷射混凝土往往和锚网共同使用，由于金属网在一定程度上起到了支护体韧性（抗折）的效果，选择玻璃纤维和聚丙烯纤维为高韧性喷射混凝土的韧性添加剂做进一步的试验研究。3.2纤维规格对混凝土强度的试验研究纤维材料规格对喷射混凝土性能的影响的试验设计和试验结果见表3-3～表2-7。表3-3纤维规格对混凝土抗折强度影响的试验设计样号水泥砂子碎石增强剂水 纤维 备注1 3.6kg8kg 8kg 0.4kg2kg 3-4cm玻璃纤维10.5g减水剂40克速凝剂160克干混滚动搅拌3.6kg8kg 8kg 0.4kg2kg1.5-2cm玻璃纤维10.5g3.6kg8kg 8kg 0.4kg2kg1.6-2cm聚丙烯纤维7g3.6kg8kg 8kg 0.4kg2kg0.8-1cm聚丙烯纤维7g表3-4混凝土试样的1天抗折强度试验测试结果样号样号1天抗折破坏强度（Mpa）备注实测（Mpa）平均强度（Mpa）14.755.354.354.8224.324.213.864.1334.904.504.654.6844.104.204.004.10表3-5混凝土试样的7天抗折强度试验测试结果样号样号7天抗折破坏强度（Mpa）备注实测（Mpa）平均强度（Mpa）17.857.358.607.9326.908.357.907.7237.757.307.957.6747.206.107.707.00表3-6混凝土试样的28天抗折强度试验测试结果样号样号28天抗折破坏强度（Mpa）备注实测（Mpa）平均强度（Mpa）17.257.808.457.8329.258.458.408.7037.907.558.057.8346.757.408.807.65表3-7混凝土试样的60天抗折强度试验测试结果样号样号28天抗折破坏强度（Mpa）备注实测（Mpa）平均强度（Mpa）110.4511.6010.5510.87210.0510.1510.5510.25311.4511.5011.2511.40410.8011.259.9010.65试验小结：玻璃纤维和聚丙烯纤维对喷射混凝土的抗折强度提高率相差不大，普遍规律是长纤维好于短纤维。3.3纤维掺入方式对混凝土强度影响的研究纤维材料的加入方式影响它们在喷射混凝土中的均匀分布状态，从而影响喷射混凝土的抗压强度和抗折强度，因此，我们把纤维材料的添加方式作为该项研究的一个主要内容。其试验设计和试验结果见表3-8～表3-16。表3-8不同纤维掺入方式对混凝土强度影响的研究试验设计样号水泥砂子碎石 纤维掺入 搅拌方式增强剂 备注7.2kg16kg16kg 玻璃纤维干混 水平搅拌0.8kg 水4千克减水剂80克7.2kg16kg16kg 玻璃纤维干混 滚动搅拌0.8kg速凝剂320克7.2kg16kg16kg玻璃纤维分散入水滚动搅拌0.8kg玻璃纤维21g47.2kg16kg16kg 聚丙烯纤维干混水平搅拌0.8kg（1.2kg/m3）聚丙烯纤维7.2kg16kg16kg 聚丙烯纤维干混滚动搅拌0.8kg14g（0.8kg/m3）7.2kg16kg16kg聚丙烯纤维分散入水滚动搅拌0.8kg注释：第4到6组沙石含水较多，所加水减少0.55kg表3-9混凝土试样的1天抗压强度试验测试结果 1天破坏压力（KN） 抗压强度（Mpa）样号 备注实测 平均 强度 平均值184.41187.00171.61181.01 18.10 206.08226.25231.84221.39 22.12 19.7 184.95198.91184.71189.52 18.95 211.07237.59222.54223.73 22.37 180.38184.59169.83178.23 17.83 19.3 170.70168.00189.50176.07 17.61 