噴射混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

趙會(huì)會(huì) 張松軍 徐向鵬

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.河南大有能源股份有限公司躍進(jìn)煤礦，河南 義馬 472399)

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噴射混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

趙會(huì)會(huì)1張松軍2徐向鵬2

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.河南大有能源股份有限公司躍進(jìn)煤礦，河南 義馬 472399)

介紹了噴射混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦安全、地質(zhì)學(xué)知識(shí)和經(jīng)濟(jì)效益等內(nèi)容，從噴射混凝土外加劑、摻合料、噴漿工藝和噴漿機(jī)械四個(gè)方面進(jìn)行了論述，提出用非金屬礦物替代傳統(tǒng)摻合料或外加劑的思路，對(duì)噴射混凝土技術(shù)的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

噴射混凝土，摻合料，外加劑，非金屬礦物

在礦井支護(hù)、隧道、大壩等工程中，人工混凝土施工往往要克服施工高度或體能的障礙，施工難度劇增，并時(shí)刻面臨著安全風(fēng)險(xiǎn)。噴射混凝土是借助噴漿機(jī)將攪拌均勻的混凝土拌合物直接噴射至工作面的技術(shù)，憑借原料來(lái)源廣泛、施工便利、對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快等優(yōu)良性能得到了廣泛的應(yīng)用。但噴射混凝土存在回彈率高、粉塵大、強(qiáng)度低等缺陷。因此，研制出性能優(yōu)良的噴射混凝土對(duì)提高支護(hù)工程強(qiáng)度、保護(hù)施工人員身體健康和減少浪費(fèi)具有重要意義。

1 噴射混凝土原料

1.1 基礎(chǔ)原料

噴射混凝土基礎(chǔ)原料為水泥、細(xì)骨料和粗骨料。常用水泥包括普通硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥以其成分穩(wěn)定，凝結(jié)時(shí)間短、強(qiáng)度高成為噴射混凝土的首選。細(xì)骨料選用普通細(xì)砂或中粒砂，砂中的粉塵和泥粒是影響噴射混凝土性能的主要因素之一。粗骨料選用一種被稱作米石的人工石子。

1.2 外加劑

澆筑混凝土常用外加劑有減水劑、引氣劑、流平劑、速凝劑等。但是，干法噴射混凝土基本上只用速凝劑，濕法噴射混凝土使用減水劑和速凝劑兩種外加劑，所以，下文只介紹速凝劑和減水劑。1)速凝劑。速凝劑是混凝土噴射工藝實(shí)現(xiàn)的必備技術(shù)。在工程實(shí)踐中，干法噴漿多用粉狀速凝劑，濕法噴漿多用液體速凝劑。國(guó)內(nèi)粉狀速凝劑按主要成分大致可分為三類：鋁氧熟料加碳酸鹽系、鋁氧熟料加明礬石系、非堿性粉末狀速凝劑。新型復(fù)合速凝劑集中傳統(tǒng)粉狀速凝劑優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)不足，成為粉狀速凝劑發(fā)展的主要方向。液體速凝劑朝著低堿或無(wú)堿、復(fù)合型的方向發(fā)展。隨著大量性能好、性價(jià)比高的無(wú)堿液體速凝劑的成功研發(fā)和應(yīng)用，濕法噴漿將取代干法噴漿在煤礦巷道支護(hù)上的應(yīng)用。液體速凝劑的缺點(diǎn)是速凝效果差，氣味大，價(jià)格貴，所以，最近幾年來(lái)，有人給濕法噴漿機(jī)增加了速凝劑添加系統(tǒng)，使得干粉速凝劑可以應(yīng)用于濕法噴漿，大大地提高了速凝效果，降低了成本，減少了噴射現(xiàn)場(chǎng)的氣味，具有很好的推廣價(jià)值。2)減水劑。國(guó)內(nèi)減水劑按性能和時(shí)間可大致分為三個(gè)世代：第一代以木質(zhì)素磺酸鹽減水劑為代表，第二代以萘系減水劑為代表，第三代減水劑是聚羧酸鹽減水劑。聚羧酸鹽減水劑以其無(wú)毒、摻量低、減水率高、坍落度保持好等優(yōu)點(diǎn)，成為日前減水劑研究的熱點(diǎn)，發(fā)展迅猛。張艷飛等大膽嘗試，用甲基丙烯酸接枝共聚改性淀粉制備混凝土減水劑，成為減水劑研究的新方向。

1.3 摻合料

混凝土常用摻合料有硅灰、粉煤灰、磨細(xì)礦渣和磨細(xì)天然沸石。在噴射混凝土中主要使用硅灰和磨細(xì)天然沸石，其他摻合料很少在噴射混凝土中使用。1)硅灰。硅灰在普通混凝土中得到了廣泛應(yīng)用，可以提高混凝土抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗凍融性，并能提高混凝土的抗堿—集料反應(yīng)能力。但是，硅灰顆粒細(xì)小，進(jìn)入人的呼吸道，有引起矽肺病的風(fēng)險(xiǎn)，所以，在揚(yáng)塵嚴(yán)重的噴射混凝土施工中只是部分地使用。2)磨細(xì)天然沸石。天然沸石活性很低，當(dāng)沸石礦磨細(xì)至比表面積500 m2/kg時(shí)，潛在活性被激活。由于粉磨過(guò)細(xì)，增大了混凝土的需水量，影響顆粒級(jí)配，也影響混凝土的力學(xué)性能。但是，細(xì)小顆粒增加了磨細(xì)沸石的粘結(jié)性，在提高噴射混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，還可以降低噴射混凝土的噴射回彈率，所以，磨細(xì)沸石在山西煤炭行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