表3-10混凝土试样的1天抗折强度试验测试结果样号样号1天抗折破坏强度（Mpa）备注实测单样平均分组平均14.304.004.104.134.524.755.354.354.8234.704.354.754.6045.455.404.985.284.854.904.504.654.6864.554.504.504.52表3-11混凝土试样的7天抗压强度试验测试结果样号样号7天破坏压力（KN）抗压强度（Mpa）备注实测平均强度分组平均1418.57394.50447.02420.0342.0043.02434.08438.31393.51421.9742.203446.22459.39434.53446.7144.674414.94464.47469.40449.6044.9641.15345.17362.35375.62361.0536.106414.61418.09434.97422.5642.26表3-12混凝土试样的7天抗折强度试验测试结果样号样号7天抗折破坏强度（Mpa）备注实测单样平均分组平均16.054.507.355.9727.857.358.607.9337.007.608.207.6047.507.758.758.0057.757.307.957.6765.357.154.505.67表3-13混凝土试样的28天抗压强度试验测试结果样号样号28天破坏压力（KN）抗压强度（Mpa）备注实测平均单样平均分组平均1488.42414.26467.20456.6345.6646.72503.42470.56454.60476.1947.623529.75431.09444.75468.5346.854484.30398.21454.46445.6644.5742.85346.78448.51451.50415.6041.566406.64419.24444.11423.3342.33表3-14混凝土试样的28天抗折强度试验测试结果样号样号28天抗折破坏强度（Mpa）备注实测（Mpa）单样平均分组平均18.303.652.38.38.5后两块气泡多、大27.257.808.457.8339.0010.109.159.4249.259.059.059.128.557.907.558.057.8368.551.055.18.55后两块断裂远离中心表3-15混凝土试样的60天抗压强度试验测试结果样号样号60天破坏压力（KN）抗压强度（Mpa）备注实测平均强度平均值1503.36412.21504.84473.4747.3550.52517.57539.75525.54527.6252.763438.71537.43568.38514.8451.484534.27619.34562.93572.1857.2253.15524.91403.37496.82475.0347.506501.82548.32582.76544.3054.43表3-16混凝土试样的60天抗折强度试验测试结果样号样号60天抗折破坏强度（Mpa）备注实测强度平均值110.9010.2010.4510.5211.2210.4511.6010.5510.87311.2011.4511.1011.254>11.7011.1511.30>11.3811.3超过最大刻度511.4511.5011.2511.40611.0011.45/11.23丢失一块本章小结：1．水平搅拌和翻转搅拌对喷射混凝土强度影响不大，可以依据现场具体条件自由选择。2．玻璃纤维和聚丙烯纤维样品的抗压强度和抗压强度差别均较小。考虑玻璃纤维比较长，搅拌困难，并且脆性大，搅拌时易断裂等因素，选择聚丙烯纤维做高韧性喷射混凝土的增韧材料，添加量为水泥用量的2%左右。添加MK系列增强剂和聚丙烯纤维的喷射混凝土与原来的普通喷射混凝土相比较，抗压强度提高30～60%，标号可以达到C30、C40或C50，抗折强度提高20%左右（韧性明显提高），喷射回弹率降低10%，密实性和耐久性明显提高的喷射混凝土叫做高性能喷射混凝土。

第四章高性能喷射混凝土的SEM图像分析4.1．试验设备与试验条件扫描电子显微镜分析采用日本电子株式会社在2006年1月推出的新型设备，设备型号为：JSM—6390LV。试验技术参数为：①高真空模式：3.0nm低真空模式：4.0nm；②低真空度1to270Pa，高、低真空切换；③样品台X：80mm，Y：40mm，T：-10°～+90°，R：360°；④加速电压0.5KV～30KV束流1pA～1uA；⑤真空系统马达驱动台能谱分析接口。4.2．MK高效增强剂在喷射混凝土中的作用H-1H-2H-3H-4H-5H-6图4-142.5水泥与MK-1最佳用量试验28天SEM图像图4-1中H-2、H-3、H-4、H-5、H-6所对应得MK-1掺量分别为胶凝材料的5%、10%、15%、20%、25%其中H-1为基准样。本组试验用扫描电镜观测28d龄期的微观结构。从图中可以看出，基准样H-1中有大量的网络状的Ⅱ型C-S-H、不规则板状的单硫型水化硫铝酸钙、少量Ⅲ型C-S-H和部分薄板状Ca(OH)生成及极少量针状钙矾石。2其它试样与H-1相比，掺加MK-1的试样水化产物增多，且随着MK-1掺量的增加，水化物间的空隙和孔隙变小，水化产物之间结合的也更紧密。网络状的Ⅱ型C-S-H尺寸变小且逐渐减少，Ⅲ型C-S-H增多，在H-2往后的试样中基本没有Ca(OH)的存在。在H-6样中出2现的大量片状矿物是没有参与反应完全的MK-1高效增强剂。从上述分析可以看出，添加MK-1高效增强剂可以改善混凝土的空隙结构和水泥石矿物的含量与分布，从而影响混凝土的众多性能和强度。掺量5%～20%都能有效地改善喷射混凝土结构，促使水泥石矿物的生成，最大添加量不应超过25%。4.3．速凝剂对喷射混凝土微观结构的影响G-2G-3图4-2减少速凝剂用量28天SEM图像图4-2中G-2、G-3中MK-1的掺量为胶凝材料的15%，其中G-2中速凝剂掺量为胶凝材料的4%，G-3中为2%。从G-2中我们可以看到水化产物中除了大量的网络状的Ⅱ型C-S-H外还有大量六角板状的单硫型水化硫铝酸钙、层状的紧密堆积物，而G-3中水化物间的空隙变小，六角板状的单硫型水化硫铝酸钙数量减少，在骨料界面区能看到大量的针状钙矾石存在，这就是减少速凝剂用量，可以提高强度的原因。第五章高性能喷射混凝土的作用机理5.1增强机理5.1.1改变混凝土矿物组成的增强机理 普通硅酸盐水泥是制备混凝土的主要材料，它的主要矿物成分是硅酸三钙（3CaO·SiO，简写成CS）、硅酸二钙（2CaO·SiO，简 2 3 2写成CS）、铝酸三钙（3CaO·AlO，简写成CA）和铁铝三钙 2 23 3（2CaO·FeO-8CaO·3AlO·FeO，简写成CF-CAF）,其中前三个 23 23 23 2 83成分是主要的，他们的水化反应如下：2(3CaO·SiO)+6HO=3CaO·2SiO·3HO+Ca(OH) 2 2 2 2 22(2CaO·SiO)+4HO=3CaO·2SiO·3HO+Ca(OH) 2 2 2 2 23CaO·AlO+6HO=AlO·3HO+3Ca(OH) 23 2 23 2 2由上述化学反应方程式可以看出，普通混凝土在水泥水化以后，要多出一部分Ca(OH)，所以，水泥水化产物可以看作是水泥石（水2化硅酸钙和水化铝酸钙）和熟石灰的混合物。高性能喷射混凝土中添加的MK-1高效增强剂的主要成分是具有很高火山灰活性的AlO和SiO，它们再和Ca(OH)反应，生成23 2 2水化硅酸钙和水化铝酸钙，反应方程式如下：AlO+nCaO+mHO→nCaO﹒AlO﹒mHO（水化铝酸钙） 23 2 23 2xCaO+SiO+yHO→xCaO﹒SiO﹒yHO+(3-x)Ca(OH)(水化 2 2 2 2 2硅酸钙)也就是说，MK-1高效增强剂可以是普通混凝土中的Ca(OH)2转变成化硅酸钙和水化铝酸钙等水泥石矿物，从而提高混凝土的强度。 5.1.2改善混凝土结构的增强机理 在普通混凝土中，特别是在以石灰石为骨料的地区（华北地区多如此），由于石灰石的成分是碳酸钙，它和Ca(OH)有比较大的表2面亲和力，所以，Ca(OH)主要赋存在骨料周围，在混凝土中形成一2个力学薄弱界面，影响混凝土的强度。在高性能混凝土中的MK-1增强剂消耗了大量的Ca(OH)，骨料2周围的力学薄弱界面减少或消失，从而提高混凝土的强度。5.1.3中和速凝剂碱性的增强机理速凝剂的碱性很强，严重影响喷射混凝土的后期强度。而MK-1高效增强剂中含有43%左右的活性AlO，由于AlO是两性氧化物， 23 23在混凝土中中和了速凝剂的碱性，减少了速凝剂对喷射混凝土后期强度的影响，提高了喷射混凝土强度。5.2提高喷射混凝土耐久性的机理Ca(OH)是一种强碱，当普通混凝土吸收空气中的水分以后，碱2性的溶液促使Ca(OH)和石子、砂进行化学反应（通常称为碱骨料2反应），生成新的矿物相，新矿物相体积的变化产生内应力，使混凝土产生裂纹，影响混凝土的耐久性。当给混凝土中添加MK-1高效增强剂以后，Ca(OH)减少或消2失，碱骨料反应减弱或消失，从而可以大大地提高混凝土的耐久性，减少巷道的维护费用。这一点才是该项技术所产生的最主要的经济效益。5.3速凝机理常用速凝剂的主要成分是偏铝酸钠（NaAlO），并且经常处于 2 2碱过量状态（有部分游离的氢氧化钠），而MK-1或MK-2高效增强剂含有40～45%的高活性AlO，所以，它可以和速凝中过剩的氢氧23化钠（NaOH）发生化学反应，生成偏铝酸钠，所以，MK系列高效增强剂具有一定的速凝剂效应。实验表明，添加MK-1高效增强剂以后，速凝剂的用量可以由原来的4%降低到2%左右。5.4降低喷射回弹率的机理普通混凝土由石子、砂和水泥组成，水泥净浆填充砂的空隙，砂浆又填充石子的空隙，这样的填充结果似乎很科学，但是，水泥的细度是250目，颗粒直径为80μm，粘结性也很有限，而MK-1的粒径是10μm，结构为片状，粘结性和结合性非常高，所以，它可以把喷射混凝土中的各种组分结合成一个整体，使得喷射回弹率明显降低。5.5提高喷射混凝土密实性的机理普通喷射混凝土由石子、砂和水泥组成，从结构上分析，石子的空隙由砂充填，砂的空隙由水泥净浆填充，但是，水泥的细度是250目左右，颗粒直径为80μm，它的空隙相对于水分子而言仍然是很大的，是水渗透的良好通道；在高性能喷射混凝土中添加了10%的MK-1高效增强剂，其粒径是10μm，对水泥颗粒形成的空隙进一步充填，从而提高了密实性，减弱了水的渗透作用。此外，在普通喷射混凝土中约含有水泥重量20%的Ca(OH)，2它溶于水后形成渗水通道，特别是在以石灰石为骨料的地区（如华北地区），由于石灰石的成分是碳酸钙，它和Ca(OH)有比较大的表2面亲和力，Ca(OH)主要赋存在骨料周围，形成一个可溶性薄层，当2Ca(OH)被溶蚀以后，形成一个渗水能力及强的渗水通道，严重影响2喷射混凝土的密实性。高性能喷射混凝土中的MK-1高效增强剂消耗了Ca(OH)，也就起到了增加密实性，减少水的渗漏的作用。25.6提高喷射混凝土韧性的机理各种纤维材料加入水泥基体中，理论上主要有以下三种作用:①提高基体的抗拉强度;②阻止基体中原有缺陷(微裂缝)的扩展并延缓新裂缝的出现:③提高基体的变形能力并从而改善其韧性与抗冲击性。均匀而任意分布的短纤维对水泥基材料的作用机理，存在两种解释模型:纤维间距机理和复合材料机理[7,8]。日本学者小林一辅认为，纤维间距机理比较符合实际情况。(1)纤维间距机理美国Romualdi提出的“纤维间距机理”(又称纤维阻裂机理)，根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。认为在水泥基材料内部原来就存在缺陷，欲提高其强度，必须尽可能地减少缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。理论分析与实验表明，当纤维的平均中心间距小于7.6mm时，纤维改性水泥基材料的抗拉或抗弯初裂强度均得以提高。根据Griffith的脆性破坏理论，水泥基材料内部有许多裂纹和空隙等缺陷，当外力作用于这种材料时，就在缺陷的部位产生较大的集中应力，于是裂纹就从这些部位开始发展，最后导致整个水泥基材料的破坏。Romualdi进一步说明了掺加钢纤维后强度增加的理由:假如裂纹出现在几根纤维之间，那么因为拉伸应力的作用而产生的粘结应力出现在裂纹端部的纤维附近，其分布如图5-1所示。纤维发挥着阻止裂纹扩展的作用，结果是在裂纹尖端的部位就减小了使裂纹扩大的力量，抗裂强度得到提高。因此为了扩大这种效果，减小纤维之间的间隔是有效的。于是得出钢纤维补强水泥基材料的抗裂强度是受纤维间隔支配的结论。但是，纤维的弹性模量小于被补强的材料时，如使用聚丙烯纤维