2 噴漿機(jī)械和施工工藝

噴射混凝土的施工工藝分為干噴、潮噴和濕噴三種，但是，潮噴和干噴差別不大，往往看作一種。干噴工藝簡(jiǎn)單(見圖1)，施工成本低，不易堵管，輸送距離長(zhǎng)，物料混合均勻，被廣泛使用。主要缺點(diǎn)是回彈率高(30%左右)、粉塵大，質(zhì)量穩(wěn)定性差。

濕噴可以降低5%左右的噴射回彈率，粉塵可以降低10 mg/L左右，濕噴工藝見圖2。現(xiàn)行濕法噴漿的主要不足是設(shè)備體積大，噴漿效率低，液體速凝劑價(jià)格貴、氣味大，經(jīng)常堵管。

3 噴射混凝土新技術(shù)

1)偏高嶺土。偏高嶺土是高嶺土在650 ℃～800 ℃煅燒后的產(chǎn)物。偏高嶺土與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，提高了混凝土強(qiáng)度，降低了水化體系的堿度。我們與焦作市煜坤礦業(yè)公司合作，把偏高嶺土和其他水泥外加劑復(fù)配，生產(chǎn)的MK系列高效增強(qiáng)劑可以使噴射混凝土的標(biāo)號(hào)達(dá)到C40，噴射回彈率降低10%，極大地提高了噴射混凝土的綜合性能，是一個(gè)值得堅(jiān)持的新的研究方向。偏高嶺土與硅灰相比，主要優(yōu)勢(shì)是顯著降低噴射回彈率，對(duì)人體安全(不會(huì)引起矽肺病)；偏高嶺土與磨細(xì)沸石相比，主要優(yōu)勢(shì)是價(jià)格便宜。2)片柱狀礦物。云母的單晶體為片狀，硅灰石的單晶體為針狀，借助長(zhǎng)軸優(yōu)勢(shì)，其作用機(jī)理與鋼纖維類似；云母和硅灰石的硬度低，安全性能上優(yōu)于鋼纖維；云母和硅灰石不易受氯離子侵蝕；云母和硅灰石在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用下聚集成礦，具有先天的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，鋼纖維價(jià)格昂貴，每噸在4 000元～10 000元。因此，用云母或硅灰石替代鋼纖維在噴射混凝土抗折強(qiáng)度方面的應(yīng)用，合理、易操作。3)軟質(zhì)粘土巖中高嶺石的平均含量達(dá)到70%，顆粒小，含有大量的有機(jī)物，因此具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，可顯著提高坯體的干坯強(qiáng)度。因此，用軟質(zhì)粘土巖替代化學(xué)粘結(jié)劑，既提高了性能，又經(jīng)濟(jì)環(huán)保。4)新型濕噴機(jī)的研究與應(yīng)用。新型轉(zhuǎn)子式混凝土濕噴機(jī)主要由送料裝置、噴射機(jī)系統(tǒng)、速凝劑添加裝置和行走機(jī)構(gòu)等部分組成。通過(guò)協(xié)調(diào)螺旋軸的轉(zhuǎn)速、螺旋葉片的直徑、螺距、螺旋軸的直徑、傾斜角度等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)送料裝置輸送能力和噴漿機(jī)工作能力的匹配。設(shè)置速凝劑添加裝置，使得干粉速凝劑可以應(yīng)用于濕法噴漿，具有很好的推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

噴射混凝土施工過(guò)程中存在速凝劑腐蝕性大、摻合料價(jià)格昂貴或性能不佳、噴漿機(jī)械效率不高等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重制約著噴射混凝土技術(shù)的發(fā)展。本文從地質(zhì)學(xué)角度出發(fā)，用高火山灰活性的偏高嶺土替代硅灰或磨細(xì)沸石，用異型礦物替代價(jià)格昂貴的人造纖維，用軟質(zhì)粘土巖替代化學(xué)粘結(jié)劑，對(duì)噴射混凝土技術(shù)的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]吳文豐,齊家根,王麗娟,等.粉狀速凝劑在噴射混凝土中的應(yīng)用與研發(fā)趨勢(shì).中州煤炭,2011(12):36-38.

[2]張艷飛.甲基丙烯酸接枝淀粉共聚物用作減水劑的研究.中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2015(3):324-325.

[3]明 陽(yáng),陳 平,李 玲,等.礦渣、沸石粉復(fù)合摻合料在混凝土中的試驗(yàn)研究.混凝土與水泥制品,2011(12):10-14.

[4]馬井雨.新型無(wú)堿無(wú)氯液體速凝劑的制備及其性能研究.濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué),2013.

[5]王然然.轉(zhuǎn)子式混凝土濕噴機(jī)送料裝置的設(shè)計(jì)與研究.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2014.

The research and application situation of spray concrete

Zhao Huihui1Zhang Songjun2Xu Xiangpeng2

(1.ResourcesandEnvironmentInstitute,HenanUniversityofTechnology,Jiaozuo454000,China;2.YuejinCoalMine,HenanDayouEnergyCo.,Ltd,Yima472399,China)

This paper introduced the research and application situation of spray concrete, combining with the coal mine safety, geological knowledge and economic benefit and other contents, from the spray concrete additive, admixture, spraying technology and spraying machine four aspects made discussion, put forward the ideas using nonmetal mineral substitution of traditional admixture or additive, had important practical significance for the enhancement of spray concrete technology.

spray concrete, admixture, additive, nonmetal mineral

1009-6825(2015)18-0120-02

2015-04-15

趙會(huì)會(huì)(1989- )，女，在讀碩士； 張松軍(1963- )，男，工程師； 徐向鵬(1987- )，男，助理工程師

TU528

